基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

區(qū)玉俊（中山大學(xué) 新華學(xué)院 廣東 東莞　523133）

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

區(qū)玉俊
（中山大學(xué) 新華學(xué)院 廣東 東莞523133）

為了提高家居環(huán)境的智能化，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，選用STM32作為為系統(tǒng)控制核心，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)、無線傳感技術(shù)與嵌入式技術(shù)，以分塊設(shè)計實現(xiàn)監(jiān)測和監(jiān)控功能，定時地對目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行檢測，并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺yeelink將采集到的信息發(fā)給用戶，用戶可以實時接收到并得知家居環(huán)境參數(shù)，并且可以通過遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備狀態(tài)。通過對該系統(tǒng)多次現(xiàn)場模擬實驗，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行、實時傳輸數(shù)據(jù)到終端，相對于傳統(tǒng)智能傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理能都有提高。

家居監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；實時

如今無線通信、傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展以及人們安全意識的不斷提高，智能家居的設(shè)計被提出并深入研究［1］。智能家居集電子信息技術(shù)和計算機(jī)控制與一體，通過在家居中設(shè)計安裝各類傳感器，如視頻監(jiān)控、溫濕度采集等，再通過物聯(lián)網(wǎng)平臺將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接脩艚K端，并可以遠(yuǎn)程操控家居中的設(shè)備運行狀態(tài)。但傳統(tǒng)的智能監(jiān)控設(shè)備，由于采用布線方式，系統(tǒng)比較繁瑣，一定程度限制了其發(fā)展［2］。為此，本文選用以ARM內(nèi)核的STM32控制器，以物聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計出一種基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)功能架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)家居環(huán)境信息檢測及設(shè)備控制系統(tǒng)由：環(huán)境信息采集傳感器模塊、無線傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)平臺與系統(tǒng)的核心控制模塊4個部分構(gòu)成，總體架構(gòu)利用模塊式的構(gòu)建模式，系統(tǒng)的構(gòu)建與總體連接功能如圖1所示。圖中的傳感器單元包括溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體檢測等模塊，采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將采集到的信息傳輸?shù)浇K端上位機(jī)顯示，采用最新的socket程序庫，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示功能，實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化［3］。

圖1　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1微控制器

本系統(tǒng)的設(shè)計中使用 STM32F103作為核心處理器，STM32F103是一款內(nèi)核為32位處理器的單片機(jī)［4］，其最高工作頻率為72 MHz，數(shù)據(jù)處理速度高速，片上集成豐富的資源，具備多個外部中斷源，能夠同時處理多路中斷，提高處理器的資源利用率，3路 URAT，I2C、PWM、SPI等多路通信接口，片外存儲器的接口拓展有 Nor Flash、SDRAM，通過總線方式與微處理器相連，拓展儲存數(shù)據(jù)空間，并且具有高數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄AM通道。STM32芯片通過SPI接口和RS-232接口與無線通信模塊以及其他傳感器單元模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換［5］。與其他單片機(jī)相比擁有性能高、成本低、功耗低等特點。主控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　STM32內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線網(wǎng)絡(luò)橋梁來實現(xiàn)的，對家居中采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩艚K端，提高了通訊的效率和協(xié)調(diào)化。在電路搭建中其主要研究的是STM32單片機(jī)與W5500之間的數(shù)據(jù)交換、擴(kuò)展NRF2410無線傳感模塊和傳感器之間的數(shù)據(jù)接收、處理與發(fā)送［6］。主控制器與W5500模塊建立網(wǎng)絡(luò)連接，W5500通過SPI串行外部接口與主控器芯片相連進(jìn)行通訊，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺yeelink，最終能與用戶的終端進(jìn)行信息交互。選用2.4GHz無線收發(fā)NRF2410模塊與各類傳感器連接，實時采集傳感器數(shù)據(jù)變化，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破鳌D3為網(wǎng)絡(luò)通信模塊W5500與主控制器的通信連接方式。

圖3　W5500與主控制器連接方式

3　軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心部分是主控制器與網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計部分，無線通信模塊作為數(shù)據(jù)通信的中間橋梁，連接物聯(lián)網(wǎng)平臺yeelink平臺［7］。W5500具有80MHz的告訴SPI接口，支持8個Socket連接，支持TCP、ICMP與PPPoE協(xié)議、支持高速串行外設(shè)接口。W5500的接口速度完全能滿足STM32的最大SPI速度，如下是以太網(wǎng)W5500通過SPI接口連接STM32主控制器初始化部分代碼，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)實時傳傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺［8］。

