智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統的設計與實(shí)現論文

智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統的設計與實(shí)現論文

　　1 概述

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始應用于社會(huì )各個(gè)領(lǐng)域，并不斷改變著(zhù)人們的生活和生產(chǎn)方式。智能家居系統，是物聯(lián)網(wǎng)不斷普及時(shí)代應運而生的典型智慧工程案例，通過(guò)應用短距離無(wú)線(xiàn)通信方式，將傳感器、家用電器、多媒體等設備互聯(lián)，實(shí)現數據的集中管理與控制。智能家居系統采用嵌入式技術(shù)，使用網(wǎng)關(guān)傳感節點(diǎn)和平臺管理軟件對數據進(jìn)行采集、傳輸與管理。在智能家居系統中，智能網(wǎng)關(guān)作為統一收集家居環(huán)境中各電氣設備的信息及運行狀態(tài)的重要設備，對整個(gè)智能家居系統的性能起著(zhù)關(guān)鍵性作用。通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現家居系統中各個(gè)節點(diǎn)互聯(lián)，用戶(hù)可以隨時(shí)隨地查看居室環(huán)境、控制家庭中的電氣設備。因此，采用當前主流傳輸技術(shù)——無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)技術(shù)及嵌入式管理平臺，設計基于ZigBee 技術(shù)的智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統，對開(kāi)發(fā)及優(yōu)化智慧家居系統具有重要意義。

　　2 智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統設計

　　2.1 智能家居系統功能分析

　　結合實(shí)際應用，智能家居系統主要實(shí)現安全監測、信息獲取、節點(diǎn)控制等功能，因此涵蓋家庭安全、宜居生活、智能控制等智能子系統。

　　(1)家庭安全子系統：實(shí)現廚房安全監測、燃氣數據超標監測、廚房報警，當狀態(tài)超出控制范圍，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送警情短信給業(yè)主，或撥打電話(huà)給物業(yè)。(2)智能控制子系統：包含家電控制和燈光控制，家電控制通過(guò)紅外轉發(fā)器實(shí)現對電視、冰箱、空調等家電設備的控制。燈光控制則通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式實(shí)現對燈光、強電智能開(kāi)關(guān)控制器等設備的控制。(3)宜居生活子系統：包含生活服務(wù)提示、居室傳感器與家用電器的反饋控制系統。系統從互聯(lián)網(wǎng)中即時(shí)獲取當地天氣信息，具有推送信息、提醒等功能。居室傳感器與家用電器的反饋控制系統實(shí)現溫濕度節點(diǎn)與空調扇及加濕器等居室溫濕度自動(dòng)調節、光線(xiàn)節點(diǎn)與窗簾/照明燈的光線(xiàn)自動(dòng)調節、紅外轉換器代替多個(gè)遙控器的紅外控制等。(4)系統設置：支持離家、居家、自由三種模式。離家模式啟動(dòng)家庭安全,關(guān)閉宜居生活;居家模式啟動(dòng)家庭安全,啟動(dòng)宜居生活的基本級別監控;自由模式可根據用戶(hù)生活習慣自由設置。在系統設置中可以預設電話(huà)，比如業(yè)主或物業(yè)電話(huà)等。因此，結合以上智能家居系統功能，智能網(wǎng)關(guān)綜合系統作為智能家居系統中的重要構成，主要負責數據的采集、處理及傳輸。

　　2.2 綜合系統架構設計

　　在整體系統功能分析的基礎上，進(jìn)行了綜合網(wǎng)關(guān)系統的架構設計，系統架構包含ZigBee 可燃氣體傳感器節點(diǎn)、ZigBee 窗簾控制器節點(diǎn)、ZigBee 溫濕度節點(diǎn)、ZigBee 光線(xiàn)傳感器節點(diǎn)、紅外轉發(fā)節點(diǎn)、ZigBee 控制插座等。

　　智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統采用先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現家庭基礎設施與網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)互通，省掉了繁瑣的布線(xiàn)。傳感器/執行器采用2.4G 頻段，與智能網(wǎng)關(guān)之間以ZigBee 技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接方式，通過(guò)Wifi 或Ethernet 將網(wǎng)關(guān)接入局域網(wǎng)，或通過(guò)GPRS/3G 模塊將網(wǎng)關(guān)接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

　　3 硬件系統實(shí)現

　　基于以上對智能家居系統功能、智能家居綜合網(wǎng)關(guān)系統的設計架構分析，系統硬件的實(shí)施主要包含智能網(wǎng)關(guān)、可燃氣體傳感器、無(wú)線(xiàn)窗簾控制器、溫濕度傳感器、無(wú)線(xiàn)插座繼電器等元件。

　　3.1 智能網(wǎng)關(guān)

