面向物联网技术的智能家居系统设计

李丹

（辽宁邮电规划设计院有限公司 辽宁省沈阳市 110179）

异常入室、燃气故障、家居设备是几种常见的家居安全问题，为了满足人们时刻关注家居状况的需求，必须要升级传统家居安防措施，构建出智能家居系统。当前现代家居系统安全管控的焦点在于，利用信息处理、物联网、传感器和计算机网络等技术，确保使用者能够接收到家居安全信息，有效监控和发现家居安全隐患问题，全面提高智能家居监控安全程度。

1 面向物联网技术的智能家居系统设计方案

本研究基于物联网技术下，依托2.4G 及ZigBee 构建出智能家居系统，通过全新的智能家居控制手段，使功耗和成本得到有效降低，智能家居系统设计结构详见图1。ZigBee 传感网络、2.4G 远程遥控节点、网关节点和云服务器是构成面向物联网技术的智能家居系统的主要部分，其中不同子节点、协调器共同组成了ZigBee 传感网络，借助Z-Stack 协议栈对星型网络进行建立，从而发挥无线数据传输的作用；云服务器、远程遥控、ZigBee 传感网络彼此间数据的共享和交互由网关实现；家居环境的实时监控主要由温湿度传感器、烟雾传感器来负责；家庭安全防护检测依靠的是红外热释电传感器；在远程开关控制家庭普通设施的过程中，继电器模块发挥着重要作用。借助系统中的红外热释电传感器、太阳能电池板，灯光控制节点可以对智能灯光进行调控[1]。

2 智能家居系统硬件设计

面向物联网技术的智能家居系统在硬件设计方面，主体主要运用的是工控 PC 主板、单片机，还包括RS232、硬盘录像机、四路视频采集卡等部分。其中RS232 主要由报警采集模块、电话模块以及家电控制模块三大结构组成。将嵌入式Windows XP 安设在C7 主板中即构成了工控PC 主板，而系统单片机则运用的是STC89C51 系列单片机。在系统硬件设计方面，单片机、无线接收、无线转红外协议转换器、无线发射、X10 电力载波等是构成电话模块、家电控制模块及报警采集模块的几个重要元件，采用工控PC主板同单片机RS232 串口连接的方式，能够发挥不同模块的功能。

2.1 视频采集录像设计

利用将硬盘录像机、4 路视频采集卡连接在系统工控PC 主板的方式，使智能家居系统能够发挥视频录像、视频采集的功能。本研究中的智能家居系统运用的是713X 芯片组视频采集卡驱动，在XVID 的MPEG4 编码支持下能够有效的要视频软件，开展对家居环境和设备的远程录像机传输操作[2]。

2.2 报警采集模块设计

无线、有效采集是系统探测器的两大报警信号采集形式。对于有线采集形式来说，开关量能够输入有线报警信号，智能家居系统对16 路有线报警输入进行了设计，运用方式为并联接入、串联输出，有线报警信号可以被单片机所采集，在这个过程中兼顾了系统的电话控制、键盘等多种功能性。通常多会借助 PT2262 芯片来发送无线报警信号，在PT2272 的作用下接收端可以对信号进行解码。编码发送端PT2262 可以对数据码（4 位）、地址码（8 位）进行提供，若运用的为8 位地址码，则PT2272 仅能够对4 为数据进行提供，由0 至F。所以，对于单个2272 芯片而言，接收报警探头输入的数量为16 个，无法迎合使用者对大于32 路无线输入的需要。同时，对于1527 格式编码，PT2272 不能进行解码。单片机运行速度加快，能够有效对1527、2262 两种不同格式的编码进行识别，借助单片机进行解码的操作具有较强的灵活性，便于操作，识别编码类型较多，也支持对地址码进行针对性的设置。智能家居系统未借助PT2272 芯片开展解码操作，采用单片机解码的方式，在完成数据解码操作之后，借助RS232 口向上位机进行传输。

图1：智能家居系统设计结构

图2：无线红外协议转换器模型图

图3：智能家电控制模块模型图

图4：智能家居系统防盗监控流程图

图5：智能家居系统火灾监控报警流程图

2.3 电话模块设计

拨打使用者变化就可完成报警操作。鉴于智能家居系统运用了单片机，所以单片机控制继电器能够开展电话摘挂机处理。音频变压器是电话模块的核心，发挥着在功放电路中耦合语音交流信号的作用，也能够在电话线路中耦合语音提示、拨号两大信号。主板声卡可以同变压器线圈进行连接，所以可以在电话线中对音频信号进行耦合处理，也能够在声卡线路输入端耦合电话声音。

2.4 家电控制模块设计

多数家居设备仅需进行卡关控制即可，借助对智能开关进行设计的方式，就能够实现有效管控。也有部分家居设备需要设置控制量，例如：电视频道、空调温度等，这就需要发挥红外遥控器的功能。所以在家电控制模块中要对无线转红外协议转换器进行设计，其主要由红外发射管、单片机、红外接收头以及无线接收模块几部分构成，实现网络控制指令到电气红外遥控指令的转化。家电控制模块中无线红外协议转换器结构详见图2。

电力载波X10 协议模块、单片机、315 M 射频无线模块的集成体即为家电控制模块，该模块借助无线遥控、电力载波，能够对智能家居设备开关进行管控。智能家电控制模块模型图详见图3。

3 智能家居系统软件设计

3.1 防盗报警监控

将USB 摄像头、感应器安设在阳台、窗台或大门位置，能够监测是否存在非法闯入的现象，如发现异常传感器会对闯入者的红外线信号进行感应，进而进行防盗报警，具体监控流程详见图4。防盗报警监控在启动后，异常情况下会开启USB 摄像头，能够实时性和全面化的拍摄家居环境[4]。对于非法入侵人员，入侵检测信号能够借助电信号的形式进行输出，并自主启动警铃，向使用者终端传送入侵信息，发挥防盗监控报警作用。

3.2 火灾监控报警

在出现火灾危险时，通常都会伴有升温现象，存在很多烟雾、有害气体，此时通过温度监测功能，能够提高报警准确性。智能家居系统火灾监控报警流程详见图5。

在智能家居系统内对正常情况下的家居环境参数进行输入，就能够在出现火灾时，通过对室内烟雾浓度、温度变化、有害气体浓度进行监测的途径，准确判断火灾状况。若家居环境参数达到超出阈值标注，结合监测数据，系统监测主机就能够有效分析、提取火灾信息，对声光报警器进行开启，将现场信息进行输出，发挥火灾监控报警作用。

4 系统测试

通过对智能家居系统的软件和硬件设计，用户在远程客户端就能够进入到系统内，开展观看视频、控制家居设备等操作。在测试系统报警功能时，可以对门磁进行触发，系统主机就可以发出警报，自主拨打系统设置电话，了解报警位置及时间等信息。用户在J2ME 平台下开发的手机客户端中就能够观看到家居环境，便利化的开展控制操作。设置不同的网络带宽，测试客户端接收数据状况，结果详见表1。

表1：不同网络带宽下客户端接收数据测试结果

5 结语

面向物联网技术的智能家居系统的硬件平台为单片机、PC 主板，包括家电控制模块、报警信号采集模块、远程视频监控模块等多个模块，借助无线及有线网络有效连接不同家电设施，将远程监控家电设备变为了现实。网络化和数字化的智能家居环境已经成为未来主要的发展趋势，具有广阔运用前景，但是还需要不断开展探索和研究工作。