一種智能家居物聯網數據交互系統的設計

何諧，井新宇

（江陰職業技術學院 江蘇 江陰214400）

一種智能家居物聯網數據交互系統的設計

何諧，井新宇

（江陰職業技術學院 江蘇 江陰214400）

針對傳統智能家居物聯網系統對網關過于依賴，造成系統不穩定的問題，設計并實現了一種新的數據交互方式。設計智能終端作為無線傳感網的信息匯聚節點來與網關通信，并對執行機構進行自動控制。在家用平板Android系統基礎上開發應用，以家用平板作為網關通過社區中心服務器向互聯網發送信息。實驗測得，該系統信息傳輸穩定，滿足智能家居工程設計要求。

WSN；Android；智能家居；網關；CC2530

隨著物聯網技術的發展，基于無線傳感網絡（WSN Wireless Sensor Net）的智能家居系統已逐漸走進人們的日常生活，通過對傳感器數據的采集和對執行機構的智能控制，物聯網技術已在該領域得到了良好的應用[1-2]。然而，隨著“互聯網+”和“大數據”概念的提出，物聯網與互聯網加強數據融合的要求越來越迫切，而這也成為了目前智能家居物聯網技術發展的重心。

傳統物聯網與互聯網的數據交互方式是利用家庭網關作為匯聚節點，網關不僅要接收物聯網中節點信息進行匯總，同時還要支持TCP/IP協議，作為服務器支持互聯網上其他用戶瀏覽信息。該傳統系統結構對于網關過分依賴，網關工作內容頗為復雜，造成網關的可配置性、可移動性差，抗干擾能力下降[3]。

針對上述問題，本文提出一種新的智能家居物聯網數據交互系統，提出利用家用平板作為網關，在WSN的后端、網關的前端增加一個智能終端作為匯聚節點來完成WSN和網關之間的數據交互，并對執行機構進行自動控制。

1　系統整體設計

在智能家居物聯網系統的前端無線傳感網絡WSN中，傳感器大部分應為開關型，如門磁、煙感、水浸、人體熱釋等，少數為數字量傳輸，如溫濕度傳感器、電量表等。執行機構為聲光報警器、風扇、燈光等，且均可由繼電器來控制，如圖1所示。傳感器節點與執行機構節點都以CC2530芯片為核心，組成支持ZigBee PRO協議的WSN網絡。采用ZigBee通信方式，使得各節點可隨意分散部署，非常適合智能家居應用場合[4]。

WSN網絡的中心是協調器，它負責整個前端網絡的調度，普遍采用的設計辦法是由它連接平板網關的串口，而家用平板網關不具備串行口。因此，增加智能終端設備，協調器連接智能終端串口，智能終端作為信息匯聚節點，對來自協調器的信息進行分析，處理各傳感節點的報警信號，并直接自動回送命令控制相應的執行機構。同時，將報警信息和處理結果通過藍牙轉發給平板網關顯示，若平板網關有命令要發送到前端WSN網絡，也必須通過智能終端進行轉發[5-6]。

圖1　智能家居物聯網系統架構

而平板網關則和攝像頭、社區中心服務器一起接入局域網。登錄平板網關的Android APP可查看攝像頭監控畫面、報警信息提示、查詢報警歷史記錄，并可通過平板網關對智能終端設定控制策略，平板網關還向社區中心服務器發送即時報警信息。社區中心服務器作為物業管理平臺，向Internet上的其他客戶端APP推送傳報警信息，提供信息瀏覽。

2　WSN節點設計

WSN網絡中各節點、協調器的核心處理器均為TI新一代SoC芯片CC2530，CC2530支持Z-StackTM網絡協議棧。由于CC2530具有超低功耗的特點，溫濕度、人體熱釋等傳感器節點僅采用電池便可長時間工作[7]。

傳感器節點結構如圖2所示，采用接插的方式設計模塊電路與底板，方便連接不同的傳感器。CC2530主控與通信模塊上設計有CC2530芯片的供電、晶以及通信電路外圍，并將CC2530的未使用GPIO口引出通過底板連至傳感器接口，這樣，各傳感器就可通過傳感器接口將關鍵信號腳與CC2530 的GPIO口連接。

圖2　傳感器節點結構

執行機構統一使用工業級的485接口繼電器模塊來控制，如下圖3所示為具有485接口的節點，CC2530主控與通信模塊按MODBUS-RTU協議由串口發出指令，利用RS232-RS485轉換模塊轉換為485信號來控制繼電器[8]。由于電量表也具有485接口，遵循MODBUS-RTU協議，因此也可利用該節點結構，發出指令獲取電量信息。節點結構如圖3所示：

圖3　具有485接口的節點

3　協調器與ZigBee組網設計

協調器電路由CC2530主控與通信模塊、電源電路、按鍵電路以及串行口接口組成，串行口接口的TXD、RXD信號直接與智能終端的串口相連。

上電后協調器按約定的信道建立網絡，采用樹形拓撲結構。處在同一信道中的節點在初始化之后自動搜索網絡，向協調器提交8字節MAC地址并發出入網請求[9]。協調器檢查該節點的信息是否在網絡緩存表中，若不在，則分配給節點一個網絡地址，完成加入網絡。

