基于物聯網技術的智能家居監控系統

孫月馳　李冠　平偉

摘要：

傳統家居環境普遍存在布線困難、建設及維護費用高昂、未實現實時監控、接收報警信息不準確等問題，提出了一種針對基于物聯網技術的智能家居監控系統。該系統以A8系列處理器與CC2530為核心，利用通信技術、網絡互聯技術，通過感知層的溫濕度、煙霧濃度、光照強度、紅外感應等傳感器監測室內環境信息；通過繼電器對室內電器設備進行操控以調節室內環境；協調器中轉傳送數據，根據多源信息進行協同分析，對異常事件進行智能信息判斷并執行預定義聯動響應，在客戶端實時顯示住宅內環境變化并遠程控制。實際應用顯示，該系統在系統部署、智能信息處理以及智能化控制方面具有較大的靈活性、良好的擴展性，能及時預警。

關鍵詞：

智能家居；智能信息處理；監控；物聯網

DOIDOI：10.11907/rjdk.172340

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003014204

英文摘要Abstract：This paper presents a kind of intelligent home monitoring system based on the Internet of Things technology， which is difficult to solve the wiring， difficult to build and maintain， and can not be realtime to monitor and receive the alarm information is not accurate. The system uses the A8 series processor and CC2530 as the core， and uses the communication technology and the network interconnection technology to monitor the indoor environment information through the sensors such as temperature and humidity， smoke concentration， light intensity and infrared sensor. The relay is used to control the indoor electrical equipment adjust the indoor environment； coordinate transfer data transmission， according to multisource information for collaborative analysis， the abnormal events to determine the intelligent information and the implementation of predefined linkage response， and realtime display in the client residential environment changes and remote control. The practical application shows that the system has great flexibility， good expansibility and timely warning in system deployment， intelligent information processing and intelligent control.

英文關鍵詞Key Words：smart home； intelligent information processing； monitoring； Internet of Things

0引言

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、自動控制技術等，兼顧自動化和智能化為一體的高效、安全、便利的家居環境。隨著物聯網技術日趨成熟，智能家居設備受到廣泛關注。開發成本低、移動性強、擴展性更好的智能家居系統是當前亟需解決的問題[1]。

本文結合住宅的實際需求，提出了一種基于物聯網技術的智能家居監控系統。系統包括4大功能模塊：信息采集模塊、信息傳輸模塊、信息處理模塊及信息反饋模塊，設計中各部分相對獨立，具有較高的可擴展性、可維護性和應用性。本系統與傳統家居系統相比，規避了反復的架構設計和產品研究，更大程度上減少了支出，具備低成本、高性能、高拓展性等特點。

1需求分析

大數據時代，智能家居以用戶需求為核心，以家庭、辦公等場所為使用平臺，配合家電、影音、燈光等智能產品，實現安防、監控等功能，形成一個綜合、智能的系統，讓越來越多的用戶了解并使用智能家居產品，體驗并享受智能家居生活帶來的方便、高效與安全[2]。

1.1功能性需求

智能系統的網絡化功能能夠實現家電（空調、熱水器等）控制、照明控制、室內外遙控、窗簾自控、防盜報警、遠程控制、可編程定時控制及計算機控制等多種功能。智能家居控制系統操作方便、功能靈活、安裝便利，面向的用戶群體廣泛[3]。

1.2系統界面功能

1.2.1登錄界面

該模塊中，需要通過驗證正確的用戶名及密碼才能顯示登錄成功。

1.2.2注冊界面

需輸入正確的用戶名及驗證兩次密碼，方可完成注冊[4]。

1.2.3客廳界面

客廳界面包括溫度、CO2濃度、光照強度等參數采集傳感器，通過參數設定控制窗簾，調節室內光照大小。根據房間的理想居住環境可以設置預警參數、查看歷史數據、報警信息等。

1.2.4主臥室界面

主臥室界面包括溫度、光照強度等參數采集傳感器，通過參數的設定控制室內燈具開關，調節室內光照大小。根據房間的理想居住環境可以設置預警參數、查看歷史數據、報警信息等。

1.2.5次臥室界面

次臥室界面包括溫度、CO2濃度、光照強度等參數的采集傳感器，通過參數設定控制室內燈具開關，調節室內光照大小，通過風扇調節室內溫度。根據房間的理想居住環境可以設置預警參數、查看歷史數據、報警信息等。

1.2.6廚房界面

廚房界面包括溫度、CO2濃度、煙霧濃度、光照強度、火焰大小等參數采集傳感器，通過數據及時了解廚房情況。根據房間的理想居住環境可以設置預警參數、查看歷史數據、報警信息等。

