基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué) 張旖旎 冉 述 竇 強(qiáng) 宋 東 葛 鑫

引言

智能家居概念提出的目的是：“將家庭中所有和信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器、家庭保安裝置連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，同時(shí)保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)一致”[1]。

本文提出了一種安全性高、成本低、安裝簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)的現(xiàn)代家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要由六大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各部分通過(guò)板上集成或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，降低了本系統(tǒng)的安裝難度。

1.1 數(shù)據(jù)處理中心

1.1.1 核心處理器

數(shù)據(jù)處理中心CPU選用低成本、低功耗的STM32VET6芯片，該芯片是意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的32位高性能微控制器，使用高性能的ARM Cor t ex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，運(yùn)算速度1.25DMips/MHz[2]。支持睡眠、停機(jī)、待機(jī)三種省電模式，待機(jī)模式RTC開(kāi)啟狀態(tài)電流消耗僅3.4uA。

1.1.2 人機(jī)交互

人機(jī)交互為用戶(hù)提供一個(gè)可視化的操作環(huán)境：第一可通過(guò)3.2寸電阻觸摸屏點(diǎn)按操控，實(shí)現(xiàn)密碼開(kāi)鎖、門(mén)鈴呼叫、密碼設(shè)置等功能；第二可通過(guò)手機(jī)短信實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖和各種警報(bào)提醒功能；第三可通過(guò)云服務(wù)器app或網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)查看、開(kāi)關(guān)鎖、控制器操作等功能。

1.2 無(wú)線(xiàn)傳感器(/控制器)網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)采用低成本、低功耗的ZigBee技術(shù)[3][4]構(gòu)建一種簇樹(shù)型的無(wú)線(xiàn)傳感器(/控制器)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)處理中心、協(xié)調(diào)器、路由器、終端(傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn))組成[5]。在障礙少、距離短的情況下可省略路由節(jié)點(diǎn)形成結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)均使用高能鋰電池供電，在安裝條件允許的情況下可采用數(shù)據(jù)處理中心的電源管理方案。節(jié)點(diǎn)核心微處理器選用德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的CC2530F256芯片，其結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧（Z-St ack?），提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案[6]。

1.3 通信

GPRS網(wǎng)絡(luò)作為分組交換網(wǎng)絡(luò)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸[8]。

本系統(tǒng)選用華為MG301模塊，在本系統(tǒng)中，通過(guò)TCP/IP連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)上傳和控制命令的下達(dá)，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)短信與用戶(hù)手機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)短信開(kāi)鎖、警報(bào)提醒等功能。

1.4 云服務(wù)器

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段選用青島億聯(lián)客信息技術(shù)有限公司提供的Yeel ink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，對(duì)開(kāi)發(fā)者免費(fèi)。通過(guò)該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的上傳，控制器數(shù)據(jù)推送，數(shù)據(jù)記錄，手機(jī)app查看與操作，消息微博推送等功能。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作流程如圖2所示，其中C代表數(shù)據(jù)處理中心接收到的命令(包括觸屏、GSM、GPRS等不同方式接收的所有命令)。命令優(yōu)先級(jí)為C1＞C2＞C3＞C4＞C5。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，首先初始化系統(tǒng)，等待來(lái)自用戶(hù)的命令。

在智能鎖部分，系統(tǒng)只保存RSA算法的合數(shù)、16位長(zhǎng)的公鑰、密碼加密后的密文，RSA非對(duì)稱(chēng)加密特性及16位長(zhǎng)度密鑰，在接收到6-8位數(shù)字密碼及開(kāi)鎖指令后，公鑰加密該密碼，并將產(chǎn)生的密文與設(shè)置用戶(hù)時(shí)產(chǎn)生的密文比對(duì)，不一致則產(chǎn)生一個(gè)人類(lèi)無(wú)法分辨的50ms短延時(shí)，大大延長(zhǎng)窮舉法破解密碼的時(shí)間。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸距離測(cè)試(無(wú)障礙、不包含CC2591)

表1 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸距離

3.2 GSM網(wǎng)絡(luò)短信開(kāi)鎖測(cè)試

表2 GSM網(wǎng)絡(luò)短信開(kāi)鎖情況

3.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)開(kāi)鎖測(cè)試

表3 GPRS網(wǎng)絡(luò)開(kāi)鎖情況

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)深入的理論分析和嚴(yán)格的實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)安全智能鎖、家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)、家庭設(shè)備控制、并可自由擴(kuò)展等功能。系統(tǒng)集成度較高，方便安裝；結(jié)構(gòu)清晰，節(jié)點(diǎn)自由度高，方便維護(hù)。成本低、人際交互功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單，適合在大多數(shù)家庭普及。該系統(tǒng)還可移植到農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、智能樓宇和對(duì)時(shí)延要求不高的工業(yè)自動(dòng)化，具有較高的商業(yè)和實(shí)用價(jià)值。

[1]詹良.基于ZigBee技術(shù)的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[D].碩士論文:北京郵電大學(xué),2008.

[2]ST.STM 32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE Datasheet[OL].http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00191185.pdf,2014.12.

[3]翟雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術(shù)與應(yīng)用(第一版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:3-19.

[4]黃繼娥.基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].碩士論文:東北大學(xué),2007.

[5]Texas Instrument.CC2530 Datasheet.2009.