基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現

浙江廣播電視大學學習資源建設中心 楊 堤

1.引言

2009年1月，IBM公司提出了“智慧地球”的理念；2009年8月，溫家寶總理在中科院無錫高新微納傳感網工程技術研發中心考察時，提出了“感知中國”的目標[1]。物聯網是以感知為核心的物物互聯，從技術角度又稱為傳感網。物聯網將成為繼計算機、互聯網和通信網絡之后的信息產業第三次浪潮[2]。

隨著科學技術的迅猛發展，世界迎來了信息化時代。現如今，可以把信息技術、自動控制技術和計算機技術結合起來應用于建筑及住宅，于是出現了智能建筑及住宅。

2.智能家居的概述

智能家居概念的起源很早，但一直未有具體的建筑案例出現，直到1984年美國聯合科技公司(United Techno1ogies Building System)將建筑設備信息化、整合化概念應用于美國康乃迪克州(Conneticut)哈特佛市(Hartford)的City Place Building時，才出現了首棟的“智能型建筑”，從此揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕[3]。

隨著互聯網的發展，尤其是無線網絡的出現和發展，智能家居逐步進入網絡化時代。它能提供照明控制、遠程家電控制、安防報警、室內外遙控、自動窗簾、可編程定時控制等多種功能和手段，使人們的生活更加安全、舒適和便捷。

3.系統總體方案

3.1 系統總體結構及主要功能

系統主要由家庭智能控制模塊、圖像處理單元、ARM中央控制平臺、Zigbee無線傳輸模塊[4]、GPRS無線通信模塊和因特網通信等部分組成，其總體結構簡圖如圖1所示。

其中家庭智能控制模塊主要包括智能安防報警模塊、智能照明控制模塊及空調遠程控制模塊。各控制模塊通過Zigbee模塊與ARM中央控制平臺實現連接，組成一個星形家庭智能控制網絡。同時，ARM中央控制平臺可連接一個USB攝像頭，實現對家庭環境的實時監控[5]。ARM中央控制平臺通過GPRS和因特網實現與外部的連接，用戶出門在外也可以隨時隨地的通過互聯網或者手機對智能家居進行控制。

3.2 系統硬件架構

中央控制器采用了ARM920T S3C2400作為主控芯片，S3C2400內部集成的TFT/STN LCD觸摸屏控制器主要用于傳輸顯示數據和產生控制信號，支持屏幕水平和垂直滾動顯示。該LCD接口利用S3C2440內部集成的LCD控制器，可直接和大多數TFT液晶顯示屏直接相連，通過IIC接口利用IIC總線可以控制液晶顯示屏的背光、對比度等，從而實現了人機交換界面的建立[6]。

Flash存儲芯片可通過接口總線直接與S3C2400相連，用戶可以在其內部存放系統啟動代碼、根文件系統及內核代碼，從而形成隨機存儲器，用戶可在Flash上執行啟動代碼，在SDRAM上執行主程序。系統硬件電路框圖中與中央控制器相連的CC2430芯片為Zigbee無線傳輸芯片，負責傳感器節點、控制器終端節點以及中央控制器的各種數據信息的接收和傳輸。

3.3 系統軟件架構

系統主程序主要運用C語言編寫，結合一些主要函數來實現各個模塊對應的功能，如系統主程序的初始化、系統設置等。主程序主要由各子程序組成，包括Zigbee無線通信程序、GPRS無線通信程序、各終端模塊控制程序等[7]。系統主程序流程圖如圖3所示。

4.各部分功能及構成

4.1 智能安防報警模塊

圖1 系統總體結構圖

圖2 系統硬件架構框圖

圖3 系統主程序流程圖

此模塊的作用是通過煙霧傳感器對室內氣體進行實時監測，若有異常則向中央控制器CC2430發送數據信息，以短信的形式向用戶手機發送警報，從而起到安防的作用[8]。

煙霧傳感器可以有效地檢測環境中可燃氣體或有毒氣體的濃度，對家居中的安全隱患進行檢測，從而防止火災或事故的發生。針對家用可燃性氣體如液化氣或天然氣等氣體的檢測，選擇采用TGS813氣敏傳感器，TGS813傳感器外觀如圖4所示。

