智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

高同輝, 劉東曉

(1. 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化系, 河南 平頂山 467001；2. 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系, 河南 平頂山 467001)

智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

高同輝1, 劉東曉2

(1. 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化系, 河南 平頂山 467001；2. 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系, 河南 平頂山 467001)

為滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等專(zhuān)業(yè)學(xué)生和教師對(duì)專(zhuān)業(yè)核心技能綜合實(shí)訓(xùn)的需要,開(kāi)發(fā)出以嵌入式技術(shù)和ZigBee技術(shù)為核心的智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)家居照明控制、家庭安防、家電控制、家庭環(huán)境控制等功能,能滿足課程實(shí)訓(xùn)、科技創(chuàng)新、深度開(kāi)發(fā)等3個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)的需要。對(duì)該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件設(shè)計(jì),并舉例說(shuō)明了使用方法。

智能家居； 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)； 傳感器； 嵌入式； ZigBee

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是借助各種信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議將任何物品的信息與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。掌握物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是對(duì)現(xiàn)代高職院校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的重要技能要求。智能家居系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域之一,開(kāi)發(fā)智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的綜合訓(xùn)練的需要,提高學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用技能。

1 智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

智能家居是利用各種技術(shù)和設(shè)施實(shí)現(xiàn)家居的管理與控制,從而提升家居的安全性、便利性、高效性和舒適性[1],它是以住宅為平臺(tái),把計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)等集合為一體,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、安防報(bào)警、門(mén)禁系統(tǒng)、溫濕度管理、照明系統(tǒng)管理、存儲(chǔ)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等功能[2]。

根據(jù)智能家居的基本功能需求,智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要由嵌入式網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器、ZigBee傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成[3],實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)家居照明控制、家庭安防、家電控制、家庭環(huán)境控制等功能。

智能網(wǎng)關(guān)支持與ZigBee的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[4],并維護(hù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信,將節(jié)點(diǎn)信息和網(wǎng)絡(luò)信息實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)提供以太網(wǎng)、WiFi、藍(lán)牙、GPRS等接口,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與操作。ZigBee傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集感知設(shè)備數(shù)據(jù)、無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)及控制執(zhí)行設(shè)備數(shù)據(jù)[5]。協(xié)調(diào)器的作用是建立、維持和管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

圖1 智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

2 智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能網(wǎng)關(guān)選型與設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)主要用于外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的互聯(lián),網(wǎng)關(guān)采用三星S3C6410基于ARM11的微處理器作為嵌入式核心板[6],該嵌入式核心板是廣州友善之臂計(jì)算機(jī)科技有限公司的Mini6410開(kāi)發(fā)板,其CPU基于ARM1176JZF-S核設(shè)計(jì),內(nèi)部集成了強(qiáng)大的多媒體處理單元,集成了256MB DDR RAM,256MB/1 GB SLC Nand Flash存儲(chǔ)器,并有豐富的通信接口。

2.2 協(xié)調(diào)器及其擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要用于無(wú)線收發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),組建各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器采用TI公司的CC2530,CC2530是用于IEEE802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)的解決方案[7],協(xié)調(diào)器電路如圖2所示。該芯片采用增強(qiáng)型8051 CPU,8KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能,并且非常適合超低功耗的系統(tǒng)。

擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)是將ZigBee無(wú)線通信模塊、液晶屏、多種傳感器和多種接口等集成于一體。無(wú)線收發(fā)模塊選擇CC2530為主控制器,傳感器數(shù)據(jù)管理部分選擇STM32F107為主控制器[8]。擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 感知和執(zhí)行設(shè)備選擇

智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有智能環(huán)境監(jiān)控功能,采用了多種不同類(lèi)型的感知設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備,主要有煙霧傳感器、攝像頭、紅外對(duì)射傳感器、RFID門(mén)禁、報(bào)警指示燈、蜂鳴器、磁力鎖、位移傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、風(fēng)扇、電表計(jì)量插座[9]等。

感知設(shè)備與擴(kuò)展開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)相連,負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù),并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器再發(fā)指令給擴(kuò)展開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)連接的執(zhí)行設(shè)備,完成智能家居的閉環(huán)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制。

圖3 擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖

3 智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用

智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)利用Qt圖形界面應(yīng)用程序[10]制作成嵌入式網(wǎng)關(guān)演示軟件,使傳感器數(shù)據(jù)采集可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示,結(jié)合智能家居的應(yīng)用場(chǎng)景,逼真地展示ZigBee

無(wú)線通信技術(shù)在智能家居中的實(shí)際應(yīng)用。模擬智能家居綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用分以下3個(gè)步驟。

第一步:建立ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)和終端設(shè)備(End-Device)的物理連接[11](見(jiàn)圖4)：

