基于移动互联应用的智能家居系统设计与思考

俞侃

摘要：本文在对智能家居系统进行分析的基础上，加入无线传感和移动互联智能应用，基于ZigBee、蓝牙、射频等技术，通过智能手机可以进行远程控制的智能家居系统设计方案。通过嵌入式网关作为各传感器控制核心，通过设置AT指令，利用Modbus通讯协议和RS485总线，进行继电器执行单元的控制。同时，用户可以通过局域网、公共网络，使用PC、智能手机、平板电脑等设备，远程对于家庭中的智能传感器和设备进行监控和信息互动。本文设计的系统方案，是在物联网技术和移动互联技术的基础上，对智能家居进行系统设计，对于小型物联网市场和家庭智能用户的拓展具有一定的指导意义。

关键词：智能家居；移动互联；ZigBee

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0145-03

1 概述

国家七大战略性新兴产业明确提出了“推动新一代移动通信、下一代互联网核心设备和嵌入式网关的研发及产业化”的要求。作为新一代信息技术的核心之一的移动互联技术已全面应用于工农业生产、电子消费品、商业流通、社会管理、社会服务等各个行业领域，并正形成蓬勃发展之势，成为全球经济新的突破口。

智能家居随着移动互联应用、物联网技术的发展与成熟，形成一个集无线网络、传感监测、智能控制与自动化、智能安防控制等功能的整体集成系统。

2 成本分析与可行性分析

2.1 成本分析

随着诸多先进科技的应用，智能家居呈现数字化、智能化、潮流化趋势，展现出强大的生命力，引领了全新的生活方式，逐渐从奢侈品变为日用必需品，确实方便省心。

物联网专家中国工程院院士邬贺铨表示，智能家居近年来取得长足进步，从有线传输过渡到无线，技术明显提升，提高了智能化程度，免去布线麻烦，还能升级产品，有力地降低了成本，为消费者的口袋着想，可以适用各类房型。尤其以ZigBee技术为核心的无线智能家居大行其道，让消费者自行组合安装，享受DIY 的乐趣。

民用传感器的成本本来就比较低，随着ZigBee、射频模块大批量生产线的铺开，成本随之降低。STM32等产品的成熟也进一步降低了智能家居的成本。

2.2 可行性分析

智能家居项目所属行业是在最近几年间迅速发展。行业在繁荣国内市场、扩大出口创汇、吸纳社会就业、促进经济增长等方面发挥的作用越来越明显。

我国非常中国智能家居领域的发展，国家和地方在最近几年有关该领域的政策力度明显加强，随着社会的发展，居家环境安全性越来越重要，所以我们需要一个较为安全的智能系统来对居家环境进行个人监控。

对于居家环境里的防盗防火的意外事件，能做好一个监控效果，能更好地处理险情，最大化减少财产的损失。

本方案设计中，传感器与ZigBee、射频模块一一对应进行数据采集，通过个域网组网，通过ZigBee、射频模块的上报功能将产生的不同电平值信号发送给嵌入式网关，嵌入式网关接收到相应信号后，通过蓝牙方式与平板电脑进行通信，通过IP网络将报警信息传送给手机，不管身在何处都可以随时查看居家情况，并对相应的信号进行处理。

3 系统方案分析

通过成本分析和可行性分析，本方案确定系统功能如下：

1）监测居家煤气泄漏以及火情情况，当出现上述情况时，及时通知用户发出报警信号，保障防火安全。

2）监测居家防盗情况，当出现上述情况时，及时通知用户及发出报警信号，保障财产安全。

3）遇到诸如身体不适等紧急情况时，按下报警按钮，同时通过视频监控，及时通知其他用户进行相应救助。

4）室内照明系统白天自动关闭，黑夜状态并感应到有人发生走动，照明灯自动开启并延时关闭。

4 目标与解决思路

在确定系统方案的基础上，采用嵌入式网关进行智能家居控制，采用智能手机作为监护人随身携带的移动通信工具。通过在嵌入式网关和平板电脑、智能手机上进行配置和应用程序编程，完成信息采集、数据处理、智能控制等业务功能。具体功能设计如图1所示：

