基于物联网技术的智能家居监控系统

孙月驰　李冠　平伟

摘要：

传统家居环境普遍存在布线困难、建设及维护费用高昂、未实现实时监控、接收报警信息不准确等问题，提出了一种针对基于物联网技术的智能家居监控系统。该系统以A8系列处理器与CC2530为核心，利用通信技术、网络互联技术，通过感知层的温湿度、烟雾浓度、光照强度、红外感应等传感器监测室内环境信息；通过继电器对室内电器设备进行操控以调节室内环境；协调器中转传送数据，根据多源信息进行协同分析，对异常事件进行智能信息判断并执行预定义联动响应，在客户端实时显示住宅内环境变化并远程控制。实际应用显示，该系统在系统部署、智能信息处理以及智能化控制方面具有较大的灵活性、良好的扩展性，能及时预警。

关键词：

智能家居；智能信息处理；监控；物联网

DOIDOI：10.11907/rjdk.172340

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）003014204

英文摘要Abstract：This paper presents a kind of intelligent home monitoring system based on the Internet of Things technology， which is difficult to solve the wiring， difficult to build and maintain， and can not be realtime to monitor and receive the alarm information is not accurate. The system uses the A8 series processor and CC2530 as the core， and uses the communication technology and the network interconnection technology to monitor the indoor environment information through the sensors such as temperature and humidity， smoke concentration， light intensity and infrared sensor. The relay is used to control the indoor electrical equipment adjust the indoor environment； coordinate transfer data transmission， according to multisource information for collaborative analysis， the abnormal events to determine the intelligent information and the implementation of predefined linkage response， and realtime display in the client residential environment changes and remote control. The practical application shows that the system has great flexibility， good expansibility and timely warning in system deployment， intelligent information processing and intelligent control.

英文關键词Key Words：smart home； intelligent information processing； monitoring； Internet of Things

0引言

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、自动控制技术等，兼顾自动化和智能化为一体的高效、安全、便利的家居环境。随着物联网技术日趋成熟，智能家居设备受到广泛关注。开发成本低、移动性强、扩展性更好的智能家居系统是当前亟需解决的问题[1]。

本文结合住宅的实际需求，提出了一种基于物联网技术的智能家居监控系统。系统包括4大功能模块：信息采集模块、信息传输模块、信息处理模块及信息反馈模块，设计中各部分相对独立，具有较高的可扩展性、可维护性和应用性。本系统与传统家居系统相比，规避了反复的架构设计和产品研究，更大程度上减少了支出，具备低成本、高性能、高拓展性等特点。

1需求分析

大数据时代，智能家居以用户需求为核心，以家庭、办公等场所为使用平台，配合家电、影音、灯光等智能产品，实现安防、监控等功能，形成一个综合、智能的系统，让越来越多的用户了解并使用智能家居产品，体验并享受智能家居生活带来的方便、高效与安全[2]。

1.1功能性需求

智能系统的网络化功能能够实现家电（空调、热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能。智能家居控制系统操作方便、功能灵活、安装便利，面向的用户群体广泛[3]。

1.2系统界面功能

1.2.1登录界面

该模块中，需要通过验证正确的用户名及密码才能显示登录成功。

1.2.2注册界面

需输入正确的用户名及验证两次密码，方可完成注册[4]。

1.2.3客厅界面

客厅界面包括温度、CO2浓度、光照强度等参数采集传感器，通过参数设定控制窗帘，调节室内光照大小。根据房间的理想居住环境可以设置预警参数、查看历史数据、报警信息等。

1.2.4主卧室界面

主卧室界面包括温度、光照强度等参数采集传感器，通过参数的设定控制室内灯具开关，调节室内光照大小。根据房间的理想居住环境可以设置预警参数、查看历史数据、报警信息等。

1.2.5次卧室界面

次卧室界面包括温度、CO2浓度、光照强度等参数的采集传感器，通过参数设定控制室内灯具开关，调节室内光照大小，通过风扇调节室内温度。根据房间的理想居住环境可以设置预警参数、查看历史数据、报警信息等。

1.2.6厨房界面

厨房界面包括温度、CO2浓度、烟雾浓度、光照强度、火焰大小等参数采集传感器，通过数据及时了解厨房情况。根据房间的理想居住环境可以设置预警参数、查看历史数据、报警信息等。