　　智能網(wǎng)關(guān)是該系統中的核心構件，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現ZigBee網(wǎng)絡(luò )與wifi 網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫對接，完成數據的轉換和傳輸。傳感器感知并采集數據后，發(fā)送至此網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將數據轉換后傳輸至wifi 網(wǎng)絡(luò )。系統采用高性能的四核Cortex-A9 核心板，該核心板采用三星Exynos4412 作為主處理器，運行主頻可高達1.5GHz，Exynos4412 內部集成了Mali-400 MP 高性能圖形引擎，支持3D 圖形流暢運行，并可播放1080P 大尺寸高清視頻。

　　ZigBee 網(wǎng)關(guān)的接收芯片選用CC2530，該款芯片遵循IEEE802.15.4 和ZigBee 應用，經(jīng)濟且低功耗，且支持無(wú)線(xiàn)更新和大型應用程序，可編程輸出功率達到4dbm，在掉電模式下，只有睡眠定時(shí)器運行時(shí)，僅有不到1uA 的電流損耗，具有強大的地址識別和數據包處理引擎。

　　圖2 網(wǎng)關(guān)芯片

　　3.2 可燃氣體傳感器實(shí)現

　　該系統選用MQ-5 氣體傳感器。MQ-5 適用于家庭或工業(yè)上的液化氣、煤氣天、燃氣監測裝置。良好的抗乙醇和煙霧干擾能力，具有對液化氣、天燃氣、煤氣較好的靈敏度和快速響應及恢復特性。

　　RGA：讀可燃氣體傳感器

　　地址段：用于存儲傳感器模塊地址

　　命令：RGA

　　地址：加入傳感器模塊地址

　　數據：GAzzz(3 字節ASCII 碼數據)

　　可燃氣體傳感器測試ASCII 數據為“123”表示可燃氣體的ADC

　　采樣值為0x7B。

　　3.3 無(wú)線(xiàn)窗簾控制器實(shí)現

　　通過(guò)ZigBee 模塊無(wú)線(xiàn)控制電機的正轉與反轉，實(shí)現窗簾的開(kāi)啟與閉合。該模塊分兩路對窗簾進(jìn)行控制，分別是窗簾1，窗簾2，可以同時(shí)實(shí)現雙層窗簾家居應用的要求。

　　TDP：窗簾控制器

　　地址：用于存儲傳感器模塊地址

　　數據：yy == D1/D2 +0/1/2

　　D1/D2：表示窗簾1 或2

　　0/1/2：0 表示窗簾開(kāi)1 表示窗簾關(guān)，2表示暫停

　　地址：傳感器模塊地址

　　數據：OK

　　3.4 溫濕度傳感器選型

　　選用SHT1x，包括SHT10, SHT11 和SHT15 型號。SHT1x 屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板。

　　RSH：讀高精溫濕度傳感器

　　地址段：用于存儲傳感器模塊地址

　　命令：RSH

　　WD 代表溫度傳感器，SD 代表濕度傳感器

　　地址：加入傳感器模塊地址

　　數據：WD/SD+zz(2 字節16 進(jìn)制數據)

　　2 字節16 進(jìn)制數據需要計算后，可得到溫度或濕度值

　　3.5 無(wú)線(xiàn)插座繼電器選型

　　無(wú)線(xiàn)插頭是最重要的控制元件之一，用于遙控、遙測、通訊、自動(dòng)控制等。有密封型與半密封型兩種封裝方式，外形尺寸15.5×10.5×11.8，最大切換電流3A，最大切換電壓300VAC60VDC，最大切換功率：750VA90W。

　　TRE：測試繼電器

　　地址：加入傳感器模塊地址

　　數據：yy == E1/E2/E3/E4+0/1

　　E1/E2/E3/E4：表示繼電器1 或2

　　0/1：1 表示閉合0 表示斷開(kāi)

　　地址：傳感器模塊地址

　　數據：OK

　　4 軟件系統實(shí)現

　　通過(guò)以上功能分析及系統設計，實(shí)現了以嵌入式為基礎，采用Android4.0，通過(guò)網(wǎng)關(guān)采集家居設施各相關(guān)節點(diǎn)數據，以實(shí)現宜居生活、智能控制、家庭安全監測等功能的智能家居網(wǎng)關(guān)綜合系統。系統實(shí)施過(guò)程中，按節點(diǎn)的功能劃分到各模塊，軟件在顯示數據的同時(shí)，寫(xiě)入到后臺數據庫，系統為安防報警傳感器設置一定的閥值，在超過(guò)值時(shí)提示報警信息，并可以通過(guò)3G 發(fā)送到移動(dòng)終端。

　　5 結束語(yǔ)

　　綜上所述，在智能家居控制系統中，智能家居網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統的中心結點(diǎn)，它在系統應用過(guò)程中承載著(zhù)上傳下達的功能，通過(guò)對系統功能需求進(jìn)行具體分析，構建了基于嵌入式的系統整體架構，并在架構基礎上，進(jìn)行了硬件系統的整體設計。系統采用了低功耗的ZigBee 技術(shù)及當前流行的安卓應用技術(shù)開(kāi)發(fā)，具有良好的應用推廣價(jià)值。