智能家居環境監測系統的設計

李慶 黃傳翔

摘要：隨著現代科技的發展，家用電器基于智能控制系統，通過微處理器、傳感器、網絡通信等技術，可以在手機上實現遠程控制。文章將ZigBee技術、通信技術和嵌入式開發技術相結合，設計出一款實時精準監測環境信息的智能化系統，用戶通過Intemet可以執行家庭住宅內部環境信息的查詢和家電設備的遠程控制。該系統以STM32F103RCT6單片機為硬件控制平臺，可以實現電動窗簾、照明系統等的智能控制．

關鍵詞：智能家居：ZigBee；環境監測

中圖分類號：TN02 文獻標志碼：A

0 引言

物聯網、云計算和人工智能是智能家居領域的三大關鍵技術，借助5G、物聯網等數字技術，大批智能產品進入尋常百姓家。商務部發布的網絡零售市場數據顯示．2021年，家居智能設備銷售額同比增長90. 5%，可見人們對智能家居的需求不斷提升。如今，很多家居產品都主打智能化，加上人們生活理念的改變，溫馨、舒適、安全的智能家居系統應運而生。

1 智能家居系統的組網技術

本研究設計了一款基礎的智能家居環境控制系統，實現對家居環境的實時監控，實時為用戶提供穩定可靠的家庭信息。通過該系統，人們可以準確地獲得家庭環境的信息，為人們的居家生活增添了便利和樂趣。家庭環境參數的改變可以促使其他智能設備做出決策，從而實現家庭環境的智能調整。智能家居系統常用組網方式如下。

1.1 集中布線技術

集中布線技術的優點是使用專業的信號線，組網系統穩定，適合范圍較廣的智能控制環境，缺點是布線成本高、系統升級難度大、施工時間長。

1.2 電力載波技術

電力載波技術直接采用電力線作為傳輸介質，施工安裝方便。其缺點是信號不穩定、抗干擾性差，而我國的電力信號中相對諧波較多，這對控制信號的影響更大。因此，電力載波技術不合適智能家居系統。

1.3 無線射頻技術

無線射頻技術不需要煩瑣的布線，易于安裝，智能家電的控制是通過點對點或點對多點來實現的，該技術屬于無線通信。其主要問題是控制的方式單一，不可能進行大面積的統一控制，容易受到家庭環境中無線設備的干擾，因此也不符合現代人們對智能家居的需求。

1.4 ZigBee無線組網技術

ZigBee無線組網技術具有總體價格低、能耗低、安裝布線簡單、非常容易擴展的優點，非常適合應用于當代的智能家居控制系統。

2 ZigBee組網技術

2.1 ZigBee組網技術特點

ZigBee是一種無線網絡技術，該技術的特點是復雜度低、功耗低、數據傳輸速率低、成本低和距離短[1]。目前，ZigBee的目標市場主要是傳感器網絡、家庭監控、家庭樓宇自動化、醫療應用、工業監控和安全系統等領域。短距離無線通信技術的對比如表1所示。

2.2 ZigBee組網過程

任何一個ZigBee模塊要想加入某個網絡，一定要一個處于該網絡里的節點作為媒介，并且這個媒介不能是終端節點[2]。在加入網絡之后，媒介節點和被介紹加入的節點是父子關系，媒介節點是父節點，加入的節點是子節點。當加入節點有多個媒介可以選擇時，其根據信號強度對比，選擇最佳的媒介節點加入網絡。在ZigBee網絡里，每個模塊在網絡中都有一個唯一的2字節地址，PANID是一個2字節的編碼，用于區分不同的ZigBee無線網，即個域網ID。ZigBee網絡的工作流程如圖1所示。

3 系統整體方案

本文設計出一款環境監測系統，打造舒適豐富的生活環境。該系統由移動終端、WiFi模塊、主控制器和ZigBee模塊4個部分組成，建立有效的防御系統，對家庭環境進行數據的采集、處理和監測。倡導方便靈活的生活方式，移動終端是用戶手機或電腦．WiFi模塊實現室內網關和外界的通信。主控制器是核心，營造高效可靠的工作模式，ZigBee模塊主要是收集環境數據并將其打包以傳輸到主控制器。系統整體結構如圖2所示。

4 智能家居環境監測控制系統硬件設計

4.1 主控制器及主要外圍電路設計

STM32控制器主要負責對用戶手機發出的控制命令做出準確的判斷，然后發送相應指令給ZigBee終端節點，同時還要將終端節點采集的信息發到用戶智能手機上。本文選用的STM32F103RCT6是一種嵌入式微控制器的集成電路。

4.1.1 USB轉串口電路

目前常用的USB轉串口的芯片有FT232，CP2102．CH340和PL2303等，從芯片的穩定性和價格綜合比較，CH340最符合本系統的開發需要[3]。本文的USB轉串口電路采用CH340 G芯片。具體電路設計如圖3所示。

4.1.2

JTAC/SWD模式調試接口電路

JTAC是國際標準的一種測試協議，四線的JTAG接口是測試芯片內部的標準。JTAC采用排線的方式連接，為了提高抗干擾性，在每條信號線之間加上地線，就是20針的接口。