1.2.7洗手間界面

洗手間界面包括溫度、CO2濃度、煙霧濃度、光照強度、火焰大小等參數采集傳感器，通過數據及時了解洗手間情況。根據該房間的理想居住環境可以設置預警參數、查看歷史數據、報警信息等情況。

1.2.8陽臺界面

陽臺界面包括溫度、CO2濃度、煙霧濃度、光照強度等參數采集傳感器，通過數據及時了解陽臺的情況。根據該房間的理想居住環境可以設置預警參數、查看歷史數據、報警信息等情況。

1.2.9預警記錄界面

預警記錄界面能夠查詢某個時間段、時間點的預警記錄，以及CO2濃度超過預設值的報警記錄，此外還可顯示報警記錄條數。

1.2.10預警配置界面

預警配置界面能夠對各個房間的所需參數進行設置。高出預設值，出現告警記錄并記錄在預警記錄界面，系統會根據具體情況進行預警處理。例如：系統會自動關閉燈具或拉上窗簾。

1.2.11參數歷史紀錄界面

參數歷史紀錄界面能夠查詢某個時間段、時間點的歷史數據，數據通過折線圖的方式從數據庫中讀取，顯現房間參數的走向，根據數據調節室內參數，使室內環境更加宜人。

2系統結構設計

本方案主要利用山東微分電子科技有限公司所提供的平臺及各種傳感器，設計制作一款智能家居控制系統樣機。實驗樣機設計包括：裸機程序燒寫與調試，控制軟件編寫與調試。

2.1ZigBee協議架構設計

協調器的作用是負責搭建網絡架構及維護網絡。在協調器建立網絡成功后，其網絡地址、簇ID、網絡編號以及傳輸通道等信息即確定下來，隨后協調器進入空閑狀態，等待其它節點加入。若接收到節點入網申請，則允許其加入網絡并分配網絡地址等信息。當加入網絡成功后，終端節點將進入應用層處理函數[6]。

ZigBee終端節點程序依照每個節點實現的功能進行設計。例如CO2濃度采集終端節點，當接收到信息，首先對信息進行解析與判斷，若判斷出收到的命令為CO2濃度采集，則立即調用相應的采集程序，然后將采集的信息進行處理，發送給協調器，協調器通過A8網關發給服務器[7]。

ZigBee終端節點程序流程如圖1所示。

2.2設備類型及原理

2.2.1協調器（coordinator）

可以理解為網絡拓撲的發起者。一個Zigbee網絡對應一個Zigbee協調器，首先協調器會選擇一個信道和網絡標識（PANID），再組建一個網絡。協調器在整個網絡中具有最高權限，它意味著網絡的開始，同時也是網絡的維護者[8]。

2.2.2路由器（router）

可以理解為網絡拓撲的拓展者。路由器支持并實現其它節點的消息轉發功能。

2.2.3終端（end）

Zigbee終端節點不能轉發其它節點消息，是一種用來執行數據采集傳輸的設備。終端依靠與協調器或路由器相連接構成網絡節點。部署在監測區域內的多個傳感器節點組成無線傳感器網絡，通過無線通信方式形成多跳的自組織網絡[9]。ZigBee在目前無線傳感網中使用較多，具有近距離、低功耗、低數據速率、高可靠性等特點。

基于ZigBee技術的無線網絡拓撲結構，大多數情況下采用星型、樹型、網狀、對等網絡拓撲結構[10]。

星型拓撲結構如圖2所示。

2.3硬件部分

網關、協調器、溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、CO2濃度傳感器、繼電器以及電動機驅動模塊、LCD顯示器這8大部分構成了系統硬件部分。對于溫度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、CO2濃度傳感器，通過讀取它們的狀態進行相應數據的采集。ZigBee傳感網絡采集傳感器數據，將采集到的數據匯聚至網關，通過移動網絡或無線網絡發送至服務器上，監控人員通過移動端與瀏覽器端查看各個節點的數據，借助上位機軟件向傳感器節點發布指令，實現對傳感器節點的控制[5]。

2.4PC機軟件部分

利用PC機軟件設計登錄界面、主界面、客廳界面、主臥室界面、次臥室界面、廚房界面、洗手間界面、預警配置界面、預警記錄界面等，通過軟件實現各模塊功能，系統功能如圖3所示。

