基于物联网的智能家居控制系统设计与实现

浙江广播电视大学学习资源建设中心 杨 堤

1.引言

2009年1月，IBM公司提出了“智慧地球”的理念；2009年8月，温家宝总理在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时，提出了“感知中国”的目标[1]。物联网是以感知为核心的物物互联，从技术角度又称为传感网。物联网将成为继计算机、互联网和通信网络之后的信息产业第三次浪潮[2]。

随着科学技术的迅猛发展，世界迎来了信息化时代。现如今，可以把信息技术、自动控制技术和计算机技术结合起来应用于建筑及住宅，于是出现了智能建筑及住宅。

2.智能家居的概述

智能家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司(United Techno1ogies Building System)将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州(Conneticut)哈特佛市(Hartford)的City Place Building时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕[3]。

随着互联网的发展，尤其是无线网络的出现和发展，智能家居逐步进入网络化时代。它能提供照明控制、远程家电控制、安防报警、室内外遥控、自动窗帘、可编程定时控制等多种功能和手段，使人们的生活更加安全、舒适和便捷。

3.系统总体方案

3.1 系统总体结构及主要功能

系统主要由家庭智能控制模块、图像处理单元、ARM中央控制平台、Zigbee无线传输模块[4]、GPRS无线通信模块和因特网通信等部分组成，其总体结构简图如图1所示。

其中家庭智能控制模块主要包括智能安防报警模块、智能照明控制模块及空调远程控制模块。各控制模块通过Zigbee模块与ARM中央控制平台实现连接，组成一个星形家庭智能控制网络。同时，ARM中央控制平台可连接一个USB摄像头，实现对家庭环境的实时监控[5]。ARM中央控制平台通过GPRS和因特网实现与外部的连接，用户出门在外也可以随时随地的通过互联网或者手机对智能家居进行控制。

3.2 系统硬件架构

中央控制器采用了ARM920T S3C2400作为主控芯片，S3C2400内部集成的TFT/STN LCD触摸屏控制器主要用于传输显示数据和产生控制信号，支持屏幕水平和垂直滚动显示。该LCD接口利用S3C2440内部集成的LCD控制器，可直接和大多数TFT液晶显示屏直接相连，通过IIC接口利用IIC总线可以控制液晶显示屏的背光、对比度等，从而实现了人机交换界面的建立[6]。

Flash存储芯片可通过接口总线直接与S3C2400相连，用户可以在其内部存放系统启动代码、根文件系统及内核代码，从而形成随机存储器，用户可在Flash上执行启动代码，在SDRAM上执行主程序。系统硬件电路框图中与中央控制器相连的CC2430芯片为Zigbee无线传输芯片，负责传感器节点、控制器终端节点以及中央控制器的各种数据信息的接收和传输。

3.3 系统软件架构

系统主程序主要运用C语言编写，结合一些主要函数来实现各个模块对应的功能，如系统主程序的初始化、系统设置等。主程序主要由各子程序组成，包括Zigbee无线通信程序、GPRS无线通信程序、各终端模块控制程序等[7]。系统主程序流程图如图3所示。

4.各部分功能及构成

4.1 智能安防报警模块

图1 系统总体结构图

图2 系统硬件架构框图

图3 系统主程序流程图

此模块的作用是通过烟雾传感器对室内气体进行实时监测，若有异常则向中央控制器CC2430发送数据信息，以短信的形式向用户手机发送警报，从而起到安防的作用[8]。

烟雾传感器可以有效地检测环境中可燃气体或有毒气体的浓度，对家居中的安全隐患进行检测，从而防止火灾或事故的发生。针对家用可燃性气体如液化气或天然气等气体的检测，选择采用TGS813气敏传感器，TGS813传感器外观如图4所示。

图4 TGS813气敏传感器

4.2 智能照明控制模块

照明控制器采用AT89C51单片机做为控制芯片，与CC2430采用串口异步通信的方式进行信息的传递。模块结构框图如图5所示。

图5 照明控制系统结构框图

此部分主要由延时选择电路、光照检测电路、热释电传感器及处理电路、单片机系统和输出控制电路组成。工作时，光照检测电路和热释电红外线传感器采集光照强弱、室内是否有人等信息传输到单片机，单片机根据信息通过输出控制电路对照明设备进行开关操作，从而实现智能照明控制，达到节能的目的。并且，和空调控制器类似，本模块中Zigbee通信模块CC2430收发模块终端通过串口通信方式与照明系统控制器相连，从而用户用手机即可控制照明控制系统实现各种控制命令[9]。

照明控制模块选择AT89C51单片机作为终端控制，其系统硬件电路如图6所示。当外界环境光照强时，光敏电阻R13阻值较小则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R13阻值较大，则A点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否实现照明。

图6 照明控制系统硬件电路图

4.3 空调远程控制模块

此模块设计使用Zigbee通信模块CC2430通过串口通信方式与空调控制器相连，从而用户可以直接用手机即可控制空调主机实现各种控制。例如，在炎热的夏季，在回家之前提前半小时用手机遥控开启空调系统，使得到家后室温凉爽。

在当今空调品牌中，大部分都采用的HBS总线，因为一般的智能家居控制系统和HBS总线不兼容，所以想把空调加入到智能家居控制系统中需要通过单片机和HBS通信模块MM1192芯片连接从而实现智能家居对空调的控制[10]。

MM1192是由日本的MITSUMIG公司研发的专为HBS总线控制模块设计的一种解码译码芯片，其自身带有编码和解码电路，可与单片机直接相连。在设计单片机I/O控制口时，令P1口作为各种控制按键的控制口，不同的按键对应不同的控制功能，具体分为：开机、高温、低温、除湿、送风、制冷、加热、关机。控制状态的显示输出可利用P2口进行连接，当前的命令也可通过八个不同的LED发光二级管显示。

5.小结

使用ARM S3C2440和ARM-Linux系统构成系统的中央控制平台，实现对家居各种信息的检测和控制；利用无线短距离Zigbee通信模块建立家庭内部局域网络，实现中央控制平台与各职能控制器终端的无线通信；利用GPRS模块实现了对职能家居的远程监控，使用户无论何时何地都能通过手机了解家中的情况，并且对家电设备进行控制。

[1]田景熙.物联网概论[M].南京：东南大学出版社,2010.

[2]沈苏彬,范曲立,宗平,等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2009(6)：38-45.

[3]程秀华,缪希仁,谢礼龙.数字家居智能系统控制技术[J].低压电器,2007(4)：30-32.

[4]翟雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社,2011.

[5]闫哲,杜涛,左海利.智能家居控制系统的设计及实现[J].自动化技术及应用,2010,29(2)：93～96,98.

[6]苗硕.远程智能家居管理系统的研究与设计[D].西安：西安建筑科技大学,2006.

[7]CH ANDAK MB.Nature language process based context sensitive,content specific architecture & its speech based implememntation for smart home application[J].International Journal of smart home,2010,4.

[8]赵继春.基于GPRS无线智能家居安防系统的研究与实现[D].邯郸：河北工程大学,2007.

[9]余启家,殷瑞祥.基于ARM及GPRS的智能家居系统的实现[J].微计算机信息,2007,23(20)：119-121.

[10]孙琼.嵌入式Linux应用程序开发详解[M].北京：人民邮电出版社,2010.