4.2

ZigBee硬件選型及傳感器模塊

本系統選擇的是TI公司生產的CC2530芯片，該芯片的總材料成本很低且可以建立豐富的網絡節點[4]。傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、燃氣傳感器和人體紅外感應模塊。本文選用具有溫度和濕度的數字復合傳感器DHT11；溫度傳感器使用DS18820，煙霧傳感器使用氣敏式MQ-2。本文使用的MQ-7傳感器對一氧化碳非常敏感，通常專門用來檢測家庭中煤氣或燃氣泄露。本文采用的是HC-SR501人體感應模塊，實際應用時，必須使用菲涅爾透鏡聚集紅外線，形成交替變化的紅外輻射盲區和高靈敏區，以提高靈敏度，擴大檢測范圍。

4.3 家電控制模塊

照明系統是日常家居生活的必備產品，本系統能實現遠程控制照明系統的開關。現選用CC2530模塊中LED燈模擬家庭客廳、臥室和廚房的燈泡，使用電機的正反轉來代替窗簾打開和關閉狀態，采用SGS公司的L298 N芯片，能驅動直流電機和步進電機，電路中的續流二極管可以保護芯片，防止燒壞。電路如圖4所示。

4.4繼電器控制模塊

智能插座、智能窗簾、加濕器、空調等設備的繼電器模塊是用來實現通斷操作的。繼電器實際上相當于一個開關，在實際電路設計中，需要三極管進行驅動。繼電器吸合接通控制電路，繼電器關斷則切斷控制電路。該電路采用NPN型晶體管，主要是起到放大作用。電路中二極管可以及時斷開繼電器，保護晶體管，防止發生擊穿現象。LED的作用是指示繼電器是否處于工作狀態。

5 系統軟件設計

傳感器模塊在硬件設計已完成的基礎上，需要進行相應的軟件設計。傳感器節點負責數據信息的采集和發送，當它啟動后，需要進行網絡初始化，用戶可以通過函數Sample App_Process Evenc（）定義功能，并設置定時器處理事件，如果有事件發生，各傳感器節點采集數據并判斷是否啟動模擬數字信號轉換，然后發送給協調器[5]。本文中傳感器節點主要采集溫濕度、一氧化碳、光照和煙霧濃度等環境信息。

系統采用光敏電阻和普通電阻設計光照采集電路，隨著光照強度的變化，阻值也發生變化，從而使得系統測定的模擬電壓也在變化，通過A/D轉換可以把光線強度轉換成相應的電壓信號，而電壓信號再轉化成光照值進行輸出。根據輸出值，系統主控制器通過控制窗簾的狀態來改善家庭環境。采用溫度傳感器DS18820和煙霧傳感器MQ-2綜合監測火災的發生，終端節點將采集到的數值以打包的方式發給協調器。溫度傳感器DS18820和煙霧傳感器MQ-2采集并發送數據包的程序與溫濕度傳感器類似。溫濕度傳感器流程如圖5所示。

當溫濕度傳感器檢測到的溫度或濕度超出預設的正常范圍時，則會通過主控制器控制繼電器電路操作空調，家庭中的空調控制節點工作流程如圖6所示。

6 系統性能測試

本文的網絡設備包括協調器、路由器和對應的傳感器終端節點。本系統主要測試的是ZigBee無線網絡數據的收發和各傳感器模塊性能的測試。

6.1 溫度傳感器準確性實驗

在傳感器終端下方25 cm左右處燃燒明火，使探測器周圍的溫度超過40℃．1 min內報警界面顯示并發出報警信息。

6.2燃氣傳感器準確性實驗

采用丁烷氣體模擬煤氣泄露，測試M0-2傳感器的響應速率，同時觀察報警系統的響應，經過30次的實驗，燃氣傳感器響應迅速。

6.3 報警模塊功能測試

家居環境中數據信息一旦出現危險時，報警功能模塊會發出聲光報警，并通過短信模塊發送報警信息給用戶。

6.4 窗簾電機驅動電路測試

測試的重點是觀察電機的運轉是否穩定，窗簾停止時，限位開關動作到位。通過串口助手進行調試電機在規定時間內進行開啟和關閉觸發的準確性，同時測試指令發送正常。

7 結語

本文對ZigBee組網進行分析，研究并設計控制電路原理圖，在CC2530模塊上開發相應的程序，實現系統功能，對系統的通信延遲、通信距離以及各傳感器模塊的響應精度進行實驗測試。本系統實現了預期的效果，組網能力強，傳感器模塊響應及時準確，能夠實現預定的遠程控制。隨著AI技術、5G技術和物聯網技術的不斷發展，人們對智能家居控制系統的關注點也發生了變化，例如．5G帶寬高時低延，使得人與設備、設備與設備之間的交互更加快速便捷，在此技術下，可以將不同的家居設備傳感器和算法軟件整合，形成智能的互聯互通。但是信息安全風險控制就成了智能家居系統的關鍵點。相信，這些新技術的發展，必然會助力防范安全風險，加速智能技術落地。

參考文獻

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[2]程翔，許正榮，張昆明．基于物聯網的智能家居控制系統設計[J]．傳感器與微系統，2021（ 3）：106 -108，111．

[3]張子卿，張華．基于物聯網技術的智能家居語言輸入形式自主控制系統設計與實現[J]．現代電子技術，2021（24）：6-10．

[4]趙智慧．智能家居的特點及所需傳感器的挑戰[J]．電子產品世界，2021（2）：4-5．

[5]吳藝娟，秦彩云，萬米洋．基于ZigBee技術的智能家居環境監測系統設計[J]．北京石油化工學院學報，2022（1）：46-50．

（編輯王雪芬）