基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現

王卿斌

摘要：由于科學技術的進步，“智能”漸漸融入到人們的生活當中，從智能手機的誕生到現在智能家居的開發，智能產品在人們生活中越來重要。基于人們的需求，于是造就了智能產品廣闊的市場。智能家居的設計便具有了重要意義，一種好的設計思路就顯得尤為重要了。本文就模塊化設計思路在智能家居控制系統中的應用進行了探究。

關鍵詞：智能家居；物聯網；以太網；RS-485；ARM；GPRS

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

1系統整體結構

系統主要分五個部分組成，供電部分：供電部分為智能家居控制系統室內系統部分供電。系統遠程通信部分：系統遠程通信部分主要是通過Internet進行遠程控制家居設備。中央控制器：中央控制器是智能家居控制系統的核心部分，中央控制器接收由各個功能子模塊采集到的數據信息然后對采集到的數據信息進行處理分析，并根據分析的數據做出相應的指令。功能子模塊：每個功能子模塊實現自己特定的功能。系統室內通信部分：系統室內通信部分主要是各功能子模塊與中央控制器之間的通信，選擇的無線組網技術是ZigBee無線技術。

2各模塊的硬件設計

2.1STM32F407最小系統

STM32F407單片機是意法半導體有限公司生產的一款低功耗、基于ARM內核的高性能32位微控制器，具有1MBFlash、192+4KbytesRAM、80個I/O接口線、看門狗定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外存接口、實時時鐘、以太網MAC、照相機接、CRC計算單元和模擬真隨機數發生器在內的整套先進外設。任何一個處理器都必須擁有一個最小系統才能正常工作，我們所設計的STM32F407最小系統包括一個25MHz晶振電路和一個PowerOnReset電路.

2.2網關節點硬件設計

網關節點在ZigBee網絡中也充當協調器的作用，主要負責無線數據的匯聚以及ZigBee網絡與互聯網的連通。圖2為網關節點的硬件框圖，網關節點由CC2530芯片、ARM芯片、電源和網卡模塊組成。內部網絡中，網關節點需要負責家庭局域網中無線網絡的建立并完成對終端節點數據的融合和處理，通過CC2530片上系統來實現與終端節點之間的通信。外部網絡中，網關節點通過網卡與家庭中的路由器互聯，使之接入互聯網。網關節點硬件較復雜，在網絡通信環節作為因特網與ZigBee網絡之間的中介，承擔著重要的功能。本文用ARM系列處理器來實現CC2530芯片與網卡之間的硬件連接，實現兩個異構網絡的協議轉換。

2.3紅外測溫傳感器硬件設計

在廚房用煤氣灶燒水時由于離開廚房去做其它事情，往往會忘記正在燒水而引起事故，本設計中利用紅外線采集模塊實時采集水壺中水的溫度，當水的溫度達到設定值時，會發出報警聲，如果在一定的時間沒有人過來關閉燃氣灶，系統會自動切斷燃氣灶的燃氣供應。不僅僅是燒水，煲湯、蒸煮時可以根據不同的飯菜蒸煮的時間手動設置好時間，時間到后系統同樣會發出報警聲，如果一定時間內沒有人來，系統會自動切斷燃氣。本設計中采用非接觸MLX90614紅外線測溫模塊進行對水壺中水溫的測量.

2.4LCD模塊

LCD模塊采用的是1.44寸，分辨率為128×128，3/4線SPI接口TFT彩色液晶屏。LCD主要參數：顯示色彩為65K，分辨率是128×128，點距為0.1992（H）×0.207（V）（mm），顯示類型為全透型，背光燈顏色及類型：白色LED背光，背光LED驅動電壓：15mA/3.2V，顯示屏的外形尺寸為33.26×38.00×2.60mm，可視面積：27.10×28.64mm，點陣區面積：25.50×26.50mm，使用壽命長達100000h，屏幕工作溫度在-20攝氏度到70攝氏度之間，其響應時間為0.1（ms）。LCD模塊通過PE10～PE15I/O口連接到單片機.

2.5繼電器模塊

繼電器模塊使用的是1路10A光耦隔離繼電器模塊，繼電器輸出回路的常開接口最大負載為交流250V/10A或直流30V/10A；輸入回路與輸出回路采用貼片光耦隔離，因此驅動能力強、性能穩定的特點；輸入回路額定工作電壓為5V，觸發電流為5mA；模塊可以采用高電平觸發或低電平觸發。繼電器模塊本身包含了容錯設計，控制端不發出信號更改指令，即使控制線斷，繼電器也不會改變當前工作狀態；而且接口設計人性化，連接方便。繼電器模塊控制系統的接口有DC+（電源正極接口）、DC-（電源負極接口）、IN（信號觸發接口），被控制系統有NO（繼電器常開接口）、COM（繼電器公用接口）、NC（繼電器常閉接口）。單片機系統通過PB2I/O口控制繼電器.

2.6手機端設計

目前的手機絕大部分都已集成了4G網絡通信，可以很方便地使用4G網絡與家居網關進行高速數據傳輸。本文基于Android系統來進行手機端的程序開發，目前Android系統在手機占有率中長期保持第一，用戶廣泛且系統成熟穩定，調用Android系統提供的庫函數可以比較容易地實現網絡開發。手機端完成的功能主要是對物聯網家居中家用電器、電燈、窗簾等設施進行控制，還要對家居的環境信息進行顯示.

3軟件設計思路

軟件設計依據各個功能模塊進行模塊化設計。先設計一個主程序使單片機能正常工作，再將各功能模塊的程序寫成子程序，主程序通過調用子程序使各功能模塊都能連接到單片機并正常工作.

4智能家居系統測試

前文對智能家居控制系統進行了整體的設計，完成了各個模塊的軟硬件設計以及網絡鏈路的開發設計。本節則對智能家居系統進行了整體的運行和測試。先測試家用電器等設備控制功能，將終端節點和網關節點啟動運行，組網完畢后，通過手機發送開關指令可以順利地實現對家用電器的控制。然后測試了家居環境信息實時監測功能，運行結果如圖6所示。系統能夠不斷地進行家居環境的信息收集并在手機APP中顯示。測試的溫濕度、光照強度結果與室內真實環境基本符合。測試中使用打火機中的正丁烷氣體，稍微按下.經綜合測試，本系統能夠順利組網，實現對家用電器的遠程控制以及監測家居環境信息。系統運行狀態良好，具備一定的可用性和較強的可靠性。

本文設計的基于物聯網的智能家居控制系統不僅可以實現用戶對家居設備的遠程控制，而且還有使用戶時時刻刻地獲取家居環境中的信息，并做到危情及時通知警報，創造了一個安全、舒適、高效率的家居生活。內部ZigBee網絡與外部4G/GPRS等互聯網的結合，更是讓用戶隨時隨地對家居進行控制。以后會接入更多的家用設備，并提高系統的兼容性，帶給人們更加愜意安全的生活.

參考文獻：

[1]吳思楠.基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現[D].揚州大學，2016.

[2]楊海川.基于物聯網的智能家居安防系統設計與實現[D].上海交通大學，2013.

[3]楊堤.基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現[J].電子世界，2012（21）：16-17.