基于上述系统本项目流程如下（以发生火情为例）：

1）烟雾传感器接收到报警信号；

2）与其连接的通信节点通过ZigBee模块告知嵌入式网关；

3）嵌入式网关将接收到的信号发送到智能手机、平板电脑上，继而通过RS485接口将电信号传送给继电器；

4）继电器根据接收信号判断开启模块中的输出端口，给声光报警器供电，促使声光报警器工作；

5）此刻管理人员可通过平板电脑、智能手机对上述火情进行处理，关闭声光报警器；

6）平板电脑、智能手机均可发送关闭命令给嵌入式网关；

7）嵌入式网关通过RS485接口将关闭命令发送给继电器；

8）继电器关闭输出端口，暂停给报警器供电，工作结束。

其中，烟雾传感器、门磁传感器分别连接ZigBee模块，固定报警器连接RF433通信模块，人体红外传感器自带射频模块，直接与嵌入式网关上的RF433射频模块连接。

光敏传感器与串口继电器输入端相连，通过感知光线的强弱变化区分白天与黑夜状态。智能电表采用Modbus协议与串口继电器输入端相连进行通信。

LED照明系统、声光报警器作为执行单元，与串口继电器的输出端相连。

同时，LED照明系统用于模拟居家照明，白天关闭LED灯，夜晚时，当人体红外探测器探测到人活动时，打开LED照明灯并延时关闭。

RF433通信模块可工作于RF433无线数传模式和RF315解码模式俩种模式下，分别用于接收射频信号和信号处理。

当光敏传感器感知光线变暗达到一定程度时，对嵌入式网关上的RF433/315模块自动更改成解码模式。此时系统可感应人体红外探测器，并对LED照明系统操作，延时关闭。

当光敏传感器感知光线变亮达到一定程度时，对嵌入式网关上的RF433/315模块自动更改成数传模式。此时系统可对固定报警按钮操作，有报警产生时，触发声光报警器，智能手机或者平板电脑处理报警信息后，关闭声光报警器。

嵌入式网关和平板电脑之间的信令通过蓝牙方式传输，嵌入式网关工作于蓝牙从机模式。

并且，随着环保和绿色能源概念的提出，在智能手机和平板电脑上可分析智能电表的当前总用电量，换算成CO2排放量，给用户相应提示。

5 项目实施方案

5.1 逻辑框架图

1）烟雾报警器

3）光敏传感器

① 白天时实现的功能

② 黑夜时实现的功能

5.2 系统工作原理

1）嵌入式网关通过蓝牙方式连接平板，平板电脑可以接收和发送指令给嵌入式网关。

2）门磁传感器、烟雾传感器、固定报警器的数据采集发给嵌入式网关，嵌入式网关通过蓝牙方式发送给平板电脑，平板电脑对采集到的数据做相应判断，并将处理结果发送给嵌入式网关，同时通知手机、PC。