3系統實現

3.1微信公眾平臺實現

個人微信公眾平臺：系統網關通過無線通信，接收傳感器采集的相關數據，比如溫度值“26”，然后向服務器提交請求，請求中包括傳感器ID、密碼、提交的數據等參數。服務器核實后，把傳遞上來的值寫入相應的數據庫中。當用戶需要這些數據時，通過微信發送命令，比如“主臥室溫度”，后臺服務器判斷后，從數據庫中查詢相應的傳感器記錄，提取傳感數據，通過預設的反饋消息格式反饋到用戶端。

本系統用戶可以使用PC機或智能手機，通過網線或WiFi，經過網關對各傳感器進行數據的收集或監控。系統結構如圖4所示。

3.2Web客戶端實現

智能家居控制系統為一個合理利用計算機技術、人工智能技術、即時通訊技術、綜合布線技術，以及與家居生活有關聯的各種子系統高效地結合在一起，通過合理分配、統籌管理，使家居生活變得更加有序、便利的平臺。系統主界面如圖5所示。

3.3模塊功能實現主要代碼

系統配置如下：

硬件環境： CPU： Intel Core i5-2450M ；硬盤：10G及以上；內存：256M及以上。

軟件環境：SQL Server2000+Sp3或SQL Server2005以上數據庫；應用性軟件：C#；操作系統：Windows XP及以上。

3.3.1系統采集數據時間間隔實現

住宅環境信息采集數據時間間隔實現代碼：

System.Timers.Timer t = new System.Timers.Timer（3000）；//實例化Timer類，設置間隔時間為10000毫秒；

t.Elapsed += new System.Timers.ElapsedEventHandler（theout）； //到達時間的時候執行事件；

t.AutoReset = true；//設置是執行一次（false）還是一直執行（true）；

t.Enabled = true；//是否執行System.Timers.Timer.Elapsed事件；

3.3.2自動調節光照強度實現

系統實現對燈具的自動開關，自動調節室內光照強度，主要代碼如下：

public void theout（object source， System.Timers.ElapsedEventArgs e）

{

loadinfo（）；

if （Convert.ToInt32（numAlarmLightLess.Value） > Convert.ToInt32（textBox1.Text））

{

string[] 開燈 = sm.getOrSetSwitch（"192.168.1.230"，"51000"， "101"， ""， ""， ""， "3"， "1"）；

}

else

{

string[] 關燈 = sm.getOrSetSwitch（"192.168.1.230"，"51000"， "101"， ""， ""， ""， "3"， "0"）；

}

3.3.3光照強度數據采集實現

系統對光照強度實現自動采集，主要代碼如下：

public void loadinfo（）

{

SensorMicrosec sm = new SensorMicrosec（）；

string[] 光照強度 = sm.getLight（"192.168.1.230"，"51000"， "3"， ""， ""， ""）；

if （光照強度[0] == "success"）

{

textBox1.Text = 光照強度[1]；

}

}

4結語

利用物聯網技術搭建的智能家居監測系統，實現了Web客戶端及智能手機微信公眾平臺相結合，組成了完善的多平臺智能家居監控系統。通過不斷地實時監測和運行，該系統能夠保證實現自身功能，并提供良好的智能家居服務。完成注冊后用戶可以用手機移動端或電腦端訪問該系統，實時掌握家居環境動態。可通過客戶端對該系統發布指令進行控制，從而實現多平臺的人機交互。智能家居監控系統布線簡單、功能穩定可靠，既能滿足傳統的家具生活，又能體驗到網絡化帶來的高品位生活，實用價值高[1]。

參考文獻參考文獻：

[1]殷賢華，劉明緣，王寧.基于Raspberry Pi的智能家居系統設計[J].現代電子技術，2016（23）：161164.

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[3]李相敏.基于物聯網的智能家居管理系統[J].福建電腦，2015（12）：99100.

[4]孫會民.基于物聯網ZigBee技術的智能家居監控系統[J].軟件導刊，2016（9）：9799.

[5]趙小強，雷雪，馮勛.基于ZigBee/3G的物聯網網關系統[J].西安郵電大學學報，2015（1）：2429.

[6]趙麗.基于ZigBee技術的智能家居系統研究與設計[D].南京：南京郵電大學，2011.

[7]蘇智華.智能家居控制系統設計[J].自動化與儀器儀表，2015（10）：235241.

[8]吳志海.ZigBee技術在智能家居協同控制中的應用[N].電子報，20130825（012）.

[9]魏琴芳，程利娜，付俊，等.Josang信任模型的物聯網感知層安全數據融合方法[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2016（6）：876891.

[10]邊晶，杜威.基于ZigBee的智能公交系統無線傳感器網絡拓撲結構探究[J].長春理工大學學報：自然科學版，2016（4）：135142.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）