基于无线网络的智能家居系统设计

成都理工大学 张旖旎 冉 述 窦 强 宋 东 葛 鑫

引言

智能家居概念提出的目的是：“将家庭中所有和信息相关的通信设备、家用电器、家庭保安装置连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，同时保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调一致”[1]。

本文提出了一种安全性高、成本低、安装简单、可扩展性强的现代家居系统设计方案。

1 系统结构

图1 系统结构图

本系统主要由六大部分组成，系统结构如图1所示，各部分通过板上集成或者无线网络连接，降低了本系统的安装难度。

1.1 数据处理中心

1.1.1 核心处理器

数据处理中心CPU选用低成本、低功耗的STM32VET6芯片，该芯片是意法半导体(ST)公司推出的32位高性能微控制器，使用高性能的ARM Cor t ex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，运算速度1.25DMips/MHz[2]。支持睡眠、停机、待机三种省电模式，待机模式RTC开启状态电流消耗仅3.4uA。

1.1.2 人机交互

人机交互为用户提供一个可视化的操作环境：第一可通过3.2寸电阻触摸屏点按操控，实现密码开锁、门铃呼叫、密码设置等功能；第二可通过手机短信实现开锁和各种警报提醒功能；第三可通过云服务器app或网页实现传感器数据查看、开关锁、控制器操作等功能。

1.2 无线传感器(/控制器)网络

本系统采用低成本、低功耗的ZigBee技术[3][4]构建一种簇树型的无线传感器(/控制器)网络。该网络由数据处理中心、协调器、路由器、终端(传感器节点、控制器节点)组成[5]。在障碍少、距离短的情况下可省略路由节点形成结构更为简单的星型拓扑结构。

路由节点和终端节点均使用高能锂电池供电，在安装条件允许的情况下可采用数据处理中心的电源管理方案。节点核心微处理器选用德州仪器公司(TI)生产的CC2530F256芯片，其结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-St ack™），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案[6]。

1.3 通信

GPRS网络作为分组交换网络，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输[8]。

本系统选用华为MG301模块，在本系统中，通过TCP/IP连接互联网，实现采集的数据上传和控制命令的下达，通过GSM网络短信与用户手机通信，实现短信开锁、警报提醒等功能。

1.4 云服务器

在系统开发阶段选用青岛亿联客信息技术有限公司提供的Yeel ink物联网平台，对开发者免费。通过该平台可实现传感器数据的上传，控制器数据推送，数据记录，手机app查看与操作，消息微博推送等功能。

2 系统工作原理

系统工作流程如图2所示，其中C代表数据处理中心接收到的命令(包括触屏、GSM、GPRS等不同方式接收的所有命令)。命令优先级为C1＞C2＞C3＞C4＞C5。当系统开启时，首先初始化系统，等待来自用户的命令。

在智能锁部分，系统只保存RSA算法的合数、16位长的公钥、密码加密后的密文，RSA非对称加密特性及16位长度密钥，在接收到6-8位数字密码及开锁指令后，公钥加密该密码，并将产生的密文与设置用户时产生的密文比对，不一致则产生一个人类无法分辨的50ms短延时，大大延长穷举法破解密码的时间。

3 系统测试

3.1 ZigBee无线传输距离测试(无障碍、不包含CC2591)

表1 ZigBee无线传输距离

3.2 GSM网络短信开锁测试

表2 GSM网络短信开锁情况

3.3 GPRS网络开锁测试

表3 GPRS网络开锁情况

4 结束语

经过深入的理论分析和严格的实际测试，该系统可以实现安全智能锁、家庭环境监测、家庭设备控制、并可自由扩展等功能。系统集成度较高，方便安装；结构清晰，节点自由度高，方便维护。成本低、人际交互功能强大、操作简单，适合在大多数家庭普及。该系统还可移植到农业自动化、智能楼宇和对时延要求不高的工业自动化，具有较高的商业和实用价值。

[1]詹良.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[D].硕士论文:北京邮电大学,2008.

[2]ST.STM 32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE Datasheet[OL].http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00191185.pdf,2014.12.

[3]翟雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术与应用(第一版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:3-19.

[4]黄继娥.基于ZigBee的无线温度传感网络的设计与实现[D].硕士论文:东北大学,2007.

[5]Texas Instrument.CC2530 Datasheet.2009.