區(qū)玉?。ㄖ猩酱髮W(xué) 新華學(xué)院 廣東 東莞　523133）

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

區(qū)玉俊
（中山大學(xué) 新華學(xué)院 廣東 東莞523133）

為了提高家居環(huán)境的智能化，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，選用STM32作為為系統(tǒng)控制核心，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感技術(shù)與嵌入式技術(shù)，以分塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控功能，定時(shí)地對(duì)目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)yeelink將采集到的信息發(fā)給用戶(hù)，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)接收到并得知家居環(huán)境參數(shù)，并且可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備狀態(tài)。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)多次現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到終端，相對(duì)于傳統(tǒng)智能傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理能都有提高。

家居監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；實(shí)時(shí)

如今無(wú)線通信、傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展以及人們安全意識(shí)的不斷提高，智能家居的設(shè)計(jì)被提出并深入研究［1］。智能家居集電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制與一體，通過(guò)在家居中設(shè)計(jì)安裝各類(lèi)傳感器，如視頻監(jiān)控、溫濕度采集等，再通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接脩?hù)終端，并可以遠(yuǎn)程操控家居中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。但傳統(tǒng)的智能監(jiān)控設(shè)備，由于采用布線方式，系統(tǒng)比較繁瑣，一定程度限制了其發(fā)展［2］。為此，本文選用以ARM內(nèi)核的STM32控制器，以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)功能架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)家居環(huán)境信息檢測(cè)及設(shè)備控制系統(tǒng)由：環(huán)境信息采集傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與系統(tǒng)的核心控制模塊4個(gè)部分構(gòu)成，總體架構(gòu)利用模塊式的構(gòu)建模式，系統(tǒng)的構(gòu)建與總體連接功能如圖1所示。圖中的傳感器單元包括溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體檢測(cè)等模塊，采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將采集到的信息傳輸?shù)浇K端上位機(jī)顯示，采用最新的socket程序庫(kù)，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示功能，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化［3］。

圖1　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1微控制器

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用 STM32F103作為核心處理器，STM32F103是一款內(nèi)核為32位處理器的單片機(jī)［4］，其最高工作頻率為72 MHz，數(shù)據(jù)處理速度高速，片上集成豐富的資源，具備多個(gè)外部中斷源，能夠同時(shí)處理多路中斷，提高處理器的資源利用率，3路 URAT，I2C、PWM、SPI等多路通信接口，片外存儲(chǔ)器的接口拓展有 Nor Flash、SDRAM，通過(guò)總線方式與微處理器相連，拓展儲(chǔ)存數(shù)據(jù)空間，并且具有高數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄AM通道。STM32芯片通過(guò)SPI接口和RS-232接口與無(wú)線通信模塊以及其他傳感器單元模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換［5］。與其他單片機(jī)相比擁有性能高、成本低、功耗低等特點(diǎn)。主控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　STM32內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)橋梁來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)家居中采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩?hù)終端，提高了通訊的效率和協(xié)調(diào)化。在電路搭建中其主要研究的是STM32單片機(jī)與W5500之間的數(shù)據(jù)交換、擴(kuò)展NRF2410無(wú)線傳感模塊和傳感器之間的數(shù)據(jù)接收、處理與發(fā)送［6］。主控制器與W5500模塊建立網(wǎng)絡(luò)連接，W5500通過(guò)SPI串行外部接口與主控器芯片相連進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)yeelink，最終能與用戶(hù)的終端進(jìn)行信息交互。選用2.4GHz無(wú)線收發(fā)NRF2410模塊與各類(lèi)傳感器連接，實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)變化，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破鳌D3為網(wǎng)絡(luò)通信模塊W5500與主控制器的通信連接方式。

圖3　W5500與主控制器連接方式

3　軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心部分是主控制器與網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計(jì)部分，無(wú)線通信模塊作為數(shù)據(jù)通信的中間橋梁，連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)yeelink平臺(tái)［7］。W5500具有80MHz的告訴SPI接口，支持8個(gè)Socket連接，支持TCP、ICMP與PPPoE協(xié)議、支持高速串行外設(shè)接口。W5500的接口速度完全能滿(mǎn)足STM32的最大SPI速度，如下是以太網(wǎng)W5500通過(guò)SPI接口連接STM32主控制器初始化部分代碼，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)［8］。

