面向物聯網技術的智能家居系統設計

李丹

（遼寧郵電規劃設計院有限公司 遼寧省沈陽市 110179）

異常入室、燃氣故障、家居設備是幾種常見的家居安全問題，為了滿足人們時刻關注家居狀況的需求，必須要升級傳統家居安防措施，構建出智能家居系統。當前現代家居系統安全管控的焦點在于，利用信息處理、物聯網、傳感器和計算機網絡等技術，確保使用者能夠接收到家居安全信息，有效監控和發現家居安全隱患問題，全面提高智能家居監控安全程度。

1 面向物聯網技術的智能家居系統設計方案

本研究基于物聯網技術下，依托2.4G 及ZigBee 構建出智能家居系統，通過全新的智能家居控制手段，使功耗和成本得到有效降低，智能家居系統設計結構詳見圖1。ZigBee 傳感網絡、2.4G 遠程遙控節點、網關節點和云服務器是構成面向物聯網技術的智能家居系統的主要部分，其中不同子節點、協調器共同組成了ZigBee 傳感網絡，借助Z-Stack 協議棧對星型網絡進行建立，從而發揮無線數據傳輸的作用；云服務器、遠程遙控、ZigBee 傳感網絡彼此間數據的共享和交互由網關實現；家居環境的實時監控主要由溫濕度傳感器、煙霧傳感器來負責；家庭安全防護檢測依靠的是紅外熱釋電傳感器；在遠程開關控制家庭普通設施的過程中，繼電器模塊發揮著重要作用。借助系統中的紅外熱釋電傳感器、太陽能電池板，燈光控制節點可以對智能燈光進行調控[1]。

2 智能家居系統硬件設計

面向物聯網技術的智能家居系統在硬件設計方面，主體主要運用的是工控 PC 主板、單片機，還包括RS232、硬盤錄像機、四路視頻采集卡等部分。其中RS232 主要由報警采集模塊、電話模塊以及家電控制模塊三大結構組成。將嵌入式Windows XP 安設在C7 主板中即構成了工控PC 主板，而系統單片機則運用的是STC89C51 系列單片機。在系統硬件設計方面，單片機、無線接收、無線轉紅外協議轉換器、無線發射、X10 電力載波等是構成電話模塊、家電控制模塊及報警采集模塊的幾個重要元件，采用工控PC主板同單片機RS232 串口連接的方式，能夠發揮不同模塊的功能。

2.1 視頻采集錄像設計

利用將硬盤錄像機、4 路視頻采集卡連接在系統工控PC 主板的方式，使智能家居系統能夠發揮視頻錄像、視頻采集的功能。本研究中的智能家居系統運用的是713X 芯片組視頻采集卡驅動，在XVID 的MPEG4 編碼支持下能夠有效的要視頻軟件，開展對家居環境和設備的遠程錄像機傳輸操作[2]。

2.2 報警采集模塊設計

無線、有效采集是系統探測器的兩大報警信號采集形式。對于有線采集形式來說，開關量能夠輸入有線報警信號，智能家居系統對16 路有線報警輸入進行了設計，運用方式為并聯接入、串聯輸出，有線報警信號可以被單片機所采集，在這個過程中兼顧了系統的電話控制、鍵盤等多種功能性。通常多會借助 PT2262 芯片來發送無線報警信號，在PT2272 的作用下接收端可以對信號進行解碼。編碼發送端PT2262 可以對數據碼（4 位）、地址碼（8 位）進行提供，若運用的為8 位地址碼，則PT2272 僅能夠對4 為數據進行提供，由0 至F。所以，對于單個2272 芯片而言，接收報警探頭輸入的數量為16 個，無法迎合使用者對大于32 路無線輸入的需要。同時，對于1527 格式編碼，PT2272 不能進行解碼。單片機運行速度加快，能夠有效對1527、2262 兩種不同格式的編碼進行識別，借助單片機進行解碼的操作具有較強的靈活性，便于操作，識別編碼類型較多，也支持對地址碼進行針對性的設置。智能家居系統未借助PT2272 芯片開展解碼操作，采用單片機解碼的方式，在完成數據解碼操作之后，借助RS232 口向上位機進行傳輸。

