基于物聯網的智能家居控制系統設計

　張晶瑩

（天津城市建設管理職業技術學院，天津300134）

基于物聯網的智能家居控制系統設計

張晶瑩

（天津城市建設管理職業技術學院，天津300134）

介紹了物聯網的發展背景和應用現狀，設計了集RFID射頻識別技術、綜合布線技術、網絡通信技術、組態技術的智能家居安防系統，包含安全控制模塊、消防控制模塊和智能家居模塊，建立了基于現場CAN總線與家庭主機的通信方案。通過該控制系統，用戶可以隨時隨地地通過互聯網或手機對智能家居進行控制并且接收有關的家居信息。

物聯網；智能家居；安防系統；CAN總線

1　設計背景

從1999年美國麻省理工學院（MIT）自動識別中心（Auto-ID Labs）提出網絡化無線射頻識別（RFID）系統到2005年國際電信聯盟（ITU）在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上提出“物聯網IOT”的概念，自此，物聯網正式走入人們的視野［1］。再到2009年8月7日，溫家寶總理視察無錫，提出“感知中國”計劃，拉開中國物聯網發展的帷幕。

隨著科技的發展，物聯網已深入到各個行業。如：工業、農業、服務業、環保、軍事、交通、家居等幾乎所有的領域。為了能給人們提供舒適、節能、安全、高效的智能化生活，做了一套關于智能家居綜合控制的設計方案。

2　系統簡介

本系統是一款集RFID射頻識別技術、綜合布線技術、網絡通信技術、組態技術的智能家居安防系統。系統共包含安全控制模塊、消防控制模塊和智能家居模塊。通過現場CAN總線網絡通信技術將各個模塊組態成一個家庭范圍的局域網，每個模塊將上位機的信息傳輸到家電或設備終端，并及時將反饋信息發送到上位機。上位機的控制軟件通過組態技術、Internet或無線網絡控制建立人和終端模塊的交互通信，實現智能家居安防系統的監視及控制等功能。通過各項技術的相互連接與配合使整個系統可以高效地完成任務。系統構成如圖1所示。

圖1　系統構成圖

本系統具有良好的擴展性，適用于各類住宅、辦公場所，根據不同的建筑結構、功能需求進行終端模塊的功能開發、拓展升級。新的終端模塊根據需求植入新功能后，即可通過上位機組態并入現場CAN總線網絡，實現信息共享，達到為用戶提供舒適性、安全性和高效性的家居環境，真正實現全自動化智能生活環境的目標。

3　基于物聯網的智能家居設計

3.1硬件設計

3.1.1安全控制模塊

安全控制模塊的設計是基于微處理器STM32 F107為控制核心完成的，它是意法半導體推出的全新STM32互聯型系列微處理器中一款較強的產品。其標準外設包括10個定時器、兩個12位1-M Samples/s AD、兩個12位DA、兩個I2C接口、5個USART接口、兩路CAN2.0接口以及以太網10/100MAC模塊［2-3］。此芯片可以滿足工業、醫療、樓宇自動化、智能家居等多個領域的需求。該模塊主要實現門禁控制、人體紅外檢測和智能窗簾控制等功能。系統硬件構成如圖2所示。

圖2　硬件構成圖

電源電路是將輸入的AC220V居民用電經過降壓、濾波、整流等過程為控制模塊的系統提供穩定可靠的低壓直流電源；JTAG接口主要滿足程序下載功能；串口通信采用DB9針標準接口，主要用于調試和內部網絡信息的設定；晶振電路為系統提供時鐘，決定系統的運行速率；復位模塊采用復位芯片，當系統初始化或者故障時啟用；CAN接口將本地模塊并入CAN網絡實現與上位機的通信。