3）平板电脑可以关闭相关报警器，手机也可以通过无线网络对平板电脑发送指令关闭相关报警器。

4）光敏传感器感知光线变化，通过继电器发送信号给嵌入式网关，嵌入式网关接收到相应信号后转发给平板电脑，平板电脑发送指令改变终端的RF433的工作模式。

5.3 IP规划、无线路由器用户名和密码

将摄像头，路由器连接电源，再用网线将PC和摄像头接入路由器LAN端口，具体配置如下表1所示：

5.4 各节点配置

5.4.1 嵌入式网关配置

嵌入式网关具体涉及的配置相对较多，可以分为网关配置、ZigBee模块配置、蓝牙模块配置、RF433/315模块配置以及RS485总线配置。

1）网关配置：硬件地址的设置以及通信方式的设置；

2）Zigbee模块配置：设置PAN ID、CHANNEL及模块的类型（协调器还是路由器）

3）蓝牙模块配置：设置蓝牙模块名称、连接密码、工作状态及工作模式；

4）RF433/315模块配置：解码/数传模式配置；

5）RS485总线配置：设置串行通信数据传输格式。

5.4.2 ZigBee节点配置

由ZigBee组网条件可知：

1）一个ZigBee网络必须具有一个唯一的协调器，至少一个路由器；

2）组网的各模块具有相同的CHANNEL；

3）组网的各模块具有相同的PAN ID。

在配置嵌入式网关的过程中，将嵌入式网关设置为协调器模式，其余Zigbee节点要连接到嵌入式网关的网络中，通过PAN ID来进行识别与组网。

通过查询嵌入式网关的硬件地址，在本方案中，对嵌入式网关的Zigbee模块PAN ID设置为506A，因此其余ZigBee节点的PAN ID也应设置为506A，则必须首先对ZigBee节点的硬件地址进行修改和分配，如下表2所示：

5.4.3 RF433/315配置

在数传模式中，同步头字节同样必须根据嵌入式网关的硬件地址来进行设置即可。

5.5 传感器数据采集及处理过程

在本系统方案中，传感器得到的相关数据通过Zigbee模块、射频模块等方式发送信号，嵌入式网关得到原始信号，并进行相应处理，打开执行单元输出端，将告警信息传递给移动终端设备。下面以烟雾传感器/门磁传感器、光敏传感器为例分别简要说明通过Zigbee和继电器信道进行数据处理的过程。

5.5.1 烟雾传感器/门磁传感器报警

当烟雾传感器/门磁传感器处于打开状态（非法入侵）时，烟雾传感器/门磁传感器会产生高/低电平信号，通过ZigBee3模块将高/低电平信号通过网络方式进行上报，嵌入式网关中，设置相应程序段判断接收高电平信号，通过蓝牙、无线网络和RS485总线方式可对平板电脑、智能手机和继电器进行相应信号传递。

串口继电器收到Modbus协议格式命令发送打开对应的声光报警器输出端开关。

平板电脑在接收到信号后，可远程进行信号处理，发送Modbus协议格式命令给嵌入式网关，通过嵌入式网关给串口继电器关闭声光报警器输出端命令。

智能手机接收到信号后，可发送关闭命令给平板电脑，平板电脑接收命令后，再发送Modbus协议格式命令给嵌入式网关，通过指令对继电器操作，关闭声光报警器输出端命令。

5.5.2 光敏传感器

1）白天状态固定报警器报警

当固定报警器按下时，固定报警器会上报低电平信号，通过RF433模块将低电平信号进行上报，嵌入式网关设置相应程序段判断接收上报信号，同样通过蓝牙、无线网络和RS485总线方式可对平板电脑、智能手机和继电器进行相应信号传递。串口继电器、平板电脑和智能手机接收到信号后的处理过程同前。

2）黑夜状态人体红外传感器接收到信号开启LED照明系统延时关闭

当接收到人体红外传感器信号时，人体红外传感器会发送自身硬件地址，嵌入式网关设置相应程序段判断接收数据值，开启LED灯，同时设置多线程，延时关闭。

6 总结

本文针对现有智能家居设备进行功能分析，主要对移动互联基础上的智能家居进行系统设计，从成本、可行性分析，到系统方案的设定，以及系统项目方案的实施进行阐述，对嵌入式网关、各传感器模块、通信模块、串口继电器和执行单元及信息处理的整个工作过程加以论述，提出并设计了一种基于移动互联应用的智能家居系统设计方案，同时也可作为训练和考查学生在典型移动互联应用环境下的应用设计、通信组网、系统部署与维护、工程技能等方面的综合知识与技能的案例模型，指导电子信息大类跨专业、高水平复合型人才的培养，引领高职院校电子信息大类专业教育教学改革，为今后进一步的研究和应用提供了一定的参考。

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