1.2.7洗手间界面

洗手间界面包括温度、CO2浓度、烟雾浓度、光照强度、火焰大小等参数采集传感器，通过数据及时了解洗手间情况。根据该房间的理想居住环境可以设置预警参数、查看历史数据、报警信息等情况。

1.2.8阳台界面

阳台界面包括温度、CO2浓度、烟雾浓度、光照强度等参数采集传感器，通过数据及时了解阳台的情况。根据该房间的理想居住环境可以设置预警参数、查看历史数据、报警信息等情况。

1.2.9预警记录界面

预警记录界面能够查询某个时间段、时间点的预警记录，以及CO2浓度超过预设值的报警记录，此外还可显示报警记录条数。

1.2.10预警配置界面

预警配置界面能够对各个房间的所需参数进行设置。高出预设值，出现告警记录并记录在预警记录界面，系统会根据具体情况进行预警处理。例如：系统会自动关闭灯具或拉上窗帘。

1.2.11参数历史纪录界面

参数历史纪录界面能够查询某个时间段、时间点的历史数据，数据通过折线图的方式从数据库中读取，显现房间参数的走向，根据数据调節室内参数，使室内环境更加宜人。

2系统结构设计

本方案主要利用山东微分电子科技有限公司所提供的平台及各种传感器，设计制作一款智能家居控制系统样机。实验样机设计包括：裸机程序烧写与调试，控制软件编写与调试。

2.1ZigBee协议架构设计

协调器的作用是负责搭建网络架构及维护网络。在协调器建立网络成功后，其网络地址、簇ID、网络编号以及传输通道等信息即确定下来，随后协调器进入空闲状态，等待其它节点加入。若接收到节点入网申请，则允许其加入网络并分配网络地址等信息。当加入网络成功后，终端节点将进入应用层处理函数[6]。

ZigBee终端节点程序依照每个节点实现的功能进行设计。例如CO2浓度采集终端节点，当接收到信息，首先对信息进行解析与判断，若判断出收到的命令为CO2浓度采集，则立即调用相应的采集程序，然后将采集的信息进行处理，发送给协调器，协调器通过A8网关发给服务器[7]。

ZigBee终端节点程序流程如图1所示。

2.2设备类型及原理

2.2.1协调器（coordinator）

可以理解为网络拓扑的发起者。一个Zigbee网络对应一个Zigbee协调器，首先协调器会选择一个信道和网络标识（PANID），再组建一个网络。协调器在整个网络中具有最高权限，它意味着网络的开始，同时也是网络的维护者[8]。

2.2.2路由器（router）

可以理解为网络拓扑的拓展者。路由器支持并实现其它节点的消息转发功能。

2.2.3终端（end）

Zigbee终端节点不能转发其它节点消息，是一种用来执行数据采集传输的设备。终端依靠与协调器或路由器相连接构成网络节点。部署在监测区域内的多个传感器节点组成无线传感器网络，通过无线通信方式形成多跳的自组织网络[9]。ZigBee在目前无线传感网中使用较多，具有近距离、低功耗、低数据速率、高可靠性等特点。

基于ZigBee技术的无线网络拓扑结构，大多数情况下采用星型、树型、网状、对等网络拓扑结构[10]。

星型拓扑结构如图2所示。

2.3硬件部分

网关、协调器、温湿度传感器、光照传感器、烟雾传感器、CO2浓度传感器、继电器以及电动机驱动模块、LCD显示器这8大部分构成了系统硬件部分。对于温度传感器、光照传感器、烟雾传感器、CO2浓度传感器，通过读取它们的状态进行相应数据的采集。ZigBee传感网络采集传感器数据，将采集到的数据汇聚至网关，通过移动网络或无线网络发送至服务器上，监控人员通过移动端与浏览器端查看各个节点的数据，借助上位机软件向传感器节点发布指令，实现对传感器节点的控制[5]。

2.4PC机软件部分

利用PC机软件设计登录界面、主界面、客厅界面、主卧室界面、次卧室界面、厨房界面、洗手间界面、预警配置界面、预警记录界面等，通过软件实现各模块功能，系统功能如图3所示。

3系统实现

3.1微信公众平台实现

个人微信公众平台：系统网关通过无线通信，接收传感器采集的相关数据，比如温度值“26”，然后向服务器提交请求，请求中包括传感器ID、密码、提交的数据等参数。服务器核实后，把传递上来的值写入相应的数据库中。当用户需要这些数据时，通过微信发送命令，比如“主卧室温度”，后台服务器判断后，从数据库中查询相应的传感器记录，提取传感数据，通过预设的反馈消息格式反馈到用户端。