紅外檢測通過紅外探測器感應到人體溫度，觸發探測器將開關量數字信號輸入模塊控制系統，從而檢測到該防范區域內有人進入，它可以和門禁安防系統聯動，達到擴大監視范圍的目的；門禁控制接受控制系統輸出的開關量數字信號，可以完成開關門、報警等動作，也可以通過控制系統與消防系統聯動、視頻監控等進行聯動；光照檢測窗簾控制是將感光傳感器的輸入信號或者系統控制的信號，根據運算要求輸出數字量信號控制驅動窗簾的電機，從而實現對窗簾的控制。

3.1.2消防控制模塊

消防控制模塊以及智能家居模塊硬件電路基本功能的設計與上述安全控制模塊相同，這里不再一一贅述，該模塊上述模塊的硬件設計的不同點有：（1）火焰CO2監測，火災發生時空氣中的二氧化碳濃度達到一定值就會觸發探測傳感器將數字信號輸入控制系統，控制系統輸出火災警報數字信號，同時輸出滅火裝置控制信號，將火災消滅在初期引燃階段；（2）燃氣水電控制是通過CAN總線接收到的上位機控制信號（手機或電腦），進行識別和運算后輸出的數字量信號，打開或者關閉家中的燃氣閥、水閥，還可以擴展控制家中的電氣設備的開啟或關閉，如點燈、空調、電視機等，并將開關狀態的數字量信號輸入到控制系統，上位機即可進行實時監控，提高家居安全性。

3.1.3智能家居模塊

智能家居模塊主要增加以下硬件設計：（1）空氣質量監測，主要用來檢測空氣中的小微粒，當檢測裝置檢測到空氣中的小微粒大于或等于設定值時，就會想主機發出數字量信號，控制系統收到該警告信號，控制系統通過CAN總線向控制主機和用戶傳達該信號，并根據要求啟動空氣凈化器，從而使空氣質量一直處于良好狀態；（2）寵物喂食，所謂自動寵物喂食就是按照設定好的時間和食物量定時定量地給寵物進行喂食。這種產品比較適合上班族、出差族等。其中電子稱的作用是：①給寵物進行定量；②實時顯示寵物箱中食物量的變化，當實物量小于或等于設定值時就會向控制主機發出信號食物不夠了，此時，食物供應商就會自動上食，時間采集由微處理器自帶的定時器完成，電子秤的模擬信號則通過微處理器的AD通道采集輸入；（3）溫濕度檢測，通過溫濕度檢測裝置（自帶串口通信功能），與控制系統的USART通信口建立實時通信。

3.2軟件設計

3.2.1終端模塊的軟件設計

終端模塊的軟件設計包括安全控制模塊、消防控制模塊和智能家居模塊的軟件設計，各個模塊設計流程基本相似，但輸入輸出和運算方法根據各自控制部件的不同稍有差異，其中安全控制模塊主程序流程如圖3所示。

圖3　軟件流程圖

系統上電后，進行系統初始化和CAN通信初始化，當有死機或者不能恢復的故障時，復位電路輸入系統可進行再次初始化。系統初始化完成后，優先處理通過CAN總線接收到的上位機指令，即通過電腦或者手機等輸入控制指令，然后根據終端模塊所檢測到的實際情況，按照既定程序打開或關閉相關部件以及發出報警，并將處理結果和各部件的狀態通過CAN總線發送到上位機。

3.2.2 PC機監控軟件的設計

PC機監控軟件主要包括通信程序的設計和智能家居控制系統設計。各終端模塊通過CAN總線與PC機建立通信，由于大部分PC機沒有直接配備CAN通信接口，本設計通過市售CAN卡將CAN總線信號轉換為PC機能檢測到的USB控制信號。

監控軟件通信程序的設計采用Visual C++6.0開發，它是一款基于Windows操作系統的可視化集成開發環境，功能強大、開發流程簡單。常用串口通信程序一般可以用兩種方法實現:（1）采用MSComm ActiveX串行通信控件進行設計；（2）使用Windows API通信函數［4］。本文采用基于MSComm串行通信控件的串口編程技術現實了PC機與CAN卡的通信，進而將PC機與終端模塊組成CAN總線網絡，建立數據通信。

