基于物聯網的智能家居系統設計

陳迪+李澤龍

摘要：采用物聯網的思維，利用嵌入式系統搭建處理核心，直接連接電器或者通過供電插座來收集合個電器的信息，通過總線控制對整個系統進行統一的管理和控制。實現家居的智能化。

關鍵詞：物聯網智能家居；嵌入式；單片機；家居系統

Abstract： the Internet of things of thinking， the use of embedded system structures， processing core， the connections for electrical appliances directly or through a power supply socket to collect information appliances， through the bus control for unified management and control of the whole system. Realize the intelligence of household.

Key words iot smart home embedded single chip computer home system

前言：

隨著人們對生活質量的要求也不斷提高，在日常生活中，智能家電過于獨立，無法對家庭電網進行集中控制。所以在安全、節能方面難以進行有效把控。對于智能化的又一要求就是智能化遠程控制。所以現代智能家居急需解決的問題有如下幾點：

1.安全方面：

家用用電安全方面有：（1）漏電短路（2）電器使用不當（3）電器自身意行外故障（4）意外接觸。

不同的故障有不同的解決方法，智能家居系統應該及時分辨故障類型，并能及時進行處理。

2.節能方面：

在不影響正常生活的情況下，節能也是智能家居的特點，節能型智能家居，可以增加電器壽命，通過自動判別環境進行電器開關，使生活更方便，智能家居節能的實現有兩種途徑：（1）控制電器開關（2）控制電器功率

3.可遠程操控：

雖然傳統家居電器具備自動開始工作的功能，例如可以定時開關的電飯鍋，電磁爐等，但是對于突發事件，傳統家居電器不能自動更改設定，因此，對電器中個別器件進行開放權限設計，實現遠程操控的功能，可解決上述問題。

4.遠程監控：

盡管現代有許多家庭中安裝有簡單的監控設施，但風險較大，通信安全性極差。因此，在安全的狀態下進行遠程監控需要對家中監控設施的安全通道進行加密，并且按需發送數據，使遠程監控功能安全、可靠。

1實施方案

1.硬件電路[1]：以整個家居環境作為大系統，進行電路搭建，總線可分為插頭系統，暗線系統，照明系統，控制系統，監管系統和備用電源。系統的運行信息和來自各個傳感器的家居環境信息均通過信號線連接核心處理器。

首先是插頭系統，插頭系統為所有外接電源電器提供供電，可以通過控制系統控制對電器的供電可以控制電器的開關或使用功率；暗線電路為一些不需要控制的電路；照明電路為整個家居環境的照明系統，負責照明，開關由系統控制或手動控制，其中手動控制權限最高；并且照明系統與備用電源相連，在緊急情況的停電下可使用備用電源供電并降低照明系統的功率以保證長時間照明；監管系統由檢測部分和監測部分構成，檢測部分主要負責整個系統的檢測，如插頭系統異常（短路或功率異常），暗線電路異常，控制系統故障，以及備用電源的檢測，監測部分則是攝像頭，人體傳感器，氣體傳感器，溫度傳感器等傳感器組；控制系統則負責整個系統的控制與數據處理，采用雙單片機冗余控制，主芯片為STM32F407，副芯片為STM32F103[2]，采用嵌入式編程，當一個芯片出現問題時，另一個芯片可以及時接管；備用電源屬于緊急用電，在斷電的環境下仍然能保持小功率設備正常運行，它受監管系統監管，由監管系統控制它定時充放電，以保證電池活性，同時監控電池性能。

2.家居系統設計：為了使控制的更精準，更智能，可以將整個家居環境進行模式分類，如果要求更為精確，還可使用子模式。為了方便，在本文中只模擬三種場景：白天模式，夜晚模式，離家模式。（對于被控制目標，由于篇幅所限，本文只選取照明系統，其他系統原理相同）白天模式與夜晚模式由內置時鐘與安裝在戶外的光照傳感器共同確定；在白天模式下，采光好的房間燈光功率降低或者長滅，采光較差的不受影響，夜晚模式下燈光均正常，并在固定時間自動關閉。離家模式由用戶確定，在離開前手動設置模式，并在主門關閉后啟動；整個系統將進入一個防盜環境，在檢測到有人進入室內并且沒有得到確認，便自動向綁定手機發送消息。

3.嵌入式系統[3]：我們此次選擇μC/OS III作為家居系統的核心處理系統。

我們把μC/OS III的任務分為五種，分別為（1）休眠態：任務已經在CPU的flash中了，但是還不受μC/OS III管理（2）就緒態：系統為任務分配了任務控制塊，并且任務已經在就緒表中登記，這時這個任務就具有了運行的條件，此時任務的狀態就是就緒態（3）運行態：任務獲得CPU的使用權，正在運行。（4）等待態：正在運行的任務需要等待一段時間，或者等待某個事件，這個任務就進入了等待態，此時系統就會把CPU使用權轉交給別的任務。（5）中斷服務態：當發送中斷，當前正在運行的任務會被掛起，CPU轉而去執行中斷服務函數，此時任務的任務狀態叫做中斷服務態。

基于以上平臺，組織物聯網家居系統，流程如圖2所示。首先連接核心電路，將整個傳感器組分類連接入單片機接口，然后搭建μC/OS III 系統，接下來結合之前確定的家居系統模式：白天模式，夜晚模式，離家模式，進行預編譯定義，并且寫入每個控制函數中，這樣在執行控制函數前會進行模式判斷，根據不同的判斷進行不同的控制，例如照明控制電路，在亮燈前對模式進行判斷，若為白天模式，則根據光照傳感器調整光照強度，若為夜晚模式則正常亮燈，如果離家模式則不會啟動。編寫控制函數時將函數寫入嵌入式系統提供的子函數中，檢測中斷函數是一些檢測系統的處理函數，檢測到家中有異常時會進行判斷，如果處于離家模式則會通過無線傳輸通知用戶；而輪詢系統則是負責監測系統本身的運行，如果發生系統異常則通知副核心，通過副核心發出損壞信號；值得注意的是日志記錄系統，它是整個系統的記錄系統，由于單片機本身內存極小，所以日志系統通過操作內存卡進行儲存系統運行信息，在系統出錯后可通過它查詢問題。最后程序完成后需要在開發板和實物連接測試。

2存在問題

在物聯網的智能家居系統中，整個系統是基于程序運轉的，所以對代碼的長期維護是非常重要的，只有不斷的在實際運用中發現錯誤改正錯誤，才能對系統進行不斷的完善。

參考文獻：

[1]（美）Albert Malvino；David J. Bates.電子電路原理（原書第7版） [M]. 機械工業出版社，2014.

[2]（英）姚文祥.ARM Cortex M3權威指南（第三版） [M].清華大學出版社，2015.

[3]朱珍民.嵌入式實時操作系統μC/OS-III[M].北京郵電出版社，2006