基于物聯(lián)網(wǎng)的新型智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計研究

范明中

摘 要：主要對基于物聯(lián)網(wǎng)的新型智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計展開了研究，從系統(tǒng)整體設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計、嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計和系統(tǒng)監(jiān)控頁面設(shè)計四方面對基于物聯(lián)網(wǎng)的新型智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計進行了詳細(xì)的介紹，以期能為相關(guān)設(shè)計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居控制系統(tǒng)；嵌入式網(wǎng)關(guān)；監(jiān)控頁面

中圖分類號：TP273+.5 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.092

隨著科技的不斷進步和社會信息化腳步的不斷加快，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸得到了迅速的發(fā)展，融合了信息采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、節(jié)能環(huán)保等一系列物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)也逐漸走進了人們的生活。智能家居控制系統(tǒng)是以信息傳輸網(wǎng)絡(luò)為硬件平臺，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為軟件支撐平臺，通過現(xiàn)場總線將家庭生活中所用的通信設(shè)備、家居設(shè)備和家庭安全防范設(shè)備連接起來的一種智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能滿足人們對家居環(huán)境安全性、方便性、舒適性和可控制性的需求，具有良好的市場前景。鑒于此，筆者將對智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計進行詳細(xì)的介紹。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)智能家居控制系統(tǒng)的功能需求，將其分為四個子系統(tǒng)：①環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)，主要作用是將室內(nèi)的溫濕度、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)，主要作用是監(jiān)控室內(nèi)的防盜、火災(zāi)、燃?xì)庑孤┑劝踩珷顩r。一旦出現(xiàn)緊急情況，系統(tǒng)將自動報警，且使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作。③遠(yuǎn)程抄表子系統(tǒng)，主要作用是采集并顯示室內(nèi)的水、電、煤氣數(shù)據(jù)，月底發(fā)送數(shù)據(jù)報表。④供電控制子系統(tǒng)，主要作用是確保機電設(shè)備正常用電，并以室內(nèi)的溫濕度、光照度、安防等為對象進行優(yōu)化控制。在設(shè)計時，應(yīng)兼顧各個系統(tǒng)之間的交互聯(lián)動控制，在組態(tài)軟件Kingview的基礎(chǔ)上開發(fā)具有開放性的智能家居綜合管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為實現(xiàn)上述智能家居的總體設(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)建家庭WEB網(wǎng)關(guān)平臺，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)相應(yīng)的功能。本文僅選擇其中兩個具有代表性的子系統(tǒng)來介紹具體的設(shè)計情況。

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)主要包括溫濕度和光照的檢測兩部分。溫濕度檢測是非常重要的一環(huán)，本設(shè)計選用數(shù)字式集成溫濕度傳感器SHT11來實現(xiàn)該功能。SHT11的檢測精度能夠滿足家庭使用需求，其檢測信號通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到家庭WEB網(wǎng)關(guān)平臺，并通過家庭網(wǎng)關(guān)進行后續(xù)信號的處理。無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)。ZigBee這種新型的無線網(wǎng)絡(luò)具有抗干擾、低功耗、易組網(wǎng)等特點，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的需求。本設(shè)計選用的ZigBee芯片為CC2430芯片。該芯片是世界上首款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及與之相關(guān)的路由器、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備等。CC2430芯片集成度很高，只需較少的外圍器件就可以組建一個完整的系統(tǒng)進行信號的接收和發(fā)送。在硬件電路的基礎(chǔ)上，配合相應(yīng)軟件就可以實現(xiàn)溫濕度信號的采集和報警。