初始化W5500端口：

W5500_Write_Register（Sn_CR（s），Sn_CR_CLOSE）；

while（W5500_Read_Register（Sn_CR（s）））；//等待關(guān)閉命令完成

W5500_Write_Register（Sn_IR（s），0xFF）；//清除中斷

W5500寫入命令：

u8 Listen（SOCKET s）

｛u8 status=0；/*只有 Sn_SR寄存器變?yōu)?SOCK_INIT之后，才可以進(jìn)行LISTEN和CONNECT命令*/

if（W5500_Read_Register（Sn_SR（s））==SOCK_INIT）

｛W5500_Write_Register（Sn_CR（s），Sn_CR_LISTEN）；// 往Sn_CR中寫入LISTEN命令

while（W5500_Read_Register（Sn_CR（s）））；//等待指令完成

4　系統(tǒng)測試

家居智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中主要具有以下功能：用戶登陸模塊、家居環(huán)境監(jiān)控模塊、家居設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控模塊、各電器操控模塊、報警處理模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊與用戶管理系統(tǒng)模塊。用戶登錄模塊用于用戶驗證身份，確認(rèn)用戶的個人登錄。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控模塊用于室內(nèi)的溫度、濕度、亮度與氣體的監(jiān)測，用戶根據(jù)該軟件模塊可以具體地觀察到家中的室內(nèi)環(huán)境。家電工作狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用于觀察各個家電當(dāng)前的工作狀態(tài)，用戶能在軟件中觀察到家中電器是否已經(jīng)關(guān)閉或者開啟。電器操控模塊用于讓用戶能夠便捷地開關(guān)與調(diào)節(jié)電器，為整個控制系統(tǒng)的核心部分［9-10］。報警處理模塊用于當(dāng)家中出現(xiàn)不能處理的特殊情況及時給用戶發(fā)送緊急狀態(tài)信息，給予用戶一個準(zhǔn)確的當(dāng)前緊急狀態(tài)提醒。系統(tǒng)維護(hù)模塊是為該軟件設(shè)置的模塊，該模塊能使得軟件更加地具有健康性，能讓用戶得到更好的體驗。用戶管理系統(tǒng)模塊用于用戶添加新的權(quán)限賬號與新的家居監(jiān)控與控制子系統(tǒng)，使得軟件具有更大的可適應(yīng)性。終端設(shè)備界面窗口設(shè)計如圖4所示，系統(tǒng)測試如圖5。

5　結(jié)束語

文中設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，通過引入多種傳感器單元和無線通信模塊，能夠完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理。系統(tǒng)通過多次模擬測試，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，能夠檢測和監(jiān)控家居中的設(shè)備，可以大大提高家居的安全性。系統(tǒng)以STM32作為系統(tǒng)核心控制器、具有低功耗、數(shù)據(jù)處理速度高效等特點，隨著嵌入式和傳感器的不斷發(fā)展，智能家居會得到更好的發(fā)展與應(yīng)用。

圖4　終端界面窗口

圖5　系統(tǒng)測試

［1］邵鵬飛，王喆，張寶儒.面向移動互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究［J］.計算機(jī)測量與控制，2012.20（2）:474-479.

［2］高小平.中國智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究［J］.低壓電器，2013，11（4）:125-126.

［3］王超，駱德漢，鄭魏.基于STM32的嵌入式智能家居無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計［J］.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23（3）:241-244.

［4］陳致遠(yuǎn)，朱葉成，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)［J］.計算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2012，38（9）:138-140.

［5］毛明毅，蔣元恒，陳志成.智能家居遠(yuǎn)程Web管理控制平臺的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微電子學(xué)與計算機(jī)，2013，30（5）:121-124.

［6］付蔚，唐鵬光，李倩.智能家居語音控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.自動化儀表，2013（35）:46-50.

［7］蔣峰.家居智能安全遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2012，20（9）:2435-2442.

［8］Dario Bonino，Giuseppe Procaccianti.Exploiting semantic technologies in smart environments and grids:Emerging roles and case studies［J］.Science of Computer Programming，2014 （95）:112-134.

［9］李泊鋒，王亞剛.基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子科技，2016（3）:86-89.

［10］侯洪鳳，王立娟，何丹丹，等.智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2016（3）:14-15.

Smart home monitoring system based networking platform

QU Yu-jun
（Sun Yat-sen university，Xinhua College，Dongguan 523133，China）

In order to improve the intelligence of the home environment，to design a smart home monitoring system networking platform based on STM32 chosen as the control center for the system，with a wireless network，wireless sensor technology and embedded technology to block designed and implemented monitoring and control function，regularly the target environment for testing，and through networking platform yeelink the collected information to the user，the user can receive real-time and that the home environment parameters，and remotely control the home device status.Several on-site simulation experiments，the stable operation of the system through the system，real-time transmission of data to the terminal，compared to traditional intelligent transmission system stability and data processing can have improved.

home monitoring；networking；sensors；real-time

TN99

A

1674－6236（2016）11-0157-03

2015-06-30稿件編號：201506250

區(qū)玉俊（1992—），男，廣東佛山人。研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)安全。