基于無線網絡的智能家居系統設計

成都理工大學 張旖旎 冉 述 竇 強 宋 東 葛 鑫

引言

智能家居概念提出的目的是：“將家庭中所有和信息相關的通信設備、家用電器、家庭保安裝置連接到一個家庭智能化系統上進行集中的或異地的監視、控制和家庭事務性管理，同時保持這些家庭設施與住宅環境的和諧與協調一致”[1]。

本文提出了一種安全性高、成本低、安裝簡單、可擴展性強的現代家居系統設計方案。

1 系統結構

圖1 系統結構圖

本系統主要由六大部分組成，系統結構如圖1所示，各部分通過板上集成或者無線網絡連接，降低了本系統的安裝難度。

1.1 數據處理中心

1.1.1 核心處理器

數據處理中心CPU選用低成本、低功耗的STM32VET6芯片，該芯片是意法半導體(ST)公司推出的32位高性能微控制器，使用高性能的ARM Cor t ex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，運算速度1.25DMips/MHz[2]。支持睡眠、停機、待機三種省電模式，待機模式RTC開啟狀態電流消耗僅3.4uA。

1.1.2 人機交互

人機交互為用戶提供一個可視化的操作環境：第一可通過3.2寸電阻觸摸屏點按操控，實現密碼開鎖、門鈴呼叫、密碼設置等功能；第二可通過手機短信實現開鎖和各種警報提醒功能；第三可通過云服務器app或網頁實現傳感器數據查看、開關鎖、控制器操作等功能。

1.2 無線傳感器(/控制器)網絡

本系統采用低成本、低功耗的ZigBee技術[3][4]構建一種簇樹型的無線傳感器(/控制器)網絡。該網絡由數據處理中心、協調器、路由器、終端(傳感器節點、控制器節點)組成[5]。在障礙少、距離短的情況下可省略路由節點形成結構更為簡單的星型拓撲結構。

路由節點和終端節點均使用高能鋰電池供電，在安裝條件允許的情況下可采用數據處理中心的電源管理方案。節點核心微處理器選用德州儀器公司(TI)生產的CC2530F256芯片，其結合了德州儀器的業界領先的黃金單元ZigBee協議棧（Z-St ack?），提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案[6]。

1.3 通信

GPRS網絡作為分組交換網絡，特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸[8]。

本系統選用華為MG301模塊，在本系統中，通過TCP/IP連接互聯網，實現采集的數據上傳和控制命令的下達，通過GSM網絡短信與用戶手機通信，實現短信開鎖、警報提醒等功能。

1.4 云服務器

在系統開發階段選用青島億聯客信息技術有限公司提供的Yeel ink物聯網平臺，對開發者免費。通過該平臺可實現傳感器數據的上傳，控制器數據推送，數據記錄，手機app查看與操作，消息微博推送等功能。

2 系統工作原理

系統工作流程如圖2所示，其中C代表數據處理中心接收到的命令(包括觸屏、GSM、GPRS等不同方式接收的所有命令)。命令優先級為C1＞C2＞C3＞C4＞C5。當系統開啟時，首先初始化系統，等待來自用戶的命令。

在智能鎖部分，系統只保存RSA算法的合數、16位長的公鑰、密碼加密后的密文，RSA非對稱加密特性及16位長度密鑰，在接收到6-8位數字密碼及開鎖指令后，公鑰加密該密碼，并將產生的密文與設置用戶時產生的密文比對，不一致則產生一個人類無法分辨的50ms短延時，大大延長窮舉法破解密碼的時間。

3 系統測試

3.1 ZigBee無線傳輸距離測試(無障礙、不包含CC2591)

表1 ZigBee無線傳輸距離

3.2 GSM網絡短信開鎖測試

表2 GSM網絡短信開鎖情況

3.3 GPRS網絡開鎖測試

表3 GPRS網絡開鎖情況

4 結束語

經過深入的理論分析和嚴格的實際測試，該系統可以實現安全智能鎖、家庭環境監測、家庭設備控制、并可自由擴展等功能。系統集成度較高，方便安裝；結構清晰，節點自由度高，方便維護。成本低、人際交互功能強大、操作簡單，適合在大多數家庭普及。該系統還可移植到農業自動化、智能樓宇和對時延要求不高的工業自動化，具有較高的商業和實用價值。

[1]詹良.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統[D].碩士論文:北京郵電大學,2008.

[2]ST.STM 32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE Datasheet[OL].http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00191185.pdf,2014.12.

[3]翟雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術與應用(第一版)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:3-19.

[4]黃繼娥.基于ZigBee的無線溫度傳感網絡的設計與實現[D].碩士論文:東北大學,2007.

[5]Texas Instrument.CC2530 Datasheet.2009.