基于IIC和云服務(wù)器的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉芮辰,李樹江,劉 帥

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

基于IIC和云服務(wù)器的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉芮辰,李樹江,劉 帥

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

智能家居普遍采用無(wú)線通信技術(shù)對(duì)家居進(jìn)行互聯(lián)，不同的通信方法對(duì)智能家居系統(tǒng)的穩(wěn)定性、便捷性、可靠性有很大的影響;針對(duì)智能家居的訪問(wèn)方式，通過(guò)對(duì)比不同的無(wú)線通信技術(shù)，選擇合適的技術(shù)運(yùn)用在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)兩種訪問(wèn)方式；在無(wú)線傳輸?shù)闹悄芗揖踊A(chǔ)上，使用IIC總線進(jìn)行功能擴(kuò)展，使用云服務(wù)器來(lái)替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)服務(wù)器，增加了系統(tǒng)的靈活性和手機(jī)訪問(wèn)的快捷性，更好地實(shí)現(xiàn)家庭住宅管理與監(jiān)測(cè)，為我們平時(shí)的生活提供便利和保護(hù)。

智能家居；組網(wǎng)方式；云服務(wù)器；IIC通信協(xié)議

0 引言

智能家居概念提出已久，但是普及存在種種困難。無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)的布線方式已經(jīng)遭到淘汰[1]，采用合適的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以充分發(fā)揮環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，智能家居系統(tǒng)不但要支持局域網(wǎng)控制方式，更要考慮到廣域網(wǎng)控制方式。所以需要搭建合適的服務(wù)器平臺(tái)，支持不同的訪問(wèn)方式。本文選擇Zigbee和WLAN兩種無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行分析和對(duì)比[2]。使用嵌入式技術(shù)和云主機(jī)兩種方法來(lái)搭建服務(wù)器，并分析兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)[3]。由于智能家居的靈活性，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，為此選擇了IIC數(shù)據(jù)傳輸方式作為設(shè)備的擴(kuò)展通信協(xié)議。

1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的介紹

Zigbee、WLAN都是目前比較主流的無(wú)線通信技術(shù)，各有比較適合的應(yīng)用場(chǎng)合[4]。通信技術(shù)具體工作數(shù)據(jù)如表1所示。

Zigbee通信技術(shù)適用于短距低功耗、低復(fù)雜自組織、低數(shù)據(jù)速率、低成本的設(shè)備中[5]。在智能家居設(shè)備中，設(shè)備之間主要以低速數(shù)據(jù)傳輸為主，但對(duì)于組網(wǎng)的穩(wěn)定性要求很高，需要設(shè)備靈活的加入網(wǎng)絡(luò)中。Zigbee技術(shù)的啟動(dòng)速度比較快，相比Wifi接近2秒的啟動(dòng)時(shí)間，使用Zigbee可以迅速的接入網(wǎng)絡(luò)。Zigbee的缺點(diǎn)在于無(wú)法進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)需要在主節(jié)點(diǎn)外擴(kuò)GPRS模塊用來(lái)與手機(jī)通信[6]。并且使用GPRS模塊，會(huì)按照流量收費(fèi)，后續(xù)的成本比較高。

表1 無(wú)線通信技術(shù)數(shù)據(jù)

WLAN無(wú)線通信技術(shù)相比Zigbee通信技術(shù)，工作距離更遠(yuǎn)；傳輸速度更快，可以滿足攝像頭對(duì)傳輸速度的要求[7]?，F(xiàn)在的家庭中普遍擁有802.11b通信協(xié)議的Wifi網(wǎng)，智能家居系統(tǒng)的客戶端通過(guò)Wifi模塊可以加入到室內(nèi)局域網(wǎng)中，手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備通過(guò)廣域網(wǎng)可以訪問(wèn)室內(nèi)客戶端。但是缺點(diǎn)在于當(dāng)室內(nèi)斷網(wǎng)時(shí)，設(shè)備無(wú)法訪問(wèn)外網(wǎng)，手機(jī)只能連接局域網(wǎng)，通過(guò)ARM服務(wù)器對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

由于兩種通信技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，可以將Zigbee和Wifi兩種通信方式結(jié)合使用。當(dāng)需要大量數(shù)據(jù)傳輸以及服務(wù)器通信時(shí)，使用Wifi通信方式工作；當(dāng)控制簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使用Zigbee通信協(xié)議[8]，這樣利用了兩者的優(yōu)勢(shì)。但值得注意的是，Zigbee和Wifi共用2.4 GHz頻段，在沒(méi)有任何保護(hù)措施的情況下，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)同頻干擾，影響設(shè)備之間的通信[9]。所以采用這兩種通信協(xié)議共同工作時(shí)，設(shè)計(jì)上盡量避免信號(hào)之間的干擾。