為了實現(xiàn)對溫濕度的檢測和控制，除了由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)計一個接收控制命令的執(zhí)行機構(gòu)。本文選用以標(biāo)準(zhǔn)CC2430模塊為核心的智能插座，并在外圍擴展繼電器控制電路，根據(jù)開關(guān)命令實現(xiàn)繼電器的通電和斷電。繼電器的通電和斷電由CC2430的一個輸出引腳控制。智能插座硬件節(jié)點電路如圖1所示。當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，繼電器線圈會出現(xiàn)較大的感應(yīng)電勢，為了保護三極管，在繼電器兩端反向串聯(lián)一個續(xù)流二極管4418，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)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，氣敏傳感器負(fù)責(zé)檢測燃?xì)獾男孤┣闆r。本設(shè)計選擇QM-N5型氣敏傳感器，當(dāng)其檢測到燃?xì)庑孤r，電導(dǎo)率迅速升高，將此信號放大后通過CC2430模塊傳送給主控器。熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)的紅外傳感器，其熱電系數(shù)高于熱電偶，由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成，通過配套的菲尼爾透鏡，能夠檢測到一定范圍內(nèi)的人體輻射，并進行防盜報警。火災(zāi)報警選用煙霧傳感器，當(dāng)檢測到煙霧時，傳感器的電阻值發(fā)生變化，并輸出相應(yīng)的信號進行報警。

3 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在智能家居控制系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位，它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，且負(fù)責(zé)運營商網(wǎng)絡(luò)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的交互訪問。此外，用戶對家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和管理也需要通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)完成。

本設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用S3C2440芯片作為主控制器。S3C2440是以ARM920T為核心的RISC微處理器。該芯片具有低功耗和高性能的特點，能夠滿足設(shè)計需求。家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主控制器S3C2440和ZigBee模塊、3G模塊的連接通過USB接口實現(xiàn)。

4 監(jiān)控界面設(shè)計

利用北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的組態(tài)軟件Kingview6.53來設(shè)計監(jiān)控界面。Kingview軟件是用于過程控制和數(shù)據(jù)采集的專用軟件，提供資源管理模式的操作界面，使用靈活，支持多種主流硬件設(shè)備，包括艾默生、歐姆龍、西門子等各廠家的PLC系列、智能儀表系列、智能模塊系列、板卡系列等。Kingview軟件具有較強的通信功能，并提供OPC接口、網(wǎng)絡(luò)等功能，在國內(nèi)市場占有很大的比例。

4.1 基于Kingview的設(shè)備驅(qū)動設(shè)計

Kingview軟件將與其通信的設(shè)備都看作是外部設(shè)備。為實現(xiàn)與外部設(shè)備的通信，Kingview軟件內(nèi)置了大量設(shè)備的驅(qū)動程序，以此作為通訊接口。在運行期間，Kingview軟件通過驅(qū)動程序和外部設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)。每一個驅(qū)動程序都是Kingview軟件的一個COM對象。這種通信方式使驅(qū)動程序和Kingview軟件組成一個完整的系統(tǒng)。Kingview軟件驅(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(rèn)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?xì)庑孤z測設(shè)備、智能插座、幕布控制設(shè)備共八類設(shè)備。

利用驅(qū)動加載工具將驅(qū)動加載到Kingview軟件中需要以下三步：①給該驅(qū)動配置一個描述文件（擴展名為.des）。該描述文件不能單獨使用和操作，只能配合驅(qū)動文件一起安裝使用。②在建好.des文件后，利用驅(qū)動開發(fā)包工具加載安裝驅(qū)動。③打開Kingview軟件的工程管理器，點擊“設(shè)備”，然后再點“新建”，出現(xiàn)“設(shè)備配置向?qū)А保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)控界面可以實現(xiàn)對家居設(shè)備的全面檢測和實時控制。利用Kingview軟件開發(fā)工程的一般步驟如下：設(shè)計圖形界面，即定義畫面；定義設(shè)備；構(gòu)造數(shù)據(jù)庫，即定義變量；建立動畫連接；運行和調(diào)試。

5 結(jié)束語

綜上所述，智能家居控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得家庭生活更安全、方便，提高了人們的生活質(zhì)量，具有良好的應(yīng)用前景。本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)⒄麄€家居中可連接到網(wǎng)絡(luò)的所有電氣設(shè)備有機整合到一起，并 對這些設(shè)備進行有效控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控和管理，具有實現(xiàn)簡單、性能穩(wěn)定、適用范圍廣、安全、可靠等優(yōu)點，值得被廣泛推廣和應(yīng)用。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