劉芮辰,李樹江,劉 帥

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

基于IIC和云服務器的智能家居控制系統設計

劉芮辰,李樹江,劉 帥

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

智能家居普遍采用無線通信技術對家居進行互聯，不同的通信方法對智能家居系統的穩(wěn)定性、便捷性、可靠性有很大的影響;針對智能家居的訪問方式，通過對比不同的無線通信技術，選擇合適的技術運用在智能家居系統的設計中，實現局域網和廣域網兩種訪問方式；在無線傳輸的智能家居基礎上，使用IIC總線進行功能擴展，使用云服務器來替代傳統計算機服務器，增加了系統的靈活性和手機訪問的快捷性，更好地實現家庭住宅管理與監(jiān)測，為我們平時的生活提供便利和保護。

智能家居；組網方式；云服務器；IIC通信協議

0 引言

智能家居概念提出已久，但是普及存在種種困難。無線傳輸技術的發(fā)展使得傳統的布線方式已經遭到淘汰[1]，采用合適的網絡通信技術，可以充分發(fā)揮環(huán)境的優(yōu)勢。同時，智能家居系統不但要支持局域網控制方式，更要考慮到廣域網控制方式。所以需要搭建合適的服務器平臺，支持不同的訪問方式。本文選擇Zigbee和WLAN兩種無線通信技術進行分析和對比[2]。使用嵌入式技術和云主機兩種方法來搭建服務器，并分析兩種方式的優(yōu)缺點[3]。由于智能家居的靈活性，需要對設備進行靈活的擴展，為此選擇了IIC數據傳輸方式作為設備的擴展通信協議。

1 無線網絡通信技術的介紹

Zigbee、WLAN都是目前比較主流的無線通信技術，各有比較適合的應用場合[4]。通信技術具體工作數據如表1所示。

Zigbee通信技術適用于短距低功耗、低復雜自組織、低數據速率、低成本的設備中[5]。在智能家居設備中，設備之間主要以低速數據傳輸為主，但對于組網的穩(wěn)定性要求很高，需要設備靈活的加入網絡中。Zigbee技術的啟動速度比較快，相比Wifi接近2秒的啟動時間，使用Zigbee可以迅速的接入網絡。Zigbee的缺點在于無法進行大量數據的傳輸，系統需要在主節(jié)點外擴GPRS模塊用來與手機通信[6]。并且使用GPRS模塊，會按照流量收費，后續(xù)的成本比較高。

表1 無線通信技術數據

WLAN無線通信技術相比Zigbee通信技術，工作距離更遠；傳輸速度更快，可以滿足攝像頭對傳輸速度的要求[7]?，F在的家庭中普遍擁有802.11b通信協議的Wifi網，智能家居系統的客戶端通過Wifi模塊可以加入到室內局域網中，手機等移動設備通過廣域網可以訪問室內客戶端。但是缺點在于當室內斷網時，設備無法訪問外網，手機只能連接局域網，通過ARM服務器對設備進行控制。

由于兩種通信技術各有優(yōu)勢，可以將Zigbee和Wifi兩種通信方式結合使用。當需要大量數據傳輸以及服務器通信時，使用Wifi通信方式工作；當控制簡單數據傳輸時，使用Zigbee通信協議[8]，這樣利用了兩者的優(yōu)勢。但值得注意的是，Zigbee和Wifi共用2.4 GHz頻段，在沒有任何保護措施的情況下，有時會出現同頻干擾，影響設備之間的通信[9]。所以采用這兩種通信協議共同工作時，設計上盡量避免信號之間的干擾。

2 智能家居控制系統設計

2.1 系統總體結構設計

本系統的客戶端采用星型結構，通過上一章對無線通信技術的分析，客戶端上選用Wifi通信方式，所有的客戶端通過Wifi模塊連接到路由器，通過路由來訪問云服務器，數據統一收集到云服務器處理。手機可以通過訪問云服務器來獲得室內信息，同時可以發(fā)送指令來控制室內設備。當網絡信號不良時，使用ARM微控制器作為服務器，客戶端通過路由連接到ARM服務器；同時手機連接進局域網，通過訪問ARM服務器來控制室內的設備，解決了斷網情況下設備無法工作的問題。每個客戶端上帶有STM32主控芯片、設備驅動電路、Wifi通信模塊和IIC接口，通過IIC接口可以在客戶端下擴展更多的功能，系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2.2 客戶端訪問服務器的配置

本設計采用USR-WIFI232-S模塊，該模塊可以將用戶的設備連接到Wifi無線網中，使用串口傳輸數據。在使用該模塊之前對其進行如下配置：配置訪問網絡名稱，AT+WSSSID=****; 配置數據加密方式，網絡訪問密碼,AT+WSKEY=WPA2PSK,AES,****；配置組網方式,AT+WMODE=STA，STA組網方式是系統中由一個路由器作為無線網絡的中心節(jié)點，各個功能模塊作為無線站點的組網方式；配置網絡協議為TCP協議，工作在客戶端模式，協議端口，服務器IP地址等，AT+NETP =TCP,CLIENT, ****, ***.***.***.***；建立TCP協議連接，AT+TCPDIS=ON。由于設定的配置，傳感器采集到的二進制數字信號通過Wifi模塊發(fā)送到服務器上時變成ASCII格式，數據需要服務器進行識別；同時，服務器需要記錄下來每一個客戶端連接到局域網的順序，因為配置成功的客戶端會自動分配局域網IP地址，服務器會通過記錄局域網內IP地址來識別客戶端。

