物联网智能家居系统的设计

周丽荣

吉林化工学院，吉林吉林 132102

0 引言

智能家居又称智能住宅，在国外常用Smart Home 表示[1]。近几年，物联网智能家居系统在国内的发展已经全面展开。物联网技术通常要用到计算机、无线网络通信（如ZigBee 技术）、综合布线、智能控制等技术，可以促进智能家居的发展，使智能家居更加安全、舒适且方便管理[2]。

1 总体设计思想

本文设计的智能家居系统是一种物联网控制系统，在这里先对物联网络控制系统的结构进行分析，这个物联网控制系统主要是由局域网和互联网两个部分组成，其结构如图1 所示。物联网技术的出现加快了智能家居发展的脚步，智能家居的发展也使物联网技术的应用得以推广。

图1 物联网控制系统结构图

而本文所设计的智能家居系统是在物联网控制系统基础上建立起来的，所以本文所介绍的物联网智能家居控制系统主要也是由互联网和局域网两大部分组成[3]。互联网这一块通常有计算机、远程客户端服务器、手机和远程监控页面等；局域网这一块有末端数据采集装置，末端控制设备和家庭智能网关。

本文在对智能家居系统进行设计时，所选择的硬件从两个方面去考虑，一个是成本，一个是性能。这里从嵌入式入手，因为嵌入式技术现在的发展现状很好，有很好的性能，更强大的作用，可靠性稳定性也更好。网络连接方式分成有线和无线两种。

网络通信上采用ZigBee 网络，其具有双向通讯的能力，非常适合用在安防报警等模块，布线简单，便于安装也能够节约成本，且ZigBee 可以与其他的模块或设备很好的兼容。智能家居系统的设计结构图，如图2 所示。

图2 智能家居系统设计结构图

本设计中所涉及的监测目标有：温度检测，湿度检测，室内气体成分的检测，红外探测（有非法入侵时可以及时发出警报），视频监测（便于主人在外工作时掌握家里的情况）。

软件选择上要以降低软件的开发周期为目标，多使用库函数，编写程序时多采用模块化，本文不多做介绍。

3 硬件构成概述

硬件主要有两大模块：中央处理器模块和通讯模块，对这两个模块在硬件选择上作了如下的分析。

本文选用的微处理器MCU，是ARM cortex-M3 处理器，是一个32 位的核，它最大的优势是成本低、耗能少。最终选用的是STM32F103VET6，是增强型，是32 位基于ARM 核心的带闪存、USB、CAN 的微控制器，有7 个16 位定时器、两个ADC、9 个通信接口。2.0 ～3.6V 供电电源，功耗低，有睡眠、停机和待机三种模式。电压调压器有主模式（MR）、低功耗模式（LPR）和关断模式三种操作模式，在正常运行时是处于MR 模式；停机时处于LPR 模式；待机时处于关断模式，这时的调压器以高阻状态输出，无能耗。其实物图与管脚图如图3（a）、（b）所示。

图3 STM32F103VET6 的实物图与管脚图

通讯模块主要有：Zigbee 模块是局域网之间进行互联的模块；GPRS 模块是互联网和局域网之间进行互联的模块[4]。Zigbee 模块使用可编程Zigbee 模块XBee-PRO ZB，最大发射功率是50mW，决定着发射距离长短。XBee-PRO 模块内部有发射（RF TX）缓冲器和接收（RF RX）缓冲器，每一个缓冲器提供100bytes 暂时停靠的地方，数据可以从两个方面同时抵达，即发射数据来自UART 及接收数据来自RF 链路经天线而来。

根据需求选择GPRS 模块，一是系统中有大量的无线传感网络节点，二是能耗，最终选择了SIMCOM 公司的SIM900A 芯片，是GSM/GPRS 模块，用SMT 进行封装，性能强大，可内置客户应用程式。具有以下特点：只有24*24*3mm 的尺寸，非常小；便于客户生产加工；功耗低，待机模式电流低于18mA、sleep模式低于2mA；支持GSM（900 MHz）/CPRS（1800MHz）的频段；语音编码，支持半速率、全速率、增强型速率；单电压供电方式，范围为3.4V-4.5V；省电，因为在SLEEP 模式下电流1.0mA；支持SIM 卡，1.8V、3V；支持实时时钟；可以通过AT 命令设置定时功能；可以通过调试口对软件进行升级。其顶视和底视图如图4 所示。

图4 SIM900A 顶视和底视图

本设计主要使用无线的网络连接方式，实现时会用到大量的传感器，如对室内温湿度进行监测的传感器、对室内气体进行监测的气敏传感器等，各传感器就是一个简单的功能模块，而室内还有一些智能家电或智能装置，传感器或家用电器尽量都通过无线组网的方式和末端采控节点连接[5]。末端采控节点有：末端采集节点，对数据或信息做收集、处理和传输等工作，并且有些节点具有路由的功能，对其他的节点传输过来的数据进行存储和管理；另一种是末端控制节点，接收上层网络传输来的控制指令，要求控制节点可以做决定，且自身集成的继电器能够驱动执行部件对该指令做出反应。整个系统还需要将收集到末端采控节点发送过来的数据利用一个传输网络送到移动基站上，由网关来完成[6]。那么根据各节点所实现的功能不同也可以把系统分为末端采控节点、家庭网关节点、远程监控页面三大模块。

本文对智能家居系统的整体设计方案作了简单的介绍，重点说明设计中所用的一些硬件设施：STM32F103VET6、Zigbee模块XBee-PRO ZB、SIMCOM 公司的SIM900A 芯片。还对网络连接方式作了一个简单的介绍，若对整个系统进行深入研究，物联网智能家居系统会实现人们对住房智能化的更高的要求。

[1]中国智能家居网.http：//www.smarthomecn.com/.

[2]贾雯杰.物联网与智能家居发展浅析.科技与生活，2010，13：119.

[3]李鸿.几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较[J].现代电子技术，2010，3：143-146.

[4]周雷.融合GPRS技术的ZigBee无线网络[J].通讯电子技术，2010，47：6.

[5]于晅.基于GPRS和ZigBee技术的[5]智能家居解决方案的研究.贵州：贵州大学，2007.

[6]Deborah E.Wireless Sensor Networks Tutorial PART IV： Sensor Network Protocols[C].Atlanta, Georgia, USA： Westin Peachtree Plaza，2002：23-28.