圖1：智能家居系統設計結構

圖2：無線紅外協議轉換器模型圖

圖3：智能家電控制模塊模型圖

圖4：智能家居系統防盜監控流程圖

圖5：智能家居系統火災監控報警流程圖

2.3 電話模塊設計

撥打使用者變化就可完成報警操作。鑒于智能家居系統運用了單片機，所以單片機控制繼電器能夠開展電話摘掛機處理。音頻變壓器是電話模塊的核心，發揮著在功放電路中耦合語音交流信號的作用，也能夠在電話線路中耦合語音提示、撥號兩大信號。主板聲卡可以同變壓器線圈進行連接，所以可以在電話線中對音頻信號進行耦合處理，也能夠在聲卡線路輸入端耦合電話聲音。

2.4 家電控制模塊設計

多數家居設備僅需進行卡關控制即可，借助對智能開關進行設計的方式，就能夠實現有效管控。也有部分家居設備需要設置控制量，例如：電視頻道、空調溫度等，這就需要發揮紅外遙控器的功能。所以在家電控制模塊中要對無線轉紅外協議轉換器進行設計，其主要由紅外發射管、單片機、紅外接收頭以及無線接收模塊幾部分構成，實現網絡控制指令到電氣紅外遙控指令的轉化。家電控制模塊中無線紅外協議轉換器結構詳見圖2。

電力載波X10 協議模塊、單片機、315 M 射頻無線模塊的集成體即為家電控制模塊，該模塊借助無線遙控、電力載波，能夠對智能家居設備開關進行管控。智能家電控制模塊模型圖詳見圖3。

3 智能家居系統軟件設計

3.1 防盜報警監控

將USB 攝像頭、感應器安設在陽臺、窗臺或大門位置，能夠監測是否存在非法闖入的現象，如發現異常傳感器會對闖入者的紅外線信號進行感應，進而進行防盜報警，具體監控流程詳見圖4。防盜報警監控在啟動后，異常情況下會開啟USB 攝像頭，能夠實時性和全面化的拍攝家居環境[4]。對于非法入侵人員，入侵檢測信號能夠借助電信號的形式進行輸出，并自主啟動警鈴，向使用者終端傳送入侵信息，發揮防盜監控報警作用。

3.2 火災監控報警

在出現火災危險時，通常都會伴有升溫現象，存在很多煙霧、有害氣體，此時通過溫度監測功能，能夠提高報警準確性。智能家居系統火災監控報警流程詳見圖5。

在智能家居系統內對正常情況下的家居環境參數進行輸入，就能夠在出現火災時，通過對室內煙霧濃度、溫度變化、有害氣體濃度進行監測的途徑，準確判斷火災狀況。若家居環境參數達到超出閾值標注，結合監測數據，系統監測主機就能夠有效分析、提取火災信息，對聲光報警器進行開啟，將現場信息進行輸出，發揮火災監控報警作用。

4 系統測試

通過對智能家居系統的軟件和硬件設計，用戶在遠程客戶端就能夠進入到系統內，開展觀看視頻、控制家居設備等操作。在測試系統報警功能時，可以對門磁進行觸發，系統主機就可以發出警報，自主撥打系統設置電話，了解報警位置及時間等信息。用戶在J2ME 平臺下開發的手機客戶端中就能夠觀看到家居環境，便利化的開展控制操作。設置不同的網絡帶寬，測試客戶端接收數據狀況，結果詳見表1。

表1：不同網絡帶寬下客戶端接收數據測試結果

5 結語

面向物聯網技術的智能家居系統的硬件平臺為單片機、PC 主板，包括家電控制模塊、報警信號采集模塊、遠程視頻監控模塊等多個模塊，借助無線及有線網絡有效連接不同家電設施，將遠程監控家電設備變為了現實。網絡化和數字化的智能家居環境已經成為未來主要的發展趨勢，具有廣闊運用前景，但是還需要不斷開展探索和研究工作。