基于物聯網的智能家居系統設計

何文超　郭盼　王國健

摘 要：在介紹當前智能家居系統的發展前景和主流的設計思想的基礎上，分析了現今智能家居系統的優缺點。應用ARM平臺開發智能家居監控系統，系統由監控系統主控制器、無線傳輸模塊、藍牙通信模塊、WiFi模塊以及GSM模塊組成。以無線通信模塊實現信息的監測與控制；藍牙通信模塊實現手機與控制器的局域網絡控制；GSM模塊實現短消息報警功能；WiFi模塊將室內信息上傳至網絡服務器。

關鍵詞：物聯網 智能家居 無線通信

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0001-02

現代的智能家居系統，主要以網絡通信技術和安全防范技術為核心，實現居住環境監控、自動報警等功能。隨著經濟發展，未來智能家居系統將成為主要的發展趨勢。近年來，物聯網技術飛速發展，為智能家居系統的網絡化設計提供了便利，大大促進了智能家居系統的推廣。

1 系統總體方案設計

1.1 系統結構和特點

系統以STM32單片機為總控制器，通過NRF24L01無線通信模塊與從機進行數據通信。HC-05藍牙模塊實現與手機間的信息交互。GSM實現短信報警功能。WiFi模塊將室內信息傳到物聯網。

主控制器與GSM模塊之間采用串口方式通信，主控制器與藍牙模塊間采用串口通信，主控制器與無線通信模塊間采用SPI協議通信。從機采用STC89C52單片機，通過NRF24L01無線通信模塊與主控制器進行通信。

1.2 芯片的選型及介紹

（1）主控制器芯片的選用。

該系統的主控制器芯片選用STM32F-103VET6。芯片內部集成有5個串行總線接口。其中，USART1～UART3為異步串行通信，UART4和UART5是同步穿行通信。系統與GSM模塊通信選擇USART2，與藍牙模塊通信選擇USART3，與ESP8266模塊通信選擇USART1。芯片集成有3個專門用于SPI協議通信的接口，該系統選用SPI1與無線通信模塊間進行通信。

（2）無線通信模塊。

無線通信模塊采用NRF24L01，與控制器間采用SPI協議通信。最高工作速率2 Mbps，采用高效的GFSK調制，抗干擾能力強。其工作電壓為1.9～3.6 V，因此采用3.3 V電壓供電，SPI管腳直接與單片機相應管腳相連接。

NRF24L01的工作模式主要有收發模式、配置模式、空閑模式以及關機模式。其工作模式由PWR_UP寄存器、PRIM_RX寄存器以及CE引腳決定，系統工作時，將處于收發模式。收發模式有三種：Enhanced ShockBurstTM收發模式、ShockBurstTM收發模式以及直接收發模式。此處選擇Enhanced ShockBurstTM收發模式。在此模式下，發送與接收數據時，芯片自動處理數據，節省編程空間。

（3）GSM模塊。

GSM模塊選擇SIM800A模塊，與控制器間采用串口通信。模塊供電電壓5 V。由于單片機的串口能夠承受5 V電壓，可將GSM模塊與單片機的串口直接相連。

GSM模塊主要功能是實現短消息報警。當室內安防系統發出報警觸發信號時，GSM模塊會將報警信息以短消息的形式發送到指定的手機中。

（4）WiFi模塊。

GSM模塊本身可以向網絡服務器傳輸數據，但需要消耗流量，因此選用Wifi模塊向網絡服務器傳輸數據。WiFi模塊選擇ESP8266，默認波特率是115 200。接入家里路由后，能夠實現向網絡服務器傳輸數據。

（5）藍牙通信模塊。

藍牙通信模塊用于局域網絡通信。用戶處于家內時可通過藍牙接入設備，監控和無線操控室內的燈具等開啟和關閉。

2 系統軟件設計

軟件部分主要介紹主機與從機通信協議。

表1中，主機向從機發送的信息包括設備的類型碼、設備地址碼以及控制字。從機接收到相應的命令后，當接收到的設備類型碼與地址碼與其本身的類型碼及地址碼相匹配時，將會按照預定義的控制字執行相應的操作。其他不匹配的從機不進行操作。從機響應主機的操作后，會將從機的類型碼、地址碼以及狀態字發送給主機。設備的類型碼定義如表2所示。

表2地址碼中的X代表同類型設備編號，X的取值為1～N。設備的控制字為01、02或03。其中01表示讀取信息，如溫度傳感器的數據。02表示燈光的開啟，03表示燈光的關閉。從機接收控制字為01時，向主機發送數據信息，接受到02或03時，對設備進行控制，并發送設備狀態。

3 結語

在分析了當前智能家居系統的設計思想的基礎上，該文以NRF24L01作為無線通信模塊，以主從通信方式進行室內電氣控制及環境監控。以GSM模塊實現遠程報警功能，藍牙模塊實現手機局域網絡控制功能，并將室內信息通過WiFi模塊發送到物聯網服務器。系統可靠性高，且增填設備方便，為智能家居系統的研發提供了一個可行的方案。

參考文獻

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