物聯網智能家居系統的設計

周麗榮

吉林化工學院，吉林吉林 132102

0 引言

智能家居又稱智能住宅，在國外常用Smart Home 表示[1]。近幾年，物聯網智能家居系統在國內的發展已經全面展開。物聯網技術通常要用到計算機、無線網絡通信（如ZigBee 技術）、綜合布線、智能控制等技術，可以促進智能家居的發展，使智能家居更加安全、舒適且方便管理[2]。

1 總體設計思想

本文設計的智能家居系統是一種物聯網控制系統，在這里先對物聯網絡控制系統的結構進行分析，這個物聯網控制系統主要是由局域網和互聯網兩個部分組成，其結構如圖1 所示。物聯網技術的出現加快了智能家居發展的腳步，智能家居的發展也使物聯網技術的應用得以推廣。

圖1 物聯網控制系統結構圖

而本文所設計的智能家居系統是在物聯網控制系統基礎上建立起來的，所以本文所介紹的物聯網智能家居控制系統主要也是由互聯網和局域網兩大部分組成[3]。互聯網這一塊通常有計算機、遠程客戶端服務器、手機和遠程監控頁面等；局域網這一塊有末端數據采集裝置，末端控制設備和家庭智能網關。

本文在對智能家居系統進行設計時，所選擇的硬件從兩個方面去考慮，一個是成本，一個是性能。這里從嵌入式入手，因為嵌入式技術現在的發展現狀很好，有很好的性能，更強大的作用，可靠性穩定性也更好。網絡連接方式分成有線和無線兩種。

網絡通信上采用ZigBee 網絡，其具有雙向通訊的能力，非常適合用在安防報警等模塊，布線簡單，便于安裝也能夠節約成本，且ZigBee 可以與其他的模塊或設備很好的兼容。智能家居系統的設計結構圖，如圖2 所示。

圖2 智能家居系統設計結構圖

本設計中所涉及的監測目標有：溫度檢測，濕度檢測，室內氣體成分的檢測，紅外探測（有非法入侵時可以及時發出警報），視頻監測（便于主人在外工作時掌握家里的情況）。

軟件選擇上要以降低軟件的開發周期為目標，多使用庫函數，編寫程序時多采用模塊化，本文不多做介紹。

3 硬件構成概述

硬件主要有兩大模塊：中央處理器模塊和通訊模塊，對這兩個模塊在硬件選擇上作了如下的分析。

本文選用的微處理器MCU，是ARM cortex-M3 處理器，是一個32 位的核，它最大的優勢是成本低、耗能少。最終選用的是STM32F103VET6，是增強型，是32 位基于ARM 核心的帶閃存、USB、CAN 的微控制器，有7 個16 位定時器、兩個ADC、9 個通信接口。2.0 ～3.6V 供電電源，功耗低，有睡眠、停機和待機三種模式。電壓調壓器有主模式（MR）、低功耗模式（LPR）和關斷模式三種操作模式，在正常運行時是處于MR 模式；停機時處于LPR 模式；待機時處于關斷模式，這時的調壓器以高阻狀態輸出，無能耗。其實物圖與管腳圖如圖3（a）、（b）所示。

圖3 STM32F103VET6 的實物圖與管腳圖

通訊模塊主要有：Zigbee 模塊是局域網之間進行互聯的模塊；GPRS 模塊是互聯網和局域網之間進行互聯的模塊[4]。Zigbee 模塊使用可編程Zigbee 模塊XBee-PRO ZB，最大發射功率是50mW，決定著發射距離長短。XBee-PRO 模塊內部有發射（RF TX）緩沖器和接收（RF RX）緩沖器，每一個緩沖器提供100bytes 暫時停靠的地方，數據可以從兩個方面同時抵達，即發射數據來自UART 及接收數據來自RF 鏈路經天線而來。

根據需求選擇GPRS 模塊，一是系統中有大量的無線傳感網絡節點，二是能耗，最終選擇了SIMCOM 公司的SIM900A 芯片，是GSM/GPRS 模塊，用SMT 進行封裝，性能強大，可內置客戶應用程式。具有以下特點：只有24*24*3mm 的尺寸，非常小；便于客戶生產加工；功耗低，待機模式電流低于18mA、sleep模式低于2mA；支持GSM（900 MHz）/CPRS（1800MHz）的頻段；語音編碼，支持半速率、全速率、增強型速率；單電壓供電方式，范圍為3.4V-4.5V；省電，因為在SLEEP 模式下電流1.0mA；支持SIM 卡，1.8V、3V；支持實時時鐘；可以通過AT 命令設置定時功能；可以通過調試口對軟件進行升級。其頂視和底視圖如圖4 所示。

圖4 SIM900A 頂視和底視圖

本設計主要使用無線的網絡連接方式，實現時會用到大量的傳感器，如對室內溫濕度進行監測的傳感器、對室內氣體進行監測的氣敏傳感器等，各傳感器就是一個簡單的功能模塊，而室內還有一些智能家電或智能裝置，傳感器或家用電器盡量都通過無線組網的方式和末端采控節點連接[5]。末端采控節點有：末端采集節點，對數據或信息做收集、處理和傳輸等工作，并且有些節點具有路由的功能，對其他的節點傳輸過來的數據進行存儲和管理；另一種是末端控制節點，接收上層網絡傳輸來的控制指令，要求控制節點可以做決定，且自身集成的繼電器能夠驅動執行部件對該指令做出反應。整個系統還需要將收集到末端采控節點發送過來的數據利用一個傳輸網絡送到移動基站上，由網關來完成[6]。那么根據各節點所實現的功能不同也可以把系統分為末端采控節點、家庭網關節點、遠程監控頁面三大模塊。

本文對智能家居系統的整體設計方案作了簡單的介紹，重點說明設計中所用的一些硬件設施：STM32F103VET6、Zigbee模塊XBee-PRO ZB、SIMCOM 公司的SIM900A 芯片。還對網絡連接方式作了一個簡單的介紹，若對整個系統進行深入研究，物聯網智能家居系統會實現人們對住房智能化的更高的要求。

[1]中國智能家居網.http：//www.smarthomecn.com/.

[2]賈雯杰.物聯網與智能家居發展淺析.科技與生活，2010，13：119.

[3]李鴻.幾種智能家居網絡控制系統方案的分析與比較[J].現代電子技術，2010，3：143-146.

[4]周雷.融合GPRS技術的ZigBee無線網絡[J].通訊電子技術，2010，47：6.

[5]于晅.基于GPRS和ZigBee技術的[5]智能家居解決方案的研究.貴州：貴州大學，2007.

[6]Deborah E.Wireless Sensor Networks Tutorial PART IV： Sensor Network Protocols[C].Atlanta, Georgia, USA： Westin Peachtree Plaza，2002：23-28.