基于物联网的智能家居控制系统

郝 娜

(石家庄职业技术学院 电气与电子工程系，河北 石家庄 050081)



基于物联网的智能家居控制系统

郝 娜

(石家庄职业技术学院 电气与电子工程系，河北 石家庄 050081)

以嵌入式微处理器为核心，将组态软件Kingview、无线传感技术、3G网络和ARM技术相结合，组建了一个家庭WEB网关平台，通过它将3G通信网络和家居内的无线传感网络相连接，实现对智能家居内多种设备的集中管理和控制.

Kingview； 3G网络； ARM技术； 无线传感器技术； 安全性

智能家居又称数字家园，即利用信息传感设备与家居生活中相关的家电、安防、水、电、气等设施集成，并通过互联网互联进行监控、管理和通信，构建的一个高效的住宅设施和家居管理系统.作为物联网应用的一个领域，智能家居管理系统利用先进的智能控制技术、网络通信技术、综合布线技术和计算机技术将与家居生活有关的各种设备组合在一起，实现对智能家居的监控和管理.本文以组态技术的发展为契机，以物联网的发展为背景，设计了一种基于组态软件Kingview、无线传感技术、3G网络和ARM技术的智能家居控制系统[1].

1 系统总体设计

根据智能家居管理系统的功能需求，将其分为四个子系统：一是环境监控子系统，将室内的温湿度、光照度等环境因素控制在一个适宜的范围内；二是安防监控子系统，监控室内的防盗、火灾、燃气泄漏等安全状况，一旦出现紧急情况系统将自动报警，且使执行机构产生相应的动作；三是远程抄表子系统，采集室内水、电、煤气的数据并进行显示，月底发送数据报表；四是供电控制子系统，供给家居内机电设备正常用电，并以家居内的温湿度、光照度、安防等为控制对象进行优化控制.同时，在设计时，兼顾系统之间的交互联动控制，在组态软件Kingview的基础上开发具有开放性的智能家居综合管理系统.

2 系统硬件设计

为实现上述智能家居的总体设计，采用无线传感网络通信技术ZigBee和嵌入式ARM技术构成家庭WEB网关平台，通过红外传感器、气敏传感器、湿敏传感器、温度传感器和无线智能插座等设备实现相应功能.本文仅选择其中两个具有代表性的子系统来介绍具体的设计情况.

2.1 环境监控子系统的设计

环境监控子系统主要包括温湿度和光照的检测两部分.温湿度检测是非常重要的一环，本设计选用数字式集成温湿度传感器SHT11来实现该功能.SHT11的检测精度能够满足家庭使用，其检测信号通过无线传感网络传送到家庭网关平台，通过家庭网关进行后续信号的处理.无线传感网络采用ZigBee技术.ZigBee这种新型的无线网络具有抗干扰、低功耗、易组网等特点，非常适合于物联网行业的需求[1].本设计中选用的ZigBee芯片为CC2430芯片，该芯片是世界上首款符合ZigBee标准的射频单芯片，其频率为2.4 GHz，由CHIPCON公司设计，它适用于多种ZigBee标准的无线网络节点以及与之相关的路由器、协调器、终端设备等.CC2430芯片集成度很高，只需较少的外围器件就可以组建一个完整的系统进行信号的接收和发送.连接电路如图1所示.在硬件电路的基础上配合相应软件就可以实现温湿度的采集和报警.

图1 温湿度传感器硬件电路

为了实现对温湿度的检测与控制，除了上述温湿度检测电路向家庭网关传送数据，还需要设计一个接收控制命令的执行机构，本文选用以标准CC2430模块为核心的智能插座，并在外围扩展继电器控制电路，根据开关命令实现继电器的通断电.继电器的通断电由CC2430的一个输出引脚控制.其电路如图2所示，当三极管由导通变为截止时，继电器线圈会出现较大的感应电势，为了保护三极管，在继电器两端反向串联一个续流二极管4148，以吸收该电势.

图2 智能插座硬件节点电路

2.2 安防监控子系统的设计

安防监控子系统主要负责监控室内的防盗、火灾、燃气泄漏等安全状况，其硬件结构如图3所示.

其中，气敏传感器负责进行燃气泄漏检测，本设计中选择QM-N5型气敏传感器，当其检测到燃气泄漏时，电导率迅速升高，将此信号放大后通过CC2430模块传送给主控器.热释电红外传感器是基于热电效应的红外传感器，其热电系数高于热电偶，由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成，通过配套的菲尼尔透镜，能够检测到一定范围内的人体辐射，进行防盗报警.火灾报警选用对烟雾敏感的气敏传感器来实现，当检测到烟雾时传感器的电阻值发生变化，输出相应的信号进行报警.

