智能家居系统环境监测及设备远程控制设计

　　摘要：针对更具现代化的智能家居以及更好的用户体验需求，设计智能家居远程监控系统。本文探讨了传感器监测家居环境，并将数据发送至云服务器的这一系统，该系统在人机交互界面显示环境参数值以及报警信息，再以语音播报的形式提示用户，用户可通过客户端实现远程控制。实验结果表明，该系统可以实现家居环境监测及设备远程控制，且功能强大，实时性好，稳定性强。

　　关键词：智能家居； 无线传输； 远程监控； 系统设计；

　　随着科技时代的到来，人们的生产生活变得更加智能化。传统家居设计方法的不利方面逐渐显现，因此人们对智能家居设计更加感兴趣。近年来，随着物联网技术的优势不断显现，逐渐满足家庭智能控制的各项要求，不断促进控制系统更高效地运行，同时能更快实现多层次功能，并且能提高相应设计和应用的各项经济效益。特别是随着智能手机的应用和普及，为智能家居领域提供新的设计思路。因此，开发一款能够实时远程控制的智能家居系统代替传统家居迫在眉睫[1].

　　1 控制系统硬件设计

　　该智能家居系统由温度和烟雾数据采集模块、GSM远程控制模块、防盗功能模块、预防儿童跌倒模块等几个模块组成。

　　1.1 设计控制开发板

　　开发板处理器通常可以选择相应的ARM处理器，可以兼容多种不同的8位和16位设备并使用相应的32位简化指令集处理器架构，相应的芯片采用相应的S3C2440微处理器，支持主频400 MHz,最高可达522 MHz,集成16/32位RISC嵌入式微处理器和ARM920T核心，采用液晶显示器连接以太网RJ45接口。连接3个串口到USB Slave B,USB Host类型接口以及采用相应的PWM控制蜂鸣器[2].通过使用摄像头接口不断连接到相应的开发板扩展接口的34Pin GPIO引脚，使其最后能够准确地连接到40Pin系统的总线接口。

　　射频模块的开发板通常采用相对较为开放的ISM频段，其中的有效工作范围通常是433 MHz/868 MHz/915 MHz,其频率调制器通常集成在n RF905芯片本身，通过不断调节不同家庭之间的工作指令，并使用芯片的接收器和解调器能够准确接收不同控制命令的不同频率。使用功率放大器时可以通过控制同一指令不同功率的各项家用设备，从而防止其中因功率转换不当，而发生相应的安全事故。通过利用调节器发送以及接收相应的控制命令的32B数据，从而可以将传输速率调整到50 Kb/s,并外接433 MHz天线。

　　在控制开发板上设置相应的S003n RF905无线数据传输模块，确保数据传输模块的工作频率范围控制在422.4~473.5MHz之间。通过一定的内置通信信道，满足多点通信以及相应的调频群控模式。不断采用相应的SMA接口连接其中的外部天线，从而不断增强控制信号的收发功能。

　　系统硬件芯片采用STM32、n RF905以及相应的家电设备构成设备节点。通过I/O端口不断连接相应的射频以及STM32,可以模拟相应的SPI总线连接的稳定效果。在设计了相应的控制开发板之后，通过采用设计主控制电路，从而实现各项电路的主控制功能。

　　1.2 主控制电路设计

　　当设计的主要控制电路根据不同家庭功能定义的单片机，把相应的晶体振荡器电路芯片放置在同一层，以避免铺设地面下的晶体振荡器。在每个电源引脚上连接一个0.1μF电容器，可以消除相应的I/O口开关引起的各项高频噪声。在微控制器的每对VCC和GND引脚上都有一个常用的短引线电容器。内部集成通常是64KBROM和8KBRAM.最后设计晶振电路、复位电路和功率解耦电路。

　　1.3 温度传感器

　　本系统采用达拉斯公司生产的DS18B20温度传感器。DS18B20通常具有超小型、硬件成本超低、耐磨、耐冲击、使用方便等特点。它通常适用于各种小空间，在数字温度测控设备领域，DS18B20的封装和原理如图1所示。

　　图1 DS18B20封装及原理  

　　DS18B20引脚功能描述如下：（1）GND是电源地；（2）DQ通常是一个数字信号的输入/输出终端；（3）VDD是外部电源的输入端。

　　DS18B20与ARM处理器之间的接口简单，通常只有DS18B20的信号线连接到控制线的双向端口，使用S3C2440对应的GPE0引脚连接DS18B20信号线。

　　1.4 光电传感器

　　在各种光电检测系统当中，光电传感器通常是实现光电转换的关键部件。它是一种把光信号转换成相应电信号的一种装置。光电传感器使用相应的光电器件作为转换元件的传感器，通常可用于检测直接引起光量变化的非电特性。