2 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的客戶端采用星型結(jié)構(gòu)，通過(guò)上一章對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的分析，客戶端上選用Wifi通信方式，所有的客戶端通過(guò)Wifi模塊連接到路由器，通過(guò)路由來(lái)訪問(wèn)云服務(wù)器，數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集到云服務(wù)器處理。手機(jī)可以通過(guò)訪問(wèn)云服務(wù)器來(lái)獲得室內(nèi)信息，同時(shí)可以發(fā)送指令來(lái)控制室內(nèi)設(shè)備。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不良時(shí)，使用ARM微控制器作為服務(wù)器，客戶端通過(guò)路由連接到ARM服務(wù)器；同時(shí)手機(jī)連接進(jìn)局域網(wǎng)，通過(guò)訪問(wèn)ARM服務(wù)器來(lái)控制室內(nèi)的設(shè)備，解決了斷網(wǎng)情況下設(shè)備無(wú)法工作的問(wèn)題。每個(gè)客戶端上帶有STM32主控芯片、設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路、Wifi通信模塊和IIC接口，通過(guò)IIC接口可以在客戶端下擴(kuò)展更多的功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 客戶端訪問(wèn)服務(wù)器的配置

本設(shè)計(jì)采用USR-WIFI232-S模塊，該模塊可以將用戶的設(shè)備連接到Wifi無(wú)線網(wǎng)中，使用串口傳輸數(shù)據(jù)。在使用該模塊之前對(duì)其進(jìn)行如下配置：配置訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)名稱，AT+WSSSID=****; 配置數(shù)據(jù)加密方式，網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)密碼,AT+WSKEY=WPA2PSK,AES,****；配置組網(wǎng)方式,AT+WMODE=STA，STA組網(wǎng)方式是系統(tǒng)中由一個(gè)路由器作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，各個(gè)功能模塊作為無(wú)線站點(diǎn)的組網(wǎng)方式；配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為TCP協(xié)議，工作在客戶端模式，協(xié)議端口，服務(wù)器IP地址等，AT+NETP =TCP,CLIENT, ****, ***.***.***.***；建立TCP協(xié)議連接，AT+TCPDIS=ON。由于設(shè)定的配置，傳感器采集到的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過(guò)Wifi模塊發(fā)送到服務(wù)器上時(shí)變成ASCII格式，數(shù)據(jù)需要服務(wù)器進(jìn)行識(shí)別；同時(shí)，服務(wù)器需要記錄下來(lái)每一個(gè)客戶端連接到局域網(wǎng)的順序，因?yàn)榕渲贸晒Φ目蛻舳藭?huì)自動(dòng)分配局域網(wǎng)IP地址，服務(wù)器會(huì)通過(guò)記錄局域網(wǎng)內(nèi)IP地址來(lái)識(shí)別客戶端。

2.3 云服務(wù)器的搭建

在智能家居系統(tǒng)中，需要搭建服務(wù)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)云服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)以上功能，并完成廣域網(wǎng)的訪問(wèn)。使用云服務(wù)器可以收集城市環(huán)境的信息，如城市的天氣情況、時(shí)節(jié)、日出等；這些信息使得家庭中的空調(diào)，窗簾和燈光等等設(shè)備的控制更智能化。服務(wù)器的程序使用java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為eclipse。

服務(wù)程序(Servlet)是一個(gè)與協(xié)議無(wú)關(guān)的、跨平臺(tái)的服務(wù)方,集成在服務(wù)器中,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)加載。Servlet是在服務(wù)器端執(zhí)行的,接收了來(lái)自客戶端的請(qǐng)求,將處理結(jié)果返回客戶端。Servlet用Java語(yǔ)言編寫,具有良好的可移植性和安全性。

Java Server Pages(JSP)是在普通HTML文件中內(nèi)嵌程序語(yǔ)句,避免了開發(fā)Servlet時(shí)繁瑣的HTML輸出,可以更好地格式化輸出效果。JSP使用Java語(yǔ)言,在第一次調(diào)用時(shí)先編譯,然后用Java虛擬機(jī)執(zhí)行。Tomcat引擎和Apache服務(wù)器的配合使用,在Apache服務(wù)器上來(lái)實(shí)現(xiàn)Servlet的解決方案。

3 功能模塊與電路設(shè)計(jì)

3.1 IIC通信的應(yīng)用設(shè)計(jì)

通過(guò)比較IIC和SPI通信協(xié)議，本設(shè)計(jì)選擇了IIC作為拓展總線。SPI總線的優(yōu)點(diǎn)在于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直觀，容易實(shí)現(xiàn)，并且有很好擴(kuò)展性。并且相比IIC，SPI總線的速度更快；SPI適合數(shù)據(jù)流傳輸應(yīng)用，而IIC更適合字節(jié)傳輸設(shè)備的多主設(shè)備應(yīng)用[10]。由于擴(kuò)展的溫濕度檢測(cè)和煙霧檢測(cè)設(shè)備不需要大量數(shù)據(jù)的傳輸，使用IIC就可以滿足設(shè)計(jì)的需求。

