一种智能家居物联网数据交互系统的设计

何谐，井新宇

（江阴职业技术学院 江苏 江阴214400）

一种智能家居物联网数据交互系统的设计

何谐，井新宇

（江阴职业技术学院 江苏 江阴214400）

针对传统智能家居物联网系统对网关过于依赖，造成系统不稳定的问题，设计并实现了一种新的数据交互方式。设计智能终端作为无线传感网的信息汇聚节点来与网关通信，并对执行机构进行自动控制。在家用平板Android系统基础上开发应用，以家用平板作为网关通过社区中心服务器向互联网发送信息。实验测得，该系统信息传输稳定，满足智能家居工程设计要求。

WSN；Android；智能家居；网关；CC2530

随着物联网技术的发展，基于无线传感网络（WSN Wireless Sensor Net）的智能家居系统已逐渐走进人们的日常生活，通过对传感器数据的采集和对执行机构的智能控制，物联网技术已在该领域得到了良好的应用[1-2]。然而，随着“互联网+”和“大数据”概念的提出，物联网与互联网加强数据融合的要求越来越迫切，而这也成为了目前智能家居物联网技术发展的重心。

传统物联网与互联网的数据交互方式是利用家庭网关作为汇聚节点，网关不仅要接收物联网中节点信息进行汇总，同时还要支持TCP/IP协议，作为服务器支持互联网上其他用户浏览信息。该传统系统结构对于网关过分依赖，网关工作内容颇为复杂，造成网关的可配置性、可移动性差，抗干扰能力下降[3]。

针对上述问题，本文提出一种新的智能家居物联网数据交互系统，提出利用家用平板作为网关，在WSN的后端、网关的前端增加一个智能终端作为汇聚节点来完成WSN和网关之间的数据交互，并对执行机构进行自动控制。

1　系统整体设计

在智能家居物联网系统的前端无线传感网络WSN中，传感器大部分应为开关型，如门磁、烟感、水浸、人体热释等，少数为数字量传输，如温湿度传感器、电量表等。执行机构为声光报警器、风扇、灯光等，且均可由继电器来控制，如图1所示。传感器节点与执行机构节点都以CC2530芯片为核心，组成支持ZigBee PRO协议的WSN网络。采用ZigBee通信方式，使得各节点可随意分散部署，非常适合智能家居应用场合[4]。

WSN网络的中心是协调器，它负责整个前端网络的调度，普遍采用的设计办法是由它连接平板网关的串口，而家用平板网关不具备串行口。因此，增加智能终端设备，协调器连接智能终端串口，智能终端作为信息汇聚节点，对来自协调器的信息进行分析，处理各传感节点的报警信号，并直接自动回送命令控制相应的执行机构。同时，将报警信息和处理结果通过蓝牙转发给平板网关显示，若平板网关有命令要发送到前端WSN网络，也必须通过智能终端进行转发[5-6]。

图1　智能家居物联网系统架构

而平板网关则和摄像头、社区中心服务器一起接入局域网。登录平板网关的Android APP可查看摄像头监控画面、报警信息提示、查询报警历史记录，并可通过平板网关对智能终端设定控制策略，平板网关还向社区中心服务器发送即时报警信息。社区中心服务器作为物业管理平台，向Internet上的其他客户端APP推送传报警信息，提供信息浏览。

2　WSN节点设计

WSN网络中各节点、协调器的核心处理器均为TI新一代SoC芯片CC2530，CC2530支持Z-StackTM网络协议栈。由于CC2530具有超低功耗的特点，温湿度、人体热释等传感器节点仅采用电池便可长时间工作[7]。

传感器节点结构如图2所示，采用接插的方式设计模块电路与底板，方便连接不同的传感器。CC2530主控与通信模块上设计有CC2530芯片的供电、晶以及通信电路外围，并将CC2530的未使用GPIO口引出通过底板连至传感器接口，这样，各传感器就可通过传感器接口将关键信号脚与CC2530 的GPIO口连接。

图2　传感器节点结构

执行机构统一使用工业级的485接口继电器模块来控制，如下图3所示为具有485接口的节点，CC2530主控与通信模块按MODBUS-RTU协议由串口发出指令，利用RS232-RS485转换模块转换为485信号来控制继电器[8]。由于电量表也具有485接口，遵循MODBUS-RTU协议，因此也可利用该节点结构，发出指令获取电量信息。节点结构如图3所示：

图3　具有485接口的节点

3　协调器与ZigBee组网设计

协调器电路由CC2530主控与通信模块、电源电路、按键电路以及串行口接口组成，串行口接口的TXD、RXD信号直接与智能终端的串口相连。

上电后协调器按约定的信道建立网络，采用树形拓扑结构。处在同一信道中的节点在初始化之后自动搜索网络，向协调器提交8字节MAC地址并发出入网请求[9]。协调器检查该节点的信息是否在网络缓存表中，若不在，则分配给节点一个网络地址，完成加入网络。

ZigBee组网规定各节点传感器和执行机构数据和命令均按照“数据帧头+节点MAC地址+数据值”的帧格式进行传输。在该格式中，“数据帧头”可表明该串为数据还是命令，“节点MAC地址”表明了具体节点的位置和功能，开关型传感器采集到的“数据值”为布尔量，485电量表和485继电器节点的“数据值”应为MODBUS-RTU数据串。协调器所有传输的数据及命令按该帧格式由其串口输出输入。