图3 安防子系统硬件电路结构

3 嵌入式网关设计

物联网网关是智能家居控制系统中非常重要的一环，它起着承上启下的作用，是连接服务器和终端设备的枢纽，且负责运营商网络和家庭内部网络的交互访问.用户对家居设备的远程控制和管理也需要通过物联网网关完成.

本设计的物联网网关采用S3C2440芯片作为主控制器.S3C2440是以ARM920T为核心的RISC微处理器，该芯片具有低功耗和高性能的特点，能够满足设计需求，其系统结构如图4所示.主控制器S3C2440和ZigBee模块、3G模块的连接通过USB接口实现.ZigBee模块不但完成主控制器与家庭内部无线网络的通信，还实现外网和内网的网络协议转换.3G无线上网模块采用E156G无线上网卡(华为)实现上网功能[2].

图4 家庭网关系统结构

4 监控界面设计

利用北京亚控科技发展有限公司开发的组态软件Kingview 6.53来设计监控界面.Kingview软件是用于过程控制和数据采集的专用软件，提供资源管理模式的操作界面，使用灵活，支持多种主流硬件设备，包括艾默生、欧姆龙、西门子等各厂家的PLC系列、智能仪表系列、智能模块系列、板卡系列等.Kingview软件具有较强的通信功能，并提供OPC接口、网络等功能，在国内市场占有很大的比重.

4.1 基于Kingview的设备驱动设计

Kingview把与之通信的设备都看作是外部设备.为实现与外部设备的通信，Kingview内置了大量设备的驱动程序作为通讯接口.Kingview软件运行期间，通过驱动程序和外部设备收发数据.每一个驱动程序都是Kingview软件的一个COM对象，这种通信方式使驱动程序和Kingview软件组成一个完整的系统.Kingview软件驱动程序是其与硬件设备连接的枢纽，本设计中的通信协议采用小端模式，即默认数据格式为低字节数据在前，该协议定义了光强感测设备、灯光控制设备、温湿度检测设备、电能检测设备、人体检测设备、燃气泄漏检测设备、智能插座、幕布控制设备共八类设备.

利用驱动加载工具把驱动加载到Kingview软件中分为三步：第一步，给该驱动配置一个描述文件(扩展名为.des)，该描述文件不能单独使用和操作，只能配合驱动文件一起安装使用；第二步，在建好.des文件后利用驱动开发包工具加载安装驱动；第三步，打开Kingview的工程管理器，点击设备，然后点 “新建”，出现设备配置向导，在设备驱动一栏即可看到新加载的驱动[3].

4.2 基于Kingview的监控界面设计

监控界面是使用者操控底层设备的界面，通过监控界面可以实现对家居设备的全面检测与实时控制，利用Kingview开发工程的一般过程如下：设计图形界面，即定义画面；定义设备；构造数据库，即定义变量；建立动画连接；运行和调试[4].本设计的监控界面运行图如图5所示.

图5 物联网家居监控界面

5 结语

本文设计的基于物联网的智能家居控制系统，与其他智能家居系统不同，不但可以实现家居内电气设备之间的互联互通，还可以将整个家居系统中的设备通过3G网络连接至互联网，并利用Kingview软件在上位机层面开发监控界面，实现了对智能家居系统整体的实时监控和管理.试验表明，本文所设计的系统可靠性高，协议转换效率高，抗干扰能力强，具有很好的通用性，适合在智能家居系统中应用.

[1] 易强.基于3G和ZigBee的智能家居无线传感网络系统设计与实现[D].广东：广东工业大学，2012.

[2] 苗瑞瑞.基于3G网络的远程监控系统研究与实现[D].江西：江西理工大学，2011.

[3] 赵慧.基于组态软件的物联网智能家居系统监控软件的研究与实现[D].郑州：郑州大学，2012.

[4] 北京亚控科技发展有限公司.Kingview组态王6.53使用手册3.0[M].北京：北京亚控科技发展有限公司，2007：31-53.

责任编辑：金 欣

The IOT-based smart home control system

HAO Na

(Department of Electrics and Electronics, Shijiazhuang Vocational Technology Institute, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

The Kingview, ZigBee wireless sensing technology, 3G network and ARM technology are combined to design a home gateway with an embedded microprocessor.The gateway connects 3G and ZigBee networks in the home, and realizes the centralized management of information appliances.The user can do the status query and control management of household appliances by the remote PC or smart phone.

Kingview; 3G network; ARM technology; wireless sensing technology; net security

2015-05-04

郝 娜(1982-)，女，河北辛集人，石家庄职业技术学院讲师，研究方向：自动检测技术.

1009-4873(2015)04-0030-04

TP273.5

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