圖4 TGS813氣敏傳感器

4.2 智能照明控制模塊

照明控制器采用AT89C51單片機做為控制芯片，與CC2430采用串口異步通信的方式進行信息的傳遞。模塊結構框圖如圖5所示。

圖5 照明控制系統結構框圖

此部分主要由延時選擇電路、光照檢測電路、熱釋電傳感器及處理電路、單片機系統和輸出控制電路組成。工作時，光照檢測電路和熱釋電紅外線傳感器采集光照強弱、室內是否有人等信息傳輸到單片機，單片機根據信息通過輸出控制電路對照明設備進行開關操作，從而實現智能照明控制，達到節能的目的。并且，和空調控制器類似，本模塊中Zigbee通信模塊CC2430收發模塊終端通過串口通信方式與照明系統控制器相連，從而用戶用手機即可控制照明控制系統實現各種控制命令[9]。

照明控制模塊選擇AT89C51單片機作為終端控制，其系統硬件電路如圖6所示。當外界環境光照強時，光敏電阻R13阻值較小則A點電平較低；當外界環境光照弱時，光敏電阻R13阻值較大，則A點電平較高，將此電平送到單片機，由程序控制是否實現照明。

圖6 照明控制系統硬件電路圖

4.3 空調遠程控制模塊

此模塊設計使用Zigbee通信模塊CC2430通過串口通信方式與空調控制器相連，從而用戶可以直接用手機即可控制空調主機實現各種控制。例如，在炎熱的夏季，在回家之前提前半小時用手機遙控開啟空調系統，使得到家后室溫涼爽。

在當今空調品牌中，大部分都采用的HBS總線，因為一般的智能家居控制系統和HBS總線不兼容，所以想把空調加入到智能家居控制系統中需要通過單片機和HBS通信模塊MM1192芯片連接從而實現智能家居對空調的控制[10]。

MM1192是由日本的MITSUMIG公司研發的專為HBS總線控制模塊設計的一種解碼譯碼芯片，其自身帶有編碼和解碼電路，可與單片機直接相連。在設計單片機I/O控制口時，令P1口作為各種控制按鍵的控制口，不同的按鍵對應不同的控制功能，具體分為：開機、高溫、低溫、除濕、送風、制冷、加熱、關機。控制狀態的顯示輸出可利用P2口進行連接，當前的命令也可通過八個不同的LED發光二級管顯示。

5.小結

使用ARM S3C2440和ARM-Linux系統構成系統的中央控制平臺，實現對家居各種信息的檢測和控制；利用無線短距離Zigbee通信模塊建立家庭內部局域網絡，實現中央控制平臺與各職能控制器終端的無線通信；利用GPRS模塊實現了對職能家居的遠程監控，使用戶無論何時何地都能通過手機了解家中的情況，并且對家電設備進行控制。

[1]田景熙.物聯網概論[M].南京：東南大學出版社,2010.

[2]沈蘇彬,范曲立,宗平,等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報(自然科學版),2009(6)：38-45.

[3]程秀華,繆希仁,謝禮龍.數字家居智能系統控制技術[J].低壓電器,2007(4)：30-32.

[4]翟雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社,2011.

[5]閆哲,杜濤,左海利.智能家居控制系統的設計及實現[J].自動化技術及應用,2010,29(2)：93～96,98.

[6]苗碩.遠程智能家居管理系統的研究與設計[D].西安：西安建筑科技大學,2006.

[7]CH ANDAK MB.Nature language process based context sensitive,content specific architecture & its speech based implememntation for smart home application[J].International Journal of smart home,2010,4.

[8]趙繼春.基于GPRS無線智能家居安防系統的研究與實現[D].邯鄲：河北工程大學,2007.

[9]余啟家,殷瑞祥.基于ARM及GPRS的智能家居系統的實現[J].微計算機信息,2007,23(20)：119-121.

[10]孫瓊.嵌入式Linux應用程序開發詳解[M].北京：人民郵電出版社,2010.