　　本设计尝试不断地将光电传感器安装在家中相应的保险箱或其他重要物品上。当进行不当操作时，会自动触发相应的声音报警，达到一定的防盗的目的，引脚图如图2所示。

　　图2 光电传感器引脚

　　1.5 GPRS模块

　　本系统选用的GPRS模型为SIM300.SIM主要是GSM/GPRS双频模块，主要提供短信和数据、语音传输等相关业务的无线接口。其中的SIM300集成电路以及相应的GSM的基带处理器，应用规模非常广泛[3].

　　SIM300模块主要是为相应的用户不断提供一种功能较为齐全的系统接口，该模块通过60脚板连接器不断连接到相应的移动应用设备，该60脚板连接器为除射频天线接口外的所有模块与开发板之间提供硬件接口。SIM300提供了标准的RS-232串行接口，用户可以不断使用相应的AT命令，通过串口完成相应的模块的操作。SIM300采用低功耗设计，在休眠模式下电流功耗通常仅2.5m A.使用SIM300集成了TCP/IP协议栈，从而可以达到利用该模块当中的开发数据传输设备。

　　2 控制系统软件设计

　　软件设计按相应的功能分为GPRS模块、Web服务器模块、视频监控模块、Zig Bee模块、嵌入式Linux设备驱动等[5].通过模块化分别调试，最后集成。

　　2.1 Linux设备驱动

　　Linux设备驱动程序主要是进行相应的操作系统内核和硬件之间的接口，主要任务是能够不断完成硬件寄存器的各项操作，从而屏蔽相关硬件的各类底层细节，并简化应用程序对设备的访问。

　　Linux系统将所有设备都视为文件，文件主要分为三类：块、字符和网络设备[6].

　　本系统使用的主要驱动程序有：

　　串口驱动：开发板与GPRS模块的通信、实现PC机与开发板。

　　COMS摄像头驱动：实现视屏监控功能。

　　USB转串口驱动：实现开发板与Zig Bee模块的通信。

　　PWM蜂鸣器驱动：实现报警功能。

　　2.2 Zig Bee模块

　　Zig Bee模块主要实现两部分功能：（1）通过串口将温度、湿度、空气质量等信息不断发送到中央控制器；（2）接收中央控制器发送的各项命令，将其转换成相应的无线电波不断发送出去，从而实现实时控制家中的各种设备，如照明控制系统。

　　2.3 GPRS模块

　　GPRS模块通过串口2连接到相应的开发板，当出现特殊情况时，其中的中央控制器向串口发送各类不同的AT命令，从而控制GPRS模块发送各类短信或拨打相应的呼叫。

　　2.4 Web服务器

　　Web服务器的主程序主要是一个HTTP套接字服务器，通过相应的服务器监听TCP端口80（也可以自己定义它）。当客户机请求它时，通过建立一个通信连接，从而处理用户的请求，并将结果返回给用户。

　　2.5 视频监控模块

　　视频监控程序流程图如图3所示。首先，服务器等待客户端的连接请求，客户端向服务器发送相应的连接请求后，通过服务器与相应的客户端建立连接。然后，客户端能够发送并启动视频捕获信息并发送信息，客户端接收并显示视频。

　　图3 视频监控程序流程   

　　3 结语

　　现今，人们对家居的需求正逐渐向安全舒适的方向发展。在智能家居控制系统当中采用无线传输技术将是一个较为热门的研究方向。通过采用一定的软件和硬件控制系统，能够不断完善相应的系统，从而可以编写控制指令，控制电路，改善传统控制系统的缺点，提高了控制范围，不断加强控制系统的实用性，进一步改善用户体验。

　　参考文献

　　[1]孙岩。人工智能、物联网背景下智能家居系统的思考[J].建筑电气，2019,38（8）：60-63.

　　[2]周立功。ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

　　[3]陈凯旋，周世恒，陈涛，等。基于Arduino与OneNET云平台的简易智能家居系统设计[J].物联网技术，2019,9（12）：88-90.

　　[4]滕秀夫。智能家居在未来居住室内空间设计中的应用与发展研究[J].戏剧之家，2016（22）：171.

　　[5]魏忠编。嵌入式开发详解[M].北京：电子工业出版社，2003:25-44.

　　[6]曾宏安。嵌入式Linuxc语言开发[M].北京：人民邮电出版社，2009.