本系统用户可以使用PC机或智能手机，通过网线或WiFi，经过网关对各传感器进行数据的收集或监控。系统结构如图4所示。

3.2Web客户端实现

智能家居控制系统为一个合理利用计算机技术、人工智能技术、即时通讯技术、综合布线技术，以及与家居生活有关联的各种子系统高效地结合在一起，通过合理分配、统筹管理，使家居生活变得更加有序、便利的平台。系统主界面如图5所示。

3.3模块功能实现主要代码

系统配置如下：

硬件环境： CPU： Intel Core i5-2450M ；硬盘：10G及以上；内存：256M及以上。

软件环境：SQL Server2000+Sp3或SQL Server2005以上数据库；应用性软件：C#；操作系统：Windows XP及以上。

3.3.1系统采集数据时间间隔实现

住宅环境信息采集数据时间间隔实现代码：

System.Timers.Timer t = new System.Timers.Timer（3000）；//实例化Timer类，设置间隔时间为10000毫秒；

t.Elapsed += new System.Timers.ElapsedEventHandler（theout）； //到达时间的时候执行事件；

t.AutoReset = true；//设置是执行一次（false）还是一直执行（true）；

t.Enabled = true；//是否执行System.Timers.Timer.Elapsed事件；

3.3.2自动调节光照强度实现

系统实现对灯具的自动开关，自动调节室内光照强度，主要代码如下：

public void theout（object source， System.Timers.ElapsedEventArgs e）

{

loadinfo（）；

if （Convert.ToInt32（numAlarmLightLess.Value） > Convert.ToInt32（textBox1.Text））

{

string[] 开灯 = sm.getOrSetSwitch（"192.168.1.230"，"51000"， "101"， ""， ""， ""， "3"， "1"）；

}

else

{

string[] 关灯 = sm.getOrSetSwitch（"192.168.1.230"，"51000"， "101"， ""， ""， ""， "3"， "0"）；

}

3.3.3光照强度数据采集实现

系统对光照强度实现自动采集，主要代码如下：

public void loadinfo（）

{

SensorMicrosec sm = new SensorMicrosec（）；

string[] 光照強度 = sm.getLight（"192.168.1.230"，"51000"， "3"， ""， ""， ""）；

if （光照强度[0] == "success"）

{

textBox1.Text = 光照强度[1]；

}

}

4结语

利用物联网技术搭建的智能家居监测系统，实现了Web客户端及智能手机微信公众平台相结合，组成了完善的多平台智能家居监控系统。通过不断地实时监测和运行，该系统能够保证实现自身功能，并提供良好的智能家居服务。完成注册后用户可以用手机移动端或电脑端访问该系统，实时掌握家居环境动态。可通过客户端对该系统发布指令进行控制，从而实现多平台的人机交互。智能家居监控系统布线简单、功能稳定可靠，既能满足传统的家具生活，又能体验到网络化带来的高品位生活，实用价值高[1]。

参考文献参考文献：

[1]殷贤华，刘明缘，王宁.基于Raspberry Pi的智能家居系统设计[J].现代电子技术，2016（23）：161164.

[2]张永刚.智能家居产业现状和发展趋势[J].智能建筑与城市信息，2014（8）：2024.

[3]李相敏.基于物联网的智能家居管理系统[J].福建电脑，2015（12）：99100.

[4]孙会民.基于物联网ZigBee技术的智能家居监控系统[J].软件导刊，2016（9）：9799.

[5]赵小强，雷雪，冯勋.基于ZigBee/3G的物联网网关系统[J].西安邮电大学学报，2015（1）：2429.

[6]赵丽.基于ZigBee技术的智能家居系统研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2011.

[7]苏智华.智能家居控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2015（10）：235241.

[8]吴志海.ZigBee技术在智能家居协同控制中的应用[N].电子报，20130825（012）.

[9]魏琴芳，程利娜，付俊，等.Josang信任模型的物联网感知层安全数据融合方法[J].重庆邮电大学学报：自然科学版，2016（6）：876891.

[10]边晶，杜威.基于ZigBee的智能公交系统无线传感器网络拓扑结构探究[J].长春理工大学学报：自然科学版，2016（4）：135142.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）