4　智能终端设计

4.1智能终端硬件设计

智能终端选择意法半导体公司的 STM32系列芯片STM32F103RB作为主控芯片，该芯片工作频率高达72MHz，内置高速存储器，在速度和容量上都是一款高性能单片控制器。该芯片是3.3 V低功耗供电，与CC2530电平兼容[10]。另外，STM32F103RB还具有三路串行口，其中，使用串口0连接ZigBee协调器，串口1与串口蓝牙模块相连，串口2作为配置串口，如图4所示为智能终端硬件结构。

考虑到该物联网智能家居系统工作时数据量不大，对实时速率要求不高，故设计时直接利用HC-05串口蓝牙模块与 STM32F103RB主控电路相连以简化软硬件的开发。STM32F103RB程序在开发时，无需了解底层蓝牙通信协议，只需用串行口收发信息即实现了与蓝牙无线信号的转化。串口蓝牙模块工作前需要使用AT指令作必要的设置，如串口波特率、蓝牙主从模式，蓝牙名称以及密码等，因此又将STM32F103RB的串口2设计为配置口，方便安装前通过该串口来对蓝牙或 ZigBee协调器做必要配

置[11]。

图4　智能终端硬件结构

4.2智能终端工作流程图

智能终端上电之后将先对3个串口进行初始化，然后等待接收配置串口2的配置，配置值会由主控STM32F103RB传送给蓝牙模块和ZigBee协调器，配置完成后设定智能终端进入工作模式。智能终端将循环接受WSN的传感信息，一边进行本地显示与自动控制，一边通过蓝牙向网关发出通知，其工作流程图如图5所示。

为实现智能终端对执行机构的自动控制，智能终端内部储存有自动控制策略。自动控制策略可由用户事先在网关上设置好，通过蓝牙发送给智能终端。因此，智能终端还将循环接收蓝牙传来的信息，并判断是控制策略的设置，还是网关对执行机构的直接控制命令[12]。

图5　智能终端工作流程图

5　平板网关Android APP设计

网关APP在家用平板Android4.0系统的基础上进行开发，开发工具是Eclipse，语言为JAVA。应用程序初始化后开启多个线程，首先利用Android4.0自带的蓝牙API，对蓝牙数据的传送进行监听，并利用线程间的通信，在Activity主线程内获取蓝牙信息内容进行处理并显示。应用程序还开启TCP通信线程，由Socket对象主动向局域网内社区中心服务器的IP地址发送传感器报警信息[13]。APP包括4个主要Activity：登录界面，监控界面、历史报警界面、控制策略设置界面。登录界面要求用户输入正确的用户名、密码以及监控摄像头IP地址，监控界面显示当前摄像头监控画面，以及节点信息弹出框。

6　系统性能测试

将该智能家居物联网系统安装到110 m2室内进行实地测试，按区域平均分散安装传感器节点和执行机构节点[14]。智能终端安装在中央位置，对智能终端进行配置，ZigBee统一信道为Channel 16，PANID为0x1120。将智能终端与网关进行蓝牙配对连接，并由平板网关对智能终端设定自动控制策略：当烟雾报警，打开风扇与声光报警器；当人体红外报警时，打开声光报警器和灯光；当门磁、水浸传感器报警，则打开声光报警器。1小时内，每隔5S随机选择某传感节点发送报警信息，网关报警信息丢失率以及对应执行机构自动控制响应率如表1所示，报警信息几乎全部收到。

表1　节点报警信息丢失率与自动控制响应率

网关平板APP监控画面和报警信息弹窗如图6所示。

图6　APP监控画面和报警弹窗

7　结束语

文中设计的智能家居物联网数据交互系统，增加一个智能终端减轻了网关的工作负担，利用家用平板作为网关，节约了成本。经实验测得，该系统实现简单、运行可靠，可有效应对非法闯入，火灾、水灾报警，远程监控，家庭温湿度远程采集和电量抄表，有助于智能家居物联网技术的进一步发展和推广[15]。

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[7]李正民，张兴伟，柳宏川.基于CC2530的温湿度监测系统的设计与实现[J].测控技术，2013.32（5）:25-28．

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[14]王进贤，王 泉，王 平，戴剑波.一种无线烟雾传感器节点的设计与实现[J].中国仪器仪表，2008（Z1）:133-136.

[15]吴 迪，徐卫林，覃玉良，等.基于Android的智能家居照明系统[J].电视技术，2015，39（18）:12-15.

Design of data exchange system of smart home based on IOT

HE Xie，JING Xin-yu
（Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214400，China）

Because of depending on gateway excessively，the traditional system of Smart Home based on Internet of Things （IOT）often works instability.In consideration of this case，a new kind of data exchange system is designed，using intelligent terminal as data gather module to communicate with gateway and control devices in wireless sensor net automatic.The paper also designs monitor APP on Android system of Household PAD which can be used as gateway connecting to community server PC to send message to internet.Experimental test shows that the system communicates stability and meets the design requirement of smart home.

WSN；Android；smart home；gateway；CC2530

TN925+.3

A

1674－6236（2016）22-0149-03

2016-03-17稿件编号：201603226

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201513137002Y）；江苏省信息融合软件工程技术研究开发中心开放基金项目（SR201302）；江阴职业技术学院科学研究项目（14EDZ37）；江苏省高等职业学校提升专业服务产业发展能力项目（JYZY2012010413）

何 谐（1982—），女，江苏江阴人，硕士，讲师。研究方向：物联网技术、智能控制。