第二步:建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先作為負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器上電后,按照指定的信道和PAN_ID建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò),然后各個(gè)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為終端設(shè)備加入該無(wú)線網(wǎng)絡(luò),從而建立起一個(gè)星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)根據(jù)Z-Stack協(xié)議棧[12]文件f8wConfig.cfg設(shè)置信道和PAN_ID等參數(shù),其中ZDO_CONFIG_PAN_ID參數(shù)可以設(shè)置為一個(gè)0—0x3FFF之間的一個(gè)值作為協(xié)調(diào)器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的PAN_ID,-DDEFAULT_CHANLIST=0x00004000參數(shù)設(shè)置信道值。

第三步:無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。路由器向協(xié)調(diào)器發(fā)送地址信息、網(wǎng)絡(luò)信息和數(shù)據(jù)信息,協(xié)調(diào)器接收到路由器的信息后,將這些信息解析并傳送給PC,PC上位機(jī)軟件根據(jù)這些信息顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。在星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,所有終端設(shè)備的父節(jié)點(diǎn)都是協(xié)調(diào)器,終端設(shè)備之間是通過(guò)協(xié)調(diào)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的,此時(shí)協(xié)調(diào)器起路由器的作用。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及現(xiàn)象:啟動(dòng)IAR軟件[13],編寫(xiě)程序并編譯成可執(zhí)行文件,通過(guò)JTAG端口將程序燒錄至STM32控制器。主程序流程[14]如圖5和圖6所示。將協(xié)調(diào)器和計(jì)算機(jī)通過(guò)USB線連接起來(lái),打開(kāi)協(xié)調(diào)器的電源開(kāi)關(guān),可以看到協(xié)調(diào)器模塊上LED1紅燈亮。建網(wǎng)成功后,LED1變?yōu)樗{(lán)色,并在液晶屏上顯示PAN_ID號(hào),表示協(xié)調(diào)器已建立起一個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò),接收到數(shù)據(jù)時(shí)LED3綠燈閃爍。依次打開(kāi)9個(gè)路由器的電源開(kāi)關(guān),如果是CITE無(wú)線節(jié)點(diǎn),則在剛上電時(shí)路由器設(shè)備上LED1紅燈亮,液晶屏顯示OFF和Router,表示當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(加入或未加入)和設(shè)備類(lèi)型；加入網(wǎng)絡(luò)成功后變藍(lán)色,并在液晶屏上顯示自己的短地址[15],液晶屏顯示ON和Router,表示路由器節(jié)點(diǎn)已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò),發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)LED3的藍(lán)燈閃爍。

圖5 協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖6 路由器程序流程圖

4 智能家居綜合實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容

智能家居綜合性實(shí)訓(xùn)有以下內(nèi)容。

(1) 室內(nèi)燈光控制:用手遮擋或不遮擋光照度傳感器,從而控制室內(nèi)照明燈的開(kāi)、關(guān)或亮度。

(2) 控制風(fēng)扇:用超聲波傳感器模擬風(fēng)扇自動(dòng)控制系統(tǒng),用手或書(shū)本等放在超聲波傳感器的正上方并改變測(cè)量距離。當(dāng)超聲波傳感器測(cè)量的距離l符合0 m

(3) 門(mén)禁控制:用紅外傳感器模擬紅外線門(mén)禁系統(tǒng)。當(dāng)用手擋住紅外線傳感器時(shí)表明有人要進(jìn)入房間,門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。

(4) 空調(diào)控制:利用溫度傳感器模擬溫度感應(yīng)系統(tǒng),當(dāng)用嘴對(duì)著溫濕度傳感器吹氣時(shí),表示“室內(nèi)溫度”升高,空調(diào)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟制冷,以降低“室內(nèi)溫度”。

(5) 電視控制:按鍵模擬室內(nèi)的電視遙控器,按下按鍵可以控制室內(nèi)電視的開(kāi)與關(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多學(xué)科綜合性實(shí)訓(xùn)裝置,是將家電控制、照明控制、窗簾自控、門(mén)禁控制、遠(yuǎn)程抄表等功能融為一體的智能家居模擬系統(tǒng)。通過(guò)近兩年的實(shí)訓(xùn)教學(xué)證明,該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能夠滿足高校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生課程實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、二次開(kāi)發(fā)等3個(gè)層次的實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要,為學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)技能發(fā)揮了積極的作用。

References)

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Development and application of intelligent home training platform

Gao Tonghui1, Liu Dongxiao2

(1. Department of Automation,Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan 467001,China；2. Department of Mechanical Engineering; Pingdingshan Industrial College of Technology; Pingdingshan 467001,China)

In order to meet the needs of comprehensive professional training of students and teachers who are majoring in Things of Internet in core skills,the intelligent home training platform is developed by embedded technology and ZigBee as core. The training platform has several kinds of functions,such as home lighting control,home security,appliance control,home environmental control and others. The overall design and hardware and software design of the training platform are shown,and it illustrates the using method.Through teaching practice,it’s proved that the training platform has met the needs of the three levels of practical teaching, including course training, technological innovation, and depth development.

intelligent home; training platform; sensors; embedded; ZigBee

2014- 11- 23

2014年河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A520040)

高同輝(1975—),男,河南魯山,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù).

E-mail：gaothaaa@163.com

TP273

A

1002-4956(2015)7- 0167- 05