智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計探討

郭毅

摘 要：主要對智能家居控制系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件設(shè)計和嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計進行了詳細分析，以期為相關(guān)單位的需要提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：智能家居控制系統(tǒng)；KingView；ZigBee；無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

中圖分類號：TU855 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.124

所謂“智能家居”，是指以住宅為平臺，集成多種技術(shù)和與家居生活有關(guān)的設(shè)施構(gòu)建的高效的住宅設(shè)施和家庭日常事務(wù)管理系統(tǒng)，從而提升家居的安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性。本文就智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計進行了探討。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

根據(jù)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，可將其分為4個子系統(tǒng)：①環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)。該系統(tǒng)負責將室內(nèi)的溫度、濕度、光照度等環(huán)境因素控制在適宜的范圍內(nèi)。②安防監(jiān)控子系統(tǒng)。該系統(tǒng)負責監(jiān)控室內(nèi)的火災、燃氣泄漏情況等，一旦出現(xiàn)緊急情況，該系統(tǒng)會自動報警，并使執(zhí)行機構(gòu)進行相應的動作。③遠程抄表子系統(tǒng)。該系統(tǒng)負責采集和顯示室內(nèi)水、電、煤氣等的信息，并在每月底發(fā)送數(shù)據(jù)報表。④供電控制子系統(tǒng)。該系統(tǒng)負責給機電設(shè)備供電，并以室內(nèi)的溫濕度、光照度等為控制對象進行優(yōu)化控制。

此外，本設(shè)計還兼顧了智能家居控制系統(tǒng)之間的交互聯(lián)動控制，并基于KingView提升了智能家居控制系統(tǒng)的開放性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)上述智能家居控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)ZigBee和嵌入式ARM技術(shù)構(gòu)成了家庭Web網(wǎng)關(guān)平臺，并通過紅外傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、溫度傳感器和無線智能插座等設(shè)備實現(xiàn)了相應功能。本文僅選擇其中具有代表性的子系統(tǒng)介紹具體的設(shè)計內(nèi)容。

2.1 環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計

環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)主要包括溫濕度檢測和光照檢測兩部分。溫濕度檢測是系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的一環(huán)，本設(shè)計選用了數(shù)字式集成溫濕度傳感器SHT11。該傳感器的檢測精度能滿足家庭使用要求，其檢測信號可通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至家庭網(wǎng)關(guān)平臺，并通過家庭網(wǎng)關(guān)進行后續(xù)的信號處理工作。無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)，具有抗干擾、低功耗、易組網(wǎng)等特點，可滿足物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的需求。本設(shè)計中選用的ZigBee芯片為CC2430芯片，該芯片是世界上首款符合ZigBee標準的射頻單芯片，其頻率為2.4 GHz，由CHIPCON公司設(shè)計，適用于多種ZigBee標準的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、路由器、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備等。CC2430芯片的集成度很高，只需要較少的外圍器件就可組建完整的系統(tǒng)，進而接收和發(fā)送信號。此外，在硬件電路的基礎(chǔ)上，該芯片配合相應的軟件便可實現(xiàn)溫濕度的采集和超限報警。

為了實現(xiàn)對溫濕度的檢測和控制，除了采用上述溫濕度檢測電路向家庭網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)外，還需要設(shè)計接收控制命令的執(zhí)行機構(gòu)。本設(shè)計選用了以標準CC2430模塊為核心的智能插座，并安裝了繼電器控制電路，根據(jù)開關(guān)命令可實現(xiàn)繼電器的通、斷電。繼電器的通、斷電由CC2430模塊的輸出引腳控制，其電路如圖1所示。當三極管由導通變?yōu)閿嚅_時，繼電器的線圈會出現(xiàn)較大的感應電勢。為了保護三極管，本設(shè)計在繼電器兩端反向串聯(lián)了續(xù)流二極管4148，以吸收該電勢。

2.2 安防監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計

安防監(jiān)控子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。本設(shè)計選用了

QM-N5型氣敏傳感器，當其檢測到燃氣泄漏時，電導率會迅速升高，并將信號放大后通過CC2430模塊傳送至主控器；熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應的紅外傳感器，其熱電系數(shù)高于熱電偶，由傳感探測元件、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成，通過配套的菲尼爾透鏡，能探測到一定范圍內(nèi)的人體輻射，且具有報警功能；本設(shè)計選用了對煙霧敏感的氣敏傳感器預防火災，當檢測到煙霧時，其內(nèi)部的電阻值會發(fā)生變化，進而發(fā)出相應報警信號。

