基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾松偉,章云,邱偉強(qiáng)

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用熱點(diǎn)之一，已引起廣泛關(guān)注。提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程并給出了軟硬件設(shè)計(jì)框圖、原理圖及部分軟件代碼。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)； 智能家居； GPRS； 遠(yuǎn)程控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0168-04

Design of Smart Home Control System Based on IOT

ZENG Song-wei,ZHANG Yun,QIU Wei-qiang

(School of Information Engineering,Zhejiang A&F; University,Linan 311300,China)

Abstract： The control and management of home appliances,information systems,entertainment systems,security systems,lighting systems,remote medical monitoring system are realized by means of the available technologies of IOT,PC (or PDA,mobile phones),network,information,structured cabling,wireless and so on through the monitoring center in organic combination with the smart home control system and the relevant subsystems of smart home. The realization program of the smart home control system based on IOT is given . The design process of software and hardware is elaborated. Their design block diagrams and schematic diagrams,as well as partial software codes are offered.

Keywords： IOT; smart home; GPRS; remote control

隨著人們生活水平的提高和科技的發(fā)展，家庭智能化已成為一種必然趨勢(shì)而深入千家萬(wàn)戶(hù)。家庭智能化即智能化家居(Smart Home)，亦稱(chēng)數(shù)字家園(Digital Family)、家庭自動(dòng)化(Home Automation)、電子家庭(E-home)、智能化住宅(Inte1ligent Home)、網(wǎng)絡(luò)家居(Network Home)、智能屋(Wise House,WH)、智能建筑(Inte1ligent Building)等。它是利用計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、電力自動(dòng)化、信息、結(jié)構(gòu)化布線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)等技術(shù)將所有不同的設(shè)備應(yīng)用和綜合功能互連于一體的系統(tǒng)。它以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)家電、通信、家電設(shè)備自動(dòng)化、遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭辦公、娛樂(lè)等功能，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的安全、便利、舒適、節(jié)能、娛樂(lè)、高效、環(huán)保的居住環(huán)境。其從控制層次來(lái)分，一般由中央控制中心、家居智能控制終端、小區(qū)智能控制系統(tǒng)、家庭網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò)幾部分組成。

1 智能家居系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

家居系統(tǒng)主要由智能燈光控制、智能家電控制、智能安防報(bào)警、智能娛樂(lè)系統(tǒng)、可視對(duì)講系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等組成，框圖如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 照明及設(shè)備控制

智能家居控制系統(tǒng)的總體目標(biāo)是通過(guò)采用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制和集成技術(shù)建立一個(gè)由家庭到小區(qū)乃至整個(gè)城市的綜合信息服務(wù)和管理系統(tǒng)。系統(tǒng)中照明及設(shè)備控制可以通過(guò)智能總線(xiàn)開(kāi)關(guān)來(lái)控制。本系統(tǒng)主要采用交互式通信控制方式，分為主從機(jī)兩大模塊，當(dāng)主機(jī)觸發(fā)后，通過(guò)CPU將信號(hào)發(fā)送，進(jìn)行編碼后通過(guò)總線(xiàn)傳輸?shù)綇哪K，進(jìn)行解碼后通過(guò)CPU觸發(fā)響應(yīng)模塊。因?yàn)橹鳈C(jī)模塊與從機(jī)模塊完全相同，所以從機(jī)模塊也可以進(jìn)行相反操作控制主機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)交互式通信。系統(tǒng)主框圖如圖2所示，系統(tǒng)主從模塊的程序流程圖如圖3所示。其中主機(jī)相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。

圖2 燈光及家居設(shè)備控制框圖

對(duì)于燈光控制，可以形成不同的燈光情景模式，以營(yíng)造舒適優(yōu)雅的環(huán)境氣氛。為了提高系統(tǒng)的可維護(hù)性及可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使系統(tǒng)具有智能狀態(tài)回饋功能、故障自動(dòng)報(bào)警功能、軟啟動(dòng)功能。系統(tǒng)能自動(dòng)檢查負(fù)載狀態(tài)，檢查壞燈、少燈，保護(hù)裝置狀態(tài)等；也可以根據(jù)季節(jié)、天氣、時(shí)間、人員活動(dòng)探測(cè)等作出智能處理，達(dá)到節(jié)能目的。

對(duì)于其他家電設(shè)備及窗簾控制，與照明控制類(lèi)似，均可采用手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種方式。

圖3 系統(tǒng)模塊程序流程圖

2.2 智能安防及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能安防系統(tǒng)主要由各種報(bào)警傳感器(人體紅外、煙感、可燃?xì)怏w等)及其檢測(cè)、處理模塊組成。入侵檢測(cè)報(bào)警電路及其他火災(zāi)、燃煤氣泄漏報(bào)警電路類(lèi)似，其中入侵檢測(cè)報(bào)警框圖及電路如圖4所示。

圖4中，DTMF(雙音多頻)收發(fā)電路如圖5(a)所示，其核心芯片為MT8880，可接收和發(fā)送DTMF全部16個(gè)信號(hào)，具有接收呼叫音和帶通濾波功能，能和微處理器直接對(duì)接。其自動(dòng)摘掛機(jī)可以通過(guò)單片機(jī)I/O口控制一個(gè)繼電器的開(kāi)關(guān)，繼電器的控制端連接一個(gè)電阻接入電話(huà)線(xiàn)兩端，從而完成模擬摘掛機(jī)。