初始化W5500端口：

W5500_Write_Register（Sn_CR（s），Sn_CR_CLOSE）；

while（W5500_Read_Register（Sn_CR（s）））；//等待關(guān)閉命令完成

W5500_Write_Register（Sn_IR（s），0xFF）；//清除中斷

W5500寫(xiě)入命令：

u8 Listen（SOCKET s）

｛u8 status=0；/*只有 Sn_SR寄存器變?yōu)?SOCK_INIT之后，才可以進(jìn)行LISTEN和CONNECT命令*/

if（W5500_Read_Register（Sn_SR（s））==SOCK_INIT）

｛W5500_Write_Register（Sn_CR（s），Sn_CR_LISTEN）；// 往Sn_CR中寫(xiě)入LISTEN命令

while（W5500_Read_Register（Sn_CR（s）））；//等待指令完成

4　系統(tǒng)測(cè)試

家居智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要具有以下功能：用戶(hù)登陸模塊、家居環(huán)境監(jiān)控模塊、家居設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控模塊、各電器操控模塊、報(bào)警處理模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊與用戶(hù)管理系統(tǒng)模塊。用戶(hù)登錄模塊用于用戶(hù)驗(yàn)證身份，確認(rèn)用戶(hù)的個(gè)人登錄。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控模塊用于室內(nèi)的溫度、濕度、亮度與氣體的監(jiān)測(cè)，用戶(hù)根據(jù)該軟件模塊可以具體地觀察到家中的室內(nèi)環(huán)境。家電工作狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用于觀察各個(gè)家電當(dāng)前的工作狀態(tài)，用戶(hù)能在軟件中觀察到家中電器是否已經(jīng)關(guān)閉或者開(kāi)啟。電器操控模塊用于讓用戶(hù)能夠便捷地開(kāi)關(guān)與調(diào)節(jié)電器，為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分［9-10］。報(bào)警處理模塊用于當(dāng)家中出現(xiàn)不能處理的特殊情況及時(shí)給用戶(hù)發(fā)送緊急狀態(tài)信息，給予用戶(hù)一個(gè)準(zhǔn)確的當(dāng)前緊急狀態(tài)提醒。系統(tǒng)維護(hù)模塊是為該軟件設(shè)置的模塊，該模塊能使得軟件更加地具有健康性，能讓用戶(hù)得到更好的體驗(yàn)。用戶(hù)管理系統(tǒng)模塊用于用戶(hù)添加新的權(quán)限賬號(hào)與新的家居監(jiān)控與控制子系統(tǒng)，使得軟件具有更大的可適應(yīng)性。終端設(shè)備界面窗口設(shè)計(jì)如圖4所示，系統(tǒng)測(cè)試如圖5。

5　結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)引入多種傳感器單元和無(wú)線通信模塊，能夠完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理。系統(tǒng)通過(guò)多次模擬測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，能夠檢測(cè)和監(jiān)控家居中的設(shè)備，可以大大提高家居的安全性。系統(tǒng)以STM32作為系統(tǒng)核心控制器、具有低功耗、數(shù)據(jù)處理速度高效等特點(diǎn)，隨著嵌入式和傳感器的不斷發(fā)展，智能家居會(huì)得到更好的發(fā)展與應(yīng)用。

圖4　終端界面窗口

圖5　系統(tǒng)測(cè)試

［1］邵鵬飛，王喆，張寶儒.面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012.20（2）:474-479.

［2］高小平.中國(guó)智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究［J］.低壓電器，2013，11（4）:125-126.

［3］王超，駱德漢，鄭魏.基于STM32的嵌入式智能家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23（3）:241-244.

［4］陳致遠(yuǎn)，朱葉成，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2012，38（9）:138-140.

［5］毛明毅，蔣元恒，陳志成.智能家居遠(yuǎn)程Web管理控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2013，30（5）:121-124.

［6］付蔚，唐鵬光，李倩.智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2013（35）:46-50.

［7］蔣峰.家居智能安全遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（9）:2435-2442.

［8］Dario Bonino，Giuseppe Procaccianti.Exploiting semantic technologies in smart environments and grids:Emerging roles and case studies［J］.Science of Computer Programming，2014 （95）:112-134.

［9］李泊鋒，王亞剛.基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2016（3）:86-89.

［10］侯洪鳳，王立娟，何丹丹，等.智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2016（3）:14-15.

Smart home monitoring system based networking platform

QU Yu-jun
（Sun Yat-sen university，Xinhua College，Dongguan 523133，China）

In order to improve the intelligence of the home environment，to design a smart home monitoring system networking platform based on STM32 chosen as the control center for the system，with a wireless network，wireless sensor technology and embedded technology to block designed and implemented monitoring and control function，regularly the target environment for testing，and through networking platform yeelink the collected information to the user，the user can receive real-time and that the home environment parameters，and remotely control the home device status.Several on-site simulation experiments，the stable operation of the system through the system，real-time transmission of data to the terminal，compared to traditional intelligent transmission system stability and data processing can have improved.

home monitoring；networking；sensors；real-time

TN99

A

1674－6236（2016）11-0157-03

2015-06-30稿件編號(hào)：201506250

區(qū)玉俊（1992—），男，廣東佛山人。研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)安全。