圖1 智能插座的硬件節(jié)點電路

圖2 安防監(jiān)控子系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)

3 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是智能家居控制系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，起著承上啟下的作用，是連接服務(wù)器與終端設(shè)備的樞紐，擔負著運營商網(wǎng)絡(luò)與家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交互訪問的重任。此外，用戶對家居設(shè)備的遠程控制和管理也需要通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)完成。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計中的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用S3C2440芯片作為主控制器。S3C2440芯片是以ARM920T為核心的RISC微處理器，具有功耗低、性能強大的特點，能滿足設(shè)計要求，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主控制器S3C2440、ZigBee模塊與3G模塊的連接通過USB接口實現(xiàn)。

4 監(jiān)控界面設(shè)計

本設(shè)計采用北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的組態(tài)軟件KingView6.53制作系統(tǒng)監(jiān)控界面。KingView是用于過程控制和數(shù)據(jù)采集的專用軟件，可提供資源管理模式下的操作界面，具有使用靈活的特點，可支持多種主流硬件設(shè)備，包括艾默生、歐姆龍、西門子等廠家的PLC設(shè)備、智能儀表、智能模塊、板卡等。此外，KingView還具有強大的通信功能，可提供OPC接口，因此，其市場占有率較高。

4.1 基于KingView的設(shè)備驅(qū)動設(shè)計

在本設(shè)計中，與KingView通信的設(shè)備均為外部設(shè)備。KingView內(nèi)置了大量的設(shè)備驅(qū)動程序，將其作為通訊接口，可實現(xiàn)與外部設(shè)備的有效通訊。在KingView運行期間，會通過驅(qū)動程序、外部設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，每一個驅(qū)動程序都是KingView的COM對象之一，這種通信方式使驅(qū)動程序與KingView形成了一個完整的系統(tǒng)。KingView的驅(qū)動程序是其與硬件設(shè)備連接的樞紐，本設(shè)計中的通信協(xié)議采用小端模式，即默認數(shù)據(jù)格式為低字節(jié)數(shù)據(jù)在前。該協(xié)議定義了光強感測設(shè)備、燈光控制設(shè)備、溫濕度檢測設(shè)備、電能檢測設(shè)備、人體檢測設(shè)備、燃氣泄漏檢測設(shè)備、智能插座、幕布控制設(shè)備八類設(shè)備。

利用驅(qū)動加載工具將驅(qū)動加載到KingView的過程分為以下3步：①為驅(qū)動配置描述文件（擴展名為.des），該描述文件不能單獨使用或操作，只能配合驅(qū)動文件安裝使用；②配置好驅(qū)動文件后，利用驅(qū)動開發(fā)包工具加載驅(qū)動；③打開KingView的工程管理器，點擊“設(shè)備”后，再點擊“新建”便會出現(xiàn)設(shè)備配置向?qū)В凇霸O(shè)備驅(qū)動”一欄即可看到新加載的驅(qū)動。

4.2 基于KingView的監(jiān)控界面設(shè)計

監(jiān)控界面是使用者操控底層設(shè)備的界面，通過監(jiān)控界面可實現(xiàn)對家居設(shè)備的全面檢測和實時控制。利用KingView開發(fā)監(jiān)控界面的一般過程為：設(shè)計圖形界面（定義畫面）→定義設(shè)備→構(gòu)造數(shù)據(jù)庫（定義變量）→建立動畫連接→運行和調(diào)試。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，智能家居的應用越來越廣泛。因此，為了保證智能家居控制系統(tǒng)的安全、高效運行，相關(guān)設(shè)計人員需要不斷完善該系統(tǒng)，從而進一步提升人們的生活質(zhì)量。

參考文獻

[1]連騰勇.智能家居弱電系統(tǒng)設(shè)計探討[J].現(xiàn)代建筑電氣，2010（04）.

[2]高康，楊杰，楊紹剛，等.智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].機械與電子，2014（03）.

〔編輯：張思楠〕