ZigBee組網規定各節點傳感器和執行機構數據和命令均按照“數據幀頭+節點MAC地址+數據值”的幀格式進行傳輸。在該格式中，“數據幀頭”可表明該串為數據還是命令，“節點MAC地址”表明了具體節點的位置和功能，開關型傳感器采集到的“數據值”為布爾量，485電量表和485繼電器節點的“數據值”應為MODBUS-RTU數據串。協調器所有傳輸的數據及命令按該幀格式由其串口輸出輸入。

4　智能終端設計

4.1智能終端硬件設計

智能終端選擇意法半導體公司的 STM32系列芯片STM32F103RB作為主控芯片，該芯片工作頻率高達72MHz，內置高速存儲器，在速度和容量上都是一款高性能單片控制器。該芯片是3.3 V低功耗供電，與CC2530電平兼容[10]。另外，STM32F103RB還具有三路串行口，其中，使用串口0連接ZigBee協調器，串口1與串口藍牙模塊相連，串口2作為配置串口，如圖4所示為智能終端硬件結構。

考慮到該物聯網智能家居系統工作時數據量不大，對實時速率要求不高，故設計時直接利用HC-05串口藍牙模塊與 STM32F103RB主控電路相連以簡化軟硬件的開發。STM32F103RB程序在開發時，無需了解底層藍牙通信協議，只需用串行口收發信息即實現了與藍牙無線信號的轉化。串口藍牙模塊工作前需要使用AT指令作必要的設置，如串口波特率、藍牙主從模式，藍牙名稱以及密碼等，因此又將STM32F103RB的串口2設計為配置口，方便安裝前通過該串口來對藍牙或 ZigBee協調器做必要配

置[11]。

圖4　智能終端硬件結構

4.2智能終端工作流程圖

智能終端上電之后將先對3個串口進行初始化，然后等待接收配置串口2的配置，配置值會由主控STM32F103RB傳送給藍牙模塊和ZigBee協調器，配置完成后設定智能終端進入工作模式。智能終端將循環接受WSN的傳感信息，一邊進行本地顯示與自動控制，一邊通過藍牙向網關發出通知，其工作流程圖如圖5所示。

為實現智能終端對執行機構的自動控制，智能終端內部儲存有自動控制策略。自動控制策略可由用戶事先在網關上設置好，通過藍牙發送給智能終端。因此，智能終端還將循環接收藍牙傳來的信息，并判斷是控制策略的設置，還是網關對執行機構的直接控制命令[12]。

圖5　智能終端工作流程圖

5　平板網關Android APP設計

網關APP在家用平板Android4.0系統的基礎上進行開發，開發工具是Eclipse，語言為JAVA。應用程序初始化后開啟多個線程，首先利用Android4.0自帶的藍牙API，對藍牙數據的傳送進行監聽，并利用線程間的通信，在Activity主線程內獲取藍牙信息內容進行處理并顯示。應用程序還開啟TCP通信線程，由Socket對象主動向局域網內社區中心服務器的IP地址發送傳感器報警信息[13]。APP包括4個主要Activity：登錄界面，監控界面、歷史報警界面、控制策略設置界面。登錄界面要求用戶輸入正確的用戶名、密碼以及監控攝像頭IP地址，監控界面顯示當前攝像頭監控畫面，以及節點信息彈出框。

6　系統性能測試

將該智能家居物聯網系統安裝到110 m2室內進行實地測試，按區域平均分散安裝傳感器節點和執行機構節點[14]。智能終端安裝在中央位置，對智能終端進行配置，ZigBee統一信道為Channel 16，PANID為0x1120。將智能終端與網關進行藍牙配對連接，并由平板網關對智能終端設定自動控制策略：當煙霧報警，打開風扇與聲光報警器；當人體紅外報警時，打開聲光報警器和燈光；當門磁、水浸傳感器報警，則打開聲光報警器。1小時內，每隔5S隨機選擇某傳感節點發送報警信息，網關報警信息丟失率以及對應執行機構自動控制響應率如表1所示，報警信息幾乎全部收到。

表1　節點報警信息丟失率與自動控制響應率

網關平板APP監控畫面和報警信息彈窗如圖6所示。

圖6　APP監控畫面和報警彈窗

7　結束語

文中設計的智能家居物聯網數據交互系統，增加一個智能終端減輕了網關的工作負擔，利用家用平板作為網關，節約了成本。經實驗測得，該系統實現簡單、運行可靠，可有效應對非法闖入，火災、水災報警，遠程監控，家庭溫濕度遠程采集和電量抄表，有助于智能家居物聯網技術的進一步發展和推廣[15]。

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Design of data exchange system of smart home based on IOT

HE Xie，JING Xin-yu
（Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214400，China）

Because of depending on gateway excessively，the traditional system of Smart Home based on Internet of Things （IOT）often works instability.In consideration of this case，a new kind of data exchange system is designed，using intelligent terminal as data gather module to communicate with gateway and control devices in wireless sensor net automatic.The paper also designs monitor APP on Android system of Household PAD which can be used as gateway connecting to community server PC to send message to internet.Experimental test shows that the system communicates stability and meets the design requirement of smart home.

WSN；Android；smart home；gateway；CC2530

TN925+.3

A

1674－6236（2016）22-0149-03

2016-03-17稿件編號：201603226

江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（201513137002Y）；江蘇省信息融合軟件工程技術研究開發中心開放基金項目（SR201302）；江陰職業技術學院科學研究項目（14EDZ37）；江蘇省高等職業學校提升專業服務產業發展能力項目（JYZY2012010413）

何 諧（1982—），女，江蘇江陰人，碩士，講師。研究方向：物聯網技術、智能控制。