2.3 云服務器的搭建

在智能家居系統中，需要搭建服務器來進行數據處理。通過云服務器可以實現以上功能，并完成廣域網的訪問。使用云服務器可以收集城市環(huán)境的信息，如城市的天氣情況、時節(jié)、日出等；這些信息使得家庭中的空調，窗簾和燈光等等設備的控制更智能化。服務器的程序使用java語言進行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為eclipse。

服務程序(Servlet)是一個與協議無關的、跨平臺的服務方,集成在服務器中,實現了網絡上遠程動態(tài)加載。Servlet是在服務器端執(zhí)行的,接收了來自客戶端的請求,將處理結果返回客戶端。Servlet用Java語言編寫,具有良好的可移植性和安全性。

Java Server Pages(JSP)是在普通HTML文件中內嵌程序語句,避免了開發(fā)Servlet時繁瑣的HTML輸出,可以更好地格式化輸出效果。JSP使用Java語言,在第一次調用時先編譯,然后用Java虛擬機執(zhí)行。Tomcat引擎和Apache服務器的配合使用,在Apache服務器上來實現Servlet的解決方案。

3 功能模塊與電路設計

3.1 IIC通信的應用設計

通過比較IIC和SPI通信協議，本設計選擇了IIC作為拓展總線。SPI總線的優(yōu)點在于它的結構簡單直觀，容易實現，并且有很好擴展性。并且相比IIC，SPI總線的速度更快；SPI適合數據流傳輸應用，而IIC更適合字節(jié)傳輸設備的多主設備應用[10]。由于擴展的溫濕度檢測和煙霧檢測設備不需要大量數據的傳輸，使用IIC就可以滿足設計的需求。

IIC總線是兩線制：一根是雙向的數據線SDA，用來傳輸數據信息；另一根是時鐘線SCL，用來同步數據發(fā)送信號。USB接口有4個接線，使用IIC總線，除了SDA和SCL兩根信號線，另外兩根可以作為電源線和地線，這樣擴展的設備通過USB就可以直接供電工作。結構如圖2所示。在每個無線通信的客戶端上都留有擴展口，對于溫濕度檢測和煙霧檢測模塊通過USB進行擴展。加入IIC通信有效的減少了無線信號的使用頻率，降低了無線網絡擁擠。

圖2 IIC拓展結構圖

3.2 窗簾控制驅動電路

窗簾控制模塊使用STM32F103ZET6作為主控芯片；使用L298P芯片作為驅動電路控制芯片，其最大工作電流為4A，頻率在25～40 kHz。主控芯片通過給EnableA管腳置高電平，使Input1與Input2管腳輸出驅動電流。使用1N4007整流二極管，最高反向逆壓為1 000 V，可以使輸出端獲得穩(wěn)定的電壓，具體電路如圖3所示。

圖3 電機驅動電路

3.3 漏水檢測電路

漏水檢測功能主要使用NE555芯片實現，如路圖4所示，當發(fā)生漏水情況時，1,2兩個引腳伸出的探頭兩端被導通，使得NE555芯片的3引腳輸出低電平，低電平范圍在0～0.8 V，通過檢測3引腳的狀態(tài)可以判斷是否出現漏水情況。

圖4 漏水檢測電路

4 實驗結果與分析

4.1 IIC拓展功能演示

根據以上的系統設計，制作的實物如圖5所示。

圖5 客戶端和擴展模塊

將溫濕度模塊通過USB接口連接到窗簾模塊上，溫濕度模塊通過USB接口供電工作。把溫濕度數據通過IIC協議傳輸給客戶端，主控芯片再將數據通過Wifi模塊將數據傳輸給服務器。測得溫度20度，濕度為36%，實現了溫濕度測量功能。

4.2 云服務器時延分析

通過系統測試發(fā)現，服務器對客戶端響應速度影響非常大，具體延遲時間如表2所示。局域網狀態(tài)下ARM服務器響應速度非常迅速；經測量，信息收發(fā)延遲時間在0.1秒左右，迅速的完成對設備的控制。使用云服務器工作時，消息收發(fā)平均延遲時間為0.32秒，反應速度低于局域網工作方式，但可以滿足智能家居平時使用要求。經分析，造成延時的原因在于客戶端與云服務器之間連接不穩(wěn)定，客戶端與云服務器之間受到網絡環(huán)境的影響比較大。

表2 測試系統延遲時間

5 結論

本文通過分析Zigbee，WLAN等優(yōu)缺點，選擇了WLAN無線通信技術。加入IIC總線數據擴展，增強了設備組合的靈活性。使用嵌入式服務器和云服務器兩種方式，完成局域網和廣域網訪問控制。使新設計的智能家居系統更易于推廣和使用。

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Design of Smart Home Control System Based on IIC and Cloud Server

Liu Ruichen,Li Shujiang,Liu Shuai

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

Smart home reached new developments.Smart home system uses networking technology to connect，therefore, different communication methods for system stability, convenience, reliability play a big influence.For different access methods，by comparing different wireless communication technology，select the most appropriate method to be used in the smart home system,to achieve LAN and WAN network access；compared wireless transmission of intelligent home, using IIS bus for feature extensions,using cloud server to replace the traditional computer server；increase the flexibility of the system and mobile phone access speed，achieve better management and monitoring family house，facilitate and protect our lives.

smart home; networking mode; cloud server; IIC communicating protocol

2016-09-13；

2016-11-17。

劉芮辰(1990-)，男，碩士研究生，主要從事空調、嵌入式開發(fā)方向的研究。

李樹江(1966-)，男，教授，主要從事智能控制技術、復雜工業(yè)過程建模與設計方向的研究。

1671-4598(2017)03-0098-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.027

TP23

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