智能家居管理系统

史传宝，李卫兵,2，王克会，刘玉彬

（1.滨州学院 物理与电子科学系，山东 滨州 256600；2.滨州学院 航空信息技术研发中心，山东 滨州 256600）

智能家居管理系统

史传宝1，李卫兵1,2，王克会1，刘玉彬1

（1.滨州学院 物理与电子科学系，山东 滨州 256600；2.滨州学院 航空信息技术研发中心，山东 滨州 256600）

系统结合智能家居节能、安全、自动化的特点，设计了智能家居管理系统。利用无线路由器实现局域网和外网监控，在电脑端和手机端上利用上位机进行远程视频观看和控制家用电器，通过GSM发送短信对家电进行控制，并能实现家居安全监控。该系统具有户外防盗监控和户内照明自动控制功能,测试效果良好,具有实际应用价值。关键词：智能家居；无线路由；GSM；远程视频监控

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。本系统结合智能家居节能、安全、自动化的特点，设计了以STM32F103RBT6单片机为控制核心智能家居管理系统。摒弃了高费用的无线3G视频，利用无线路由器实现局域网和外网监控，只需要连接wifi网络或外网，在电脑端和手机端上利用上位机进行远程视频监控和家电控制。

1 系统总体设计方案

本系统利用无线路由器实现局域网和外网监控，需连接wifi网络[2]或外网，在电脑端和手机端上利用上位机进行远程视频监控和家电控制，通过控制舵机转动进而控制视频云台多角度查看。震动传感器在门被破坏和碰撞时都会报警，GSM也会发送短信通知主人，主人可以立即利用相应的上位机查看家里的视频信息，实现实时监控。系统还设计了门禁管理子系统，用户刷卡进入，同时用户还可以通过GSM控制电磁锁来控制门的开关。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统的总体框图Fig. 1 Overall block diagram of the system

2 电路设计

2.1 主控制器模块

系统采用STM32F103RBT6单片机控制STM32F103R T6的核心是ARM32位的CortexTM-M3 CPU，最高72 MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25 DMips/MHz(Dhrystone 2.1)，采用了单周期乘法和硬件除法，这就使得它的处理速度非常快。它的存储器是从256 K至512 K字节的闪存程序存储器，有高达64 K字节的SRAM和带有4个片选的静态存储器控制器，并支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器并行LCD接口，兼容8080/6800模式。外部时钟系统采用8 M晶振，内部时钟系统采用8M RC振荡器，40K RC振荡器和可校准32K RTC振荡器。STM32供电电压是2.0～3.6 V，典型电压是3.3 V。它有84个中断源，16内核68个外部，16级可编程中断优先级，实时响应外部中断，映射至几乎所有I/O口。它有多达4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入[3]。

2.2 视频无线传输模块

2.2.1 局域网视频无线传输模块

把普通的无线路由器通过刷入开源的Openwrt系统，使之成为一个运行了Linux系统的小电脑，Openwrt系统就是从思科的路由源码改造过来的，一个适用于某些特定芯片的路由器的小型Linux系统，有了这个系统，我们的路由就不再是上网那么简单了，我们可以在上面安装各种程序、驱动，以路由为平台，用户可以自由地加载USB摄像头、网卡、声卡、等等设备。我们就是将其加载了USB摄像头，我们利用路由器上的程序把USB摄像头的视频进行编码，然后通过wifi返回给上位机，这样，我们就可以从上位机上看到来自摄像头的视频了。同时路由一般都预留有TTL串口，TTL串口是用来调试或者刷机用的，我们把这个TTL串口引出来，然后通过安装在路由里面的Ser2net软件，就能把来自WIFI信道的指令转到串口输出，而串口在这里的作用就是与单片机芯片MCU通信，让单片机知道用户要让他做什么动作。局域网视频无线传输图解如图2所示。

2.2.2 外网视频无线传输模块

外网控制的基本原理就是“端口映射”+“动态域名”。就是在家里的无线路由器上做一个设置，使得外网对于路由器上一个特定的端口的访问会被路由器重新转到一个指定的IP主机和端口，这样一来，家里的无线路由器就等于是一个“桥”，联通了外网和摄像头上面的路由，使得我们可以在外网控制家居。

图2 局域网视频无线传输图解Fig. 2 LAN Wireless Video Transmission diagram transmission

本系统选用 WE-F153中星微301摄像头，130万像素，动态分辨率为640×480，最大视频传输速率为60帧/秒，色彩位数24位，接口夜视发光二极管,有效距离为2 m(线控）, USB电缆长 1.5 m，360度可调。外型尺寸:35mm×75mm×57mm，重量为150 g。经测试该款摄像头视频传输流畅，完全满足设计需要。外网视频无线传输图解如图3所示。