智能家居控制系統的設計主要完成了智能家居環境顯示、家電設備工作狀態指示、故障顯示、手動控制操作（支持對各終端模塊的開、關和屏蔽控制）、自動模式選擇（包括外出、睡眠、聚會等生活家庭常有的狀態）以及Internet、Wifi通信功能等，同時開發了支持移動終端控制的GSM通信功能，實現了將物聯網與移動終端結合如手機、遠程電腦終端、平板電腦等的通信。用戶通過移動終端即可了解和操作家里的各種家電和設備，如通過安卓系統短信控制軟件可以通過發行短信對智能家居進行控制與監控。首先確保所要控制的“手機號碼”和系統GSM模塊中的SIM卡號碼相同，通過軟件發短信或通過發短信的方式控制智能家居系統，同時也可以隨時掌握家中的環境和電氣的工作狀態。本設計在控制方式中進一步引入基于RFID技術的主人自動識別方案，RFID即射頻識別技術，作為一種全新的非接觸自動識別技術，已經逐漸在商業、物流、生產制造等領域開始展開應用。用戶主機通過RFID技術自動讀取置于主人手機或者卡片的身份識別碼，結合主人設定的安全級別要求，自動控制門禁系統和用電器等，使用戶能真正體驗智能家居。

4　系統創新點

（1）工藝創新：智能家居通過傳感技術、網絡通訊技術、組態控制技術、綜合布線技術、建立主人與智能家居的生活平臺，使主人可以與家庭電器進行對話交流，可實時控制智能居家生活系統。本系統可以多模塊并行接入，兼容性能良好，設計簡單、操作方便，符合高效設計原則。

（2）應用創新：RFID非接觸自動識別技術在未來各個領域有著廣闊的應用前景。本文通過引入RFID通信技術，將智能家居控制系統與主人的身份相聯系起來，當主人識別信息在系統接收范圍之內時，系統可以自動開啟智能模式，提高舒適性，當主人外出時，系統又不會接收意外控制信號，有效保障家居安全。

5　結束語

當局域網出現的時候，和現在一樣，成為新興產業浪潮的趨勢，當時誰也沒有想到它可以發展成為現在的互聯網。而今，物聯網和當時局域網一樣地出現了，帶來了前所未有的發展前景，帶來了良好的發展機遇的同時，也帶來了無限的挑戰，時代總是在這樣的情況下發展起來。

本文設計的物聯網智能家居控制系統只是物聯網在現代生活中的一個應用，就像互聯網的發展步伐一樣，隨著時代的進步，高新技術的應用日益凸顯，互聯網已深入人們的日常生活，當然，相信未來的物聯網也逐漸滲透到各大領域，物聯網的影響將與日俱增，最終會像互聯網一樣，成為人們生活的一部分。

［1］王保云.物聯網技術研究綜述［J］.電子測量與儀器學報，2012，（12）：1-7.

［2］意法半導體（中國）投資有限公司，STM32F10xxx參考手冊［M］.北京：意法半導體（中國）投資有限公司，2010.

［3］劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［4］李現勇.VC++串口通信技術與工程實踐［M］.北京人民郵電出版社，2002.

［5］周洪，胡文山，張立明.智能家居控制系統［M］.北京：中國電力出版社，2013.

Design of SmartHome ControlSystem Based on the Internetof Things

ZHANG Jing-ying
（Tianjin Urban Construction and Management，Career Technical College，Tianjin 300134，China）

In this paper，the development background and application status of Internet of things was introduced，，the smart home security system integration of RFID radio frequency identification technology，premises distributed system，network communication technology and configuration technology was explained，that contains security controlmodule，fire controlmodule and intelligent home controlmodule，which communicate with the host through the CAN bus.Through the control system，users can control of household equipments and obtain various data of household using the Internet ormobile atany time.

the internet of things；smart home；security system；CAN bus

TN273.3

A

1672-545X（2016）06-0054-04

2016-03-21

張晶瑩（1983-），女，天津人，碩士研究生，研究方向：機電控制及其自動化。