IIC總線是兩線制：一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息；另一根是時(shí)鐘線SCL，用來(lái)同步數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)。USB接口有4個(gè)接線，使用IIC總線，除了SDA和SCL兩根信號(hào)線，另外兩根可以作為電源線和地線，這樣擴(kuò)展的設(shè)備通過(guò)USB就可以直接供電工作。結(jié)構(gòu)如圖2所示。在每個(gè)無(wú)線通信的客戶端上都留有擴(kuò)展口，對(duì)于溫濕度檢測(cè)和煙霧檢測(cè)模塊通過(guò)USB進(jìn)行擴(kuò)展。加入IIC通信有效的減少了無(wú)線信號(hào)的使用頻率，降低了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁擠。

圖2 IIC拓展結(jié)構(gòu)圖

3.2 窗簾控制驅(qū)動(dòng)電路

窗簾控制模塊使用STM32F103ZET6作為主控芯片；使用L298P芯片作為驅(qū)動(dòng)電路控制芯片，其最大工作電流為4A，頻率在25～40 kHz。主控芯片通過(guò)給EnableA管腳置高電平，使Input1與Input2管腳輸出驅(qū)動(dòng)電流。使用1N4007整流二極管，最高反向逆壓為1 000 V，可以使輸出端獲得穩(wěn)定的電壓，具體電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.3 漏水檢測(cè)電路

漏水檢測(cè)功能主要使用NE555芯片實(shí)現(xiàn)，如路圖4所示，當(dāng)發(fā)生漏水情況時(shí)，1,2兩個(gè)引腳伸出的探頭兩端被導(dǎo)通，使得NE555芯片的3引腳輸出低電平，低電平范圍在0～0.8 V，通過(guò)檢測(cè)3引腳的狀態(tài)可以判斷是否出現(xiàn)漏水情況。

圖4 漏水檢測(cè)電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 IIC拓展功能演示

根據(jù)以上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制作的實(shí)物如圖5所示。

圖5 客戶端和擴(kuò)展模塊

將溫濕度模塊通過(guò)USB接口連接到窗簾模塊上，溫濕度模塊通過(guò)USB接口供電工作。把溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)IIC協(xié)議傳輸給客戶端，主控芯片再將數(shù)據(jù)通過(guò)Wifi模塊將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器。測(cè)得溫度20度，濕度為36%，實(shí)現(xiàn)了溫濕度測(cè)量功能。

4.2 云服務(wù)器時(shí)延分析

通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，服務(wù)器對(duì)客戶端響應(yīng)速度影響非常大，具體延遲時(shí)間如表2所示。局域網(wǎng)狀態(tài)下ARM服務(wù)器響應(yīng)速度非常迅速；經(jīng)測(cè)量，信息收發(fā)延遲時(shí)間在0.1秒左右，迅速的完成對(duì)設(shè)備的控制。使用云服務(wù)器工作時(shí)，消息收發(fā)平均延遲時(shí)間為0.32秒，反應(yīng)速度低于局域網(wǎng)工作方式，但可以滿足智能家居平時(shí)使用要求。經(jīng)分析，造成延時(shí)的原因在于客戶端與云服務(wù)器之間連接不穩(wěn)定，客戶端與云服務(wù)器之間受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響比較大。

表2 測(cè)試系統(tǒng)延遲時(shí)間

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析Zigbee，WLAN等優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了WLAN無(wú)線通信技術(shù)。加入IIC總線數(shù)據(jù)擴(kuò)展，增強(qiáng)了設(shè)備組合的靈活性。使用嵌入式服務(wù)器和云服務(wù)器兩種方式，完成局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)訪問(wèn)控制。使新設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)更易于推廣和使用。

[1] 童曉渝，房秉毅，張?jiān)朴?物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J].移動(dòng)通信，2010(9):16-20.

[2] 邵鵬飛，王 喆，張寶儒.面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012(2):474-479.

[3] 申 斌，張桂青，汪 明，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2013(2):6-10.

[4] 趙虹鈞.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[5] 趙 勇.基于ARM和ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2012(11):52-59.

[6] 滿 莎，楊恢先，彭 友，等.基于ARM9的嵌入式無(wú)線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010(9):2541-2544.

[7] 孫 潤(rùn).基于WiFi智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2015.

[8] 鄧中祚.智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[9] 關(guān) 健.無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)ZigBee與WiFi的干擾分析[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.

[10] 郭穩(wěn)濤，何怡剛.智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011(9):2109-2112.

Design of Smart Home Control System Based on IIC and Cloud Server

Liu Ruichen,Li Shujiang,Liu Shuai

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

Smart home reached new developments.Smart home system uses networking technology to connect，therefore, different communication methods for system stability, convenience, reliability play a big influence.For different access methods，by comparing different wireless communication technology，select the most appropriate method to be used in the smart home system,to achieve LAN and WAN network access；compared wireless transmission of intelligent home, using IIS bus for feature extensions,using cloud server to replace the traditional computer server；increase the flexibility of the system and mobile phone access speed，achieve better management and monitoring family house，facilitate and protect our lives.

smart home; networking mode; cloud server; IIC communicating protocol

2016-09-13；

2016-11-17。

劉芮辰(1990-)，男，碩士研究生，主要從事空調(diào)、嵌入式開發(fā)方向的研究。

李樹江(1966-)，男，教授，主要從事智能控制技術(shù)、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程建模與設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)03-0098-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.027

TP23

A