基于物联网的智能家居控制系统设计与实现

王卿斌

摘要：由于科学技术的进步，“智能”渐渐融入到人们的生活当中，从智能手机的诞生到现在智能家居的开发，智能产品在人们生活中越来重要。基于人们的需求，于是造就了智能产品广阔的市场。智能家居的设计便具有了重要意义，一种好的设计思路就显得尤为重要了。本文就模块化设计思路在智能家居控制系统中的应用进行了探究。

关键词：智能家居；物联网；以太网；RS-485；ARM；GPRS

中图分类号：TP273文献标识码：A

1系统整体结构

系统主要分五个部分组成，供电部分：供电部分为智能家居控制系统室内系统部分供电。系统远程通信部分：系统远程通信部分主要是通过Internet进行远程控制家居设备。中央控制器：中央控制器是智能家居控制系统的核心部分，中央控制器接收由各个功能子模块采集到的数据信息然后对采集到的数据信息进行处理分析，并根据分析的数据做出相应的指令。功能子模块：每个功能子模块实现自己特定的功能。系统室内通信部分：系统室内通信部分主要是各功能子模块与中央控制器之间的通信，选择的无线组网技术是ZigBee无线技术。

2各模块的硬件设计

2.1STM32F407最小系统

STM32F407单片机是意法半导体有限公司生产的一款低功耗、基于ARM内核的高性能32位微控制器，具有1MBFlash、192+4KbytesRAM、80个I/O接口线、看门狗定时器、3个ADC、2个DAC、串行接口、外存接口、实时时钟、以太网MAC、照相机接、CRC计算单元和模拟真随机数发生器在内的整套先进外设。任何一个处理器都必须拥有一个最小系统才能正常工作，我们所设计的STM32F407最小系统包括一个25MHz晶振电路和一个PowerOnReset电路.

2.2网关节点硬件设计

网关节点在ZigBee网络中也充当协调器的作用，主要负责无线数据的汇聚以及ZigBee网络与互联网的连通。图2为网关节点的硬件框图，网关节点由CC2530芯片、ARM芯片、电源和网卡模块组成。内部网络中，网关节点需要负责家庭局域网中无线网络的建立并完成对终端节点数据的融合和处理，通过CC2530片上系统来实现与终端节点之间的通信。外部网络中，网关节点通过网卡与家庭中的路由器互联，使之接入互联网。网关节点硬件较复杂，在网络通信环节作为因特网与ZigBee网络之间的中介，承担着重要的功能。本文用ARM系列处理器来实现CC2530芯片与网卡之间的硬件连接，实现两个异构网络的协议转换。

2.3红外测温传感器硬件设计

在厨房用煤气灶烧水时由于离开厨房去做其它事情，往往会忘记正在烧水而引起事故，本设计中利用红外线采集模块实时采集水壶中水的温度，当水的温度达到设定值时，会发出报警声，如果在一定的时间没有人过来关闭燃气灶，系统会自动切断燃气灶的燃气供应。不仅仅是烧水，煲汤、蒸煮时可以根据不同的饭菜蒸煮的时间手动设置好时间，时间到后系统同样会发出报警声，如果一定时间内没有人来，系统会自动切断燃气。本设计中采用非接触MLX90614红外线测温模块进行对水壶中水温的测量.

2.4LCD模块

LCD模块采用的是1.44寸，分辨率为128×128，3/4线SPI接口TFT彩色液晶屏。LCD主要参数：显示色彩为65K，分辨率是128×128，点距为0.1992（H）×0.207（V）（mm），显示类型为全透型，背光灯颜色及类型：白色LED背光，背光LED驱动电压：15mA/3.2V，显示屏的外形尺寸为33.26×38.00×2.60mm，可视面积：27.10×28.64mm，点阵区面积：25.50×26.50mm，使用寿命长达100000h，屏幕工作温度在-20摄氏度到70摄氏度之间，其响应时间为0.1（ms）。LCD模块通过PE10～PE15I/O口连接到单片机.

2.5继电器模块

继电器模块使用的是1路10A光耦隔离继电器模块，继电器输出回路的常开接口最大负载为交流250V/10A或直流30V/10A；输入回路与输出回路采用贴片光耦隔离，因此驱动能力强、性能稳定的特点；输入回路额定工作电压为5V，触发电流为5mA；模块可以采用高电平触发或低电平触发。继电器模块本身包含了容错设计，控制端不发出信号更改指令，即使控制线断，继电器也不会改变当前工作状态；而且接口设计人性化，连接方便。继电器模块控制系统的接口有DC+（电源正极接口）、DC-（电源负极接口）、IN（信号触发接口），被控制系统有NO（继电器常开接口）、COM（继电器公用接口）、NC（继电器常闭接口）。单片机系统通过PB2I/O口控制继电器.

2.6手机端设计

目前的手机绝大部分都已集成了4G网络通信，可以很方便地使用4G网络与家居网关进行高速数据传输。本文基于Android系统来进行手机端的程序开发，目前Android系统在手机占有率中长期保持第一，用户广泛且系统成熟稳定，调用Android系统提供的库函数可以比较容易地实现网络开发。手机端完成的功能主要是对物联网家居中家用电器、电灯、窗帘等设施进行控制，还要对家居的环境信息进行显示.

3软件设计思路

软件设计依据各个功能模块进行模块化设计。先设计一个主程序使单片机能正常工作，再将各功能模块的程序写成子程序，主程序通过调用子程序使各功能模块都能连接到单片机并正常工作.

4智能家居系统测试

前文对智能家居控制系统进行了整体的设计，完成了各个模块的软硬件设计以及网络链路的开发设计。本节则对智能家居系统进行了整体的运行和测试。先测试家用电器等设备控制功能，將终端节点和网关节点启动运行，组网完毕后，通过手机发送开关指令可以顺利地实现对家用电器的控制。然后测试了家居环境信息实时监测功能，运行结果如图6所示。系统能够不断地进行家居环境的信息收集并在手机APP中显示。测试的温湿度、光照强度结果与室内真实环境基本符合。测试中使用打火机中的正丁烷气体，稍微按下.经综合测试，本系统能够顺利组网，实现对家用电器的远程控制以及监测家居环境信息。系统运行状态良好，具备一定的可用性和较强的可靠性。

本文设计的基于物联网的智能家居控制系统不仅可以实现用户对家居设备的远程控制，而且还有使用户时时刻刻地获取家居环境中的信息，并做到危情及时通知警报，创造了一个安全、舒适、高效率的家居生活。内部ZigBee网络与外部4G/GPRS等互联网的结合，更是让用户随时随地对家居进行控制。以后会接入更多的家用设备，并提高系统的兼容性，带给人们更加惬意安全的生活.

参考文献：

[1]吴思楠.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[D].扬州大学，2016.

[2]杨海川.基于物联网的智能家居安防系统设计与实现[D].上海交通大学，2013.

[3]杨堤.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J].电子世界，2012（21）：16-17.