GPRS通信模塊——TC35模塊主要通過(guò)串口與單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)TC35模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。電路如圖5(b)所示。

圖4 入侵檢測(cè)報(bào)警框圖及電路

圖5 接口電路

2.3 遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用應(yīng)該說(shuō)還沒(méi)有引起廣泛關(guān)注，但實(shí)際上它又是今后智能家居發(fā)展的一個(gè)方向之一。本系統(tǒng)提出的基于GPRS的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)由中央控制器、GPRS通信模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet公共網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、醫(yī)院局域網(wǎng)等組成。其框圖如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作時(shí)，患者可隨身攜帶的遠(yuǎn)程醫(yī)療智能終端首先實(shí)現(xiàn)對(duì)患者心電、血壓、體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑病情時(shí)，通信模塊對(duì)采集到人體現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行加密、壓縮處理后，以數(shù)據(jù)流形式通過(guò)串行方式(RS 232)連接到GPRS通信模塊上，并與中國(guó)移動(dòng)基站進(jìn)行通信，基站SGSN再與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信，GGSN對(duì)分組資料進(jìn)行相應(yīng)的處理并把資料發(fā)送到Internet上，并且去尋找在Internet上的一個(gè)指定IP地址的監(jiān)護(hù)中心，并接入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。這樣，信息就開(kāi)始在移動(dòng)病人單元和遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)護(hù)醫(yī)院工作站之間不斷進(jìn)行交流，所有的診斷數(shù)據(jù)和病人報(bào)告電子表格都會(huì)被傳送到遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)護(hù)信息系統(tǒng)存檔，遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)護(hù)信息系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以供將來(lái)研究、評(píng)估、資源規(guī)劃所用。該GPRS遠(yuǎn)程醫(yī)療智能終端的硬件框圖如圖7所示。系統(tǒng)監(jiān)護(hù)中心由監(jiān)控平臺(tái)和信息管理系統(tǒng)、電子地圖、電子病歷等組成，系統(tǒng)軟件的框圖如圖8所示,其中電子病歷系統(tǒng)中的病人詳細(xì)病歷界面如圖9所示。

圖7 遠(yuǎn)程醫(yī)療智能終端的硬件框圖

3 系統(tǒng)部分軟件設(shè)計(jì)

3.1 電話(huà)報(bào)警部分程序

電話(huà)報(bào)警部分程序如下：

MT8880寫(xiě)狀態(tài)函數(shù)

RS=1,RW=0,寫(xiě)狀態(tài)寄存器

void write_status(uchar value)

{

MT_RS=1;

MT_RW=0;

MT_CK=0;

P1=value;//寫(xiě)8880CRA和CRB

MT_CK=1;

delayNOP();

MT_CK=0;

}

MT8880 發(fā)碼程序

void MT_TRAN()

{

MT_CS=0;

delayNOP();

write_status(0x1d);//寫(xiě)8880CRA,CRA=1101

write_status(0x10);//寫(xiě)8880CRB,CRB=0000

//8880模式2為T(mén)ONE,DTMF,IRQ,BURST

MT_RS=0; //寫(xiě)發(fā)送寄存器

MT_RW=0;

MT_CK=0;//dis_buf1

［i］=dis_buf1［i］&0x0f;//取數(shù)據(jù)低4位

P1=0x0f;

MT_CK=1;//發(fā)送號(hào)碼

delayNOP();

MT_CK=0;

delay(3000); //調(diào)整撥號(hào)速率

MT_CS=1;

}

圖8 監(jiān)護(hù)中心系統(tǒng)框圖

圖9 病人詳細(xì)病歷界面

3.2 防盜報(bào)警及遠(yuǎn)程控制軟件

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化，首先進(jìn)入開(kāi)機(jī)界面，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。若直接選擇確定則默認(rèn)原設(shè)置，也可對(duì)默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行重設(shè)。設(shè)置完成后，各傳感器開(kāi)始采集、處理參數(shù)，在液晶上顯示各參數(shù)并通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)，流程圖如圖10所示，數(shù)據(jù)短信收發(fā)流程如圖11所示。

圖10 遠(yuǎn)程控制流程圖

圖11 數(shù)據(jù)采集流程圖

部分程序代碼如下：

//-----------------//

//功能：通過(guò)串口向GPRS寫(xiě)入數(shù)據(jù)

//-----------------//

void GPRS_Write(unsigned int *Write_Adress,unsigned int Length)

{

unsigned int i;

for(i = 0; i < Length; i++)

{

while(((*P_UART_Command2)&C;_UART_TX_EN ) == 0 );

*P_UART_Data = Write_Adress［i］;

*P_Watchdog_Clear=0x0001;

}

}

4 結(jié) 語(yǔ)

本智能家居系統(tǒng)提供廣泛的信息交互功能，優(yōu)化居

住環(huán)境，幫助人們有效地利用空間、節(jié)約各種能源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電、防盜報(bào)警、環(huán)境、設(shè)備等控制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能，與其他系統(tǒng)的一大區(qū)別是加入了遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。由于物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)體系標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，各種子系統(tǒng)較多等原因，系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高和改進(jìn)。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文