图3 外网视频无线传输图解Fig. 3 Network video wireless transmission diagram

2.3 GSM远程控制模块

GSM模置了移动通信网络的SMS（短消息）及GPRS（通用分组无线业务）协议[4]，对外接口仅为一UART串口。使用单片机编写AT指令程序，即可通过GSM模块发送短信和打电话，也可以给GSM模块发送短信和打电话[5]，从而与GSM模块相连接的单片机接收到指令信息作出相应的指令动作。开发难度适中，有利于实现。GSM模块的的工作电压是5 V，因为他的工作电流峰值在1.3～2 A 左右。GSM模块的指令与作用功能表如表一所示，GSM模块与单独与STC11单片机连接电路如图4所示。

图4 GSM模块与STC单片机连接电路Fig. 4 The GSM module and the STC microcontroller circuit

2.4 外围电路设计

2.4.1 震动传感器电路

801 S ANT-801S 振动传感器的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。振动传感器电路如图5所示。

图5 振动传感器电路Fig. 5 Vibration sensor circuit

2.4.2 电磁锁

该模块由单片机控制继电器，进而实现控制电磁锁，实现门的开与闭。当系统收到开门或关门的指令后，单片机控制继电器开或闭，通电时电磁锁会产生强大的吸引力，断电后磁力消失，门就打开了。

3 软件设计

3.1 系统流程图

系统中电脑端和手机端可通过上位机进行视频监控，通过控制舵机的运动可控制摄像头360度转动。RFID射频模块采集磁卡信息，显示在液晶上，并把本系统的磁卡信息通过GSM发送给用户，用户又可以用手机发送控制指令控制电磁锁闭合或断开。震动传感器用来检测房屋安全，出现剧烈震动或房门遭到破坏时，系统通过GSM给用户发送报警信息。系统流程图如图6。

图6 程序流程图Fig. 6 Program flow chart

3.2 系统的上位机

智能家居管理系统的上位机有两个。两个上位机都可运行在电脑端和手机端。上位机实现局域网和外网的视频监控，控制家电设备和摄像头的上下左右的移动。其页面如图7所示。

4 结 论

图7 智能家居管理系统上位机Fig. 7 The upper monitor of intelligent home furnishing management system

本系统在局域网内可以用手机端及电脑端查看视频信息，又可以通过路由的以太网接口实现与外网的连接，完全达到我们需要的效果。RFID射频门禁系统符合设计需要，操作简单，读卡无延迟，对本系统的磁卡识别率高，无错读及漏读现象。GSM短信控制成功率高，信息发送即时系统整体运行情况正常。但是视频传输时还无法传输音频信息，GSM模块工作时需要较大电流，功耗较大，系统缺少断电保护功能，系统还需要不断改进。

[1] 郑娴,姚铭.智能家庭网络的研究现状与发展趋势[J].智能建筑与城市信息,2006(8):109-112.

ZHENG Xian, YAO Ming. Intelligent family network status and development trend of [J].intelligent Building and City Information,2006(8):109-112.

[2] 余海,曹蕾.基于WIFI的无线网状(Mesh)组网技术[J].现代电子技术, 2011,34(10:121-122.

YU Hai, CAO Lei. Wireless mesh networking technology based on WIFI [J].Modern Electronic Technology,2011,34(10):121-122.

[3] 李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[4] 刘婷,胡玉娟,孟庆伟.家庭无线路由器的设置与调试[J].信息技术,2012(6):31-32.

LIU Ting,HU Yu-juan,MENG Qing-wei.The setup and commissioning of home wireless router [J].Information Technology,2012(6):31-32.

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[6] 刘主链,宋跃,何志辉,等.无线模块与GSM实现的智能远程家居控制系统[J].计算机测量与控制, 2011,19(9):2133-2135.

LIU Zhu-lian,SONG Yue,HE Zhi-hui,et al.Control system of smart and remote home based on wireless and GSM module[J].Journal of Computer Measurement and Control,2011,19(9):2133-2135.

Intelligent home furnishing management system

SHI Chuan-bao1, LI Wei-bing1,2, WANG Ke-hui1, LIU Yu-bin1
（1.Department of Physics and Electronic Science of Binzhou University, Binzhou 256600, China;2. Aviation IT R&D Center, Binzhou University, Binzhou 256603, China）

The system combines the characteristics of intelligent home furnishing energy saving, safety, automation,intelligent home furnishing design management system. LAN and WAN monitoring using wireless router, remote video watching and controlling household appliances by using PC computer and mobile phone in the end end, through the GSM to send SMS to control home appliances, and can realize the home furnishing security monitoring. The system has the outdoor anti-theft monitoring and Touchi Terua automatic control function, the test result is good, has the actual application value.

Intelligent home furnishing; wireless routing; GSM; remote video surveillance

TN914

A

1674-6236(2014)03-0136-03

2013–06–11 稿件编号：201306071

国家级大学生创新创业训练计划项目(201210449102)

史传宝(1990—)，男，山东商河人。研究方向：电子信息科学与技术。