物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周麗榮

吉林化工學(xué)院，吉林吉林 132102

0 引言

智能家居又稱智能住宅，在國外常用Smart Home 表示[1]。近幾年，物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)全面展開。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常要用到計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)通信（如ZigBee 技術(shù)）、綜合布線、智能控制等技術(shù)，可以促進(jìn)智能家居的發(fā)展，使智能家居更加安全、舒適且方便管理[2]。

1 總體設(shè)計(jì)思想

本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)是一種物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，在這里先對(duì)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)主要是由局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)加快了智能家居發(fā)展的腳步，智能家居的發(fā)展也使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用得以推廣。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

而本文所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立起來的，所以本文所介紹的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)主要也是由互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)兩大部分組成[3]?；ヂ?lián)網(wǎng)這一塊通常有計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程客戶端服務(wù)器、手機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面等；局域網(wǎng)這一塊有末端數(shù)據(jù)采集裝置，末端控制設(shè)備和家庭智能網(wǎng)關(guān)。

本文在對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，所選擇的硬件從兩個(gè)方面去考慮，一個(gè)是成本，一個(gè)是性能。這里從嵌入式入手，因?yàn)榍度胧郊夹g(shù)現(xiàn)在的發(fā)展現(xiàn)狀很好，有很好的性能，更強(qiáng)大的作用，可靠性穩(wěn)定性也更好。網(wǎng)絡(luò)連接方式分成有線和無線兩種。

網(wǎng)絡(luò)通信上采用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，其具有雙向通訊的能力，非常適合用在安防報(bào)警等模塊，布線簡(jiǎn)單，便于安裝也能夠節(jié)約成本，且ZigBee 可以與其他的模塊或設(shè)備很好的兼容。智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，如圖2 所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)中所涉及的監(jiān)測(cè)目標(biāo)有：溫度檢測(cè)，濕度檢測(cè)，室內(nèi)氣體成分的檢測(cè)，紅外探測(cè)（有非法入侵時(shí)可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)），視頻監(jiān)測(cè)（便于主人在外工作時(shí)掌握家里的情況）。

軟件選擇上要以降低軟件的開發(fā)周期為目標(biāo)，多使用庫函數(shù)，編寫程序時(shí)多采用模塊化，本文不多做介紹。

3 硬件構(gòu)成概述

硬件主要有兩大模塊：中央處理器模塊和通訊模塊，對(duì)這兩個(gè)模塊在硬件選擇上作了如下的分析。

本文選用的微處理器MCU，是ARM cortex-M3 處理器，是一個(gè)32 位的核，它最大的優(yōu)勢(shì)是成本低、耗能少。最終選用的是STM32F103VET6，是增強(qiáng)型，是32 位基于ARM 核心的帶閃存、USB、CAN 的微控制器，有7 個(gè)16 位定時(shí)器、兩個(gè)ADC、9 個(gè)通信接口。2.0 ～3.6V 供電電源，功耗低，有睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種模式。電壓調(diào)壓器有主模式（MR）、低功耗模式（LPR）和關(guān)斷模式三種操作模式，在正常運(yùn)行時(shí)是處于MR 模式；停機(jī)時(shí)處于LPR 模式；待機(jī)時(shí)處于關(guān)斷模式，這時(shí)的調(diào)壓器以高阻狀態(tài)輸出，無能耗。其實(shí)物圖與管腳圖如圖3（a）、（b）所示。

圖3 STM32F103VET6 的實(shí)物圖與管腳圖

通訊模塊主要有：Zigbee 模塊是局域網(wǎng)之間進(jìn)行互聯(lián)的模塊；GPRS 模塊是互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)之間進(jìn)行互聯(lián)的模塊[4]。Zigbee 模塊使用可編程Zigbee 模塊XBee-PRO ZB，最大發(fā)射功率是50mW，決定著發(fā)射距離長短。XBee-PRO 模塊內(nèi)部有發(fā)射（RF TX）緩沖器和接收（RF RX）緩沖器，每一個(gè)緩沖器提供100bytes 暫時(shí)?？康牡胤?，數(shù)據(jù)可以從兩個(gè)方面同時(shí)抵達(dá)，即發(fā)射數(shù)據(jù)來自UART 及接收數(shù)據(jù)來自RF 鏈路經(jīng)天線而來。

根據(jù)需求選擇GPRS 模塊，一是系統(tǒng)中有大量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，二是能耗，最終選擇了SIMCOM 公司的SIM900A 芯片，是GSM/GPRS 模塊，用SMT 進(jìn)行封裝，性能強(qiáng)大，可內(nèi)置客戶應(yīng)用程式。具有以下特點(diǎn)：只有24*24*3mm 的尺寸，非常??；便于客戶生產(chǎn)加工；功耗低，待機(jī)模式電流低于18mA、sleep模式低于2mA；支持GSM（900 MHz）/CPRS（1800MHz）的頻段；語音編碼，支持半速率、全速率、增強(qiáng)型速率；單電壓供電方式，范圍為3.4V-4.5V；省電，因?yàn)樵赟LEEP 模式下電流1.0mA；支持SIM 卡，1.8V、3V；支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘；可以通過AT 命令設(shè)置定時(shí)功能；可以通過調(diào)試口對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)。其頂視和底視圖如圖4 所示。

圖4 SIM900A 頂視和底視圖

本設(shè)計(jì)主要使用無線的網(wǎng)絡(luò)連接方式，實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)用到大量的傳感器，如對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器、對(duì)室內(nèi)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)的氣敏傳感器等，各傳感器就是一個(gè)簡(jiǎn)單的功能模塊，而室內(nèi)還有一些智能家電或智能裝置，傳感器或家用電器盡量都通過無線組網(wǎng)的方式和末端采控節(jié)點(diǎn)連接[5]。末端采控節(jié)點(diǎn)有：末端采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)或信息做收集、處理和傳輸?shù)裙ぷ?，并且有些?jié)點(diǎn)具有路由的功能，對(duì)其他的節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理；另一種是末端控制節(jié)點(diǎn)，接收上層網(wǎng)絡(luò)傳輸來的控制指令，要求控制節(jié)點(diǎn)可以做決定，且自身集成的繼電器能夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件對(duì)該指令做出反應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)還需要將收集到末端采控節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)利用一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)送到移動(dòng)基站上，由網(wǎng)關(guān)來完成[6]。那么根據(jù)各節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的功能不同也可以把系統(tǒng)分為末端采控節(jié)點(diǎn)、家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面三大模塊。

本文對(duì)智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案作了簡(jiǎn)單的介紹，重點(diǎn)說明設(shè)計(jì)中所用的一些硬件設(shè)施：STM32F103VET6、Zigbee模塊XBee-PRO ZB、SIMCOM 公司的SIM900A 芯片。還對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接方式作了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，若對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)人們對(duì)住房智能化的更高的要求。

[1]中國智能家居網(wǎng).http：//www.smarthomecn.com/.

[2]賈雯杰.物聯(lián)網(wǎng)與智能家居發(fā)展淺析.科技與生活，2010，13：119.

[3]李鴻.幾種智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案的分析與比較[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，3：143-146.

[4]周雷.融合GPRS技術(shù)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)[J].通訊電子技術(shù)，2010，47：6.

[5]于晅.基于GPRS和ZigBee技術(shù)的[5]智能家居解決方案的研究.貴州：貴州大學(xué)，2007.

[6]Deborah E.Wireless Sensor Networks Tutorial PART IV： Sensor Network Protocols[C].Atlanta, Georgia, USA： Westin Peachtree Plaza，2002：23-28.