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新型智能家居控制系统设计研究

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摘要:

主要对基于物联网的新型智能家居控制系统的设计展开了研究,从系统整体设计、系统硬件设计、嵌入式网关设计和系统监控页面设计四方面对基于物联网的新型智能家居控制系统的设计进行了详细的介绍,以期能为相关设计提供参考和借鉴。

关键词:

物联网;智能家居控制系统;嵌入式网关;监控页面

随着科技的不断进步和社会信息化脚步的不断加快,物联网技术逐渐得到了迅速的发展,融合了信息采集、数据通信、数据存储、数据分析、节能环保等一系列物联网技术的智能家居控制系统也逐渐走进了人们的生活。智能家居控制系统是以信息传输网络为硬件平台,各种网络技术为软件支撑平台,通过现场总线将家庭生活中所用的通信设备、家居设备和家庭安全防范设备连接起来的一种智能控制系统。该系统能满足人们对家居环境安全性、方便性、舒适性和可控制性的需求,具有良好的市场前景。鉴于此,笔者将对智能家居控制系统的设计进行详细的介绍。

1系统总体设计

根据智能家居控制系统的功能需求,将其分为四个子系统:①环境监控子系统,主要作用是将室内的温湿度、光照度等环境因素控制在适宜的范围内。②安防监控子系统,主要作用是监控室内的防盗、火灾、燃气泄漏等安全状况。一旦出现紧急情况,系统将自动报警,且使执行机构产生相应的动作。③远程抄表子系统,主要作用是采集并显示室内的水、电、煤气数据,月底发送数据报表。④供电控制子系统,主要作用是确保机电设备正常用电,并以室内的温湿度、光照度、安防等为对象进行优化控制。在设计时,应兼顾各个系统之间的交互联动控制,在组态软件Kingview的基础上开发具有开放性的智能家居综合管理系统。

2系统硬件设计

为实现上述智能家居的总体设计,采用无线传感网络通信技术ZigBee和嵌入式ARM技术构建家庭WEB网关平台,通过红外传感器、气敏传感器、湿敏传感器、温度传感器和无线智能插座等设备实现相应的功能。本文仅选择其中两个具有代表性的子系统来介绍具体的设计情况。

2.1环境监控子系统的设计环境监控子系统主要包括温湿度和光照的检测两部分。温湿度检测是非常重要的一环,本设计选用数字式集成温湿度传感器SHT11来实现该功能。SHT11的检测精度能够满足家庭使用需求,其检测信号通过无线传感网络传送到家庭WEB网关平台,并通过家庭网关进行后续信号的处理。无线传感网络采用ZigBee技术。ZigBee这种新型的无线网络具有抗干扰、低功耗、易组网等特点,能够满足物联网行业的需求。本设计选用的ZigBee芯片为CC2430芯片。该芯片是世界上首款符合ZigBee标准的射频单芯片,其频率为2.4GHz,由CHIPCON公司设计,适用于多种ZigBee标准的无线网络节点以及与之相关的路由器、协调器和终端设备等。CC2430芯片集成度很高,只需较少的外围器件就可以组建一个完整的系统进行信号的接收和发送。在硬件电路的基础上,配合相应软件就可以实现温湿度信号的采集和报警。为了实现对温湿度的检测和控制,除了由上述温湿度检测电路向家庭网关传送数据外,还需要设计一个接收控制命令的执行机构。本文选用以标准CC2430模块为核心的智能插座,并在外围扩展继电器控制电路,根据开关命令实现继电器的通电和断电。继电器的通电和断电由CC2430的一个输出引脚控制。智能插座硬件节点电路如图1所示。当三极管由导通变为截止时,继电器线圈会出现较大的感应电势,为了保护三极管,在继电器两端反向串联一个续流二极管4418,以吸收该电势。

2.2安防监控子系统的设计安防监控子系统的硬件电路结构如图2所示。其中,气敏传感器负责检测燃气的泄漏情况。本设计选择QM-N5型气敏传感器,当其检测到燃气泄漏时,电导率迅速升高,将此信号放大后通过CC2430模块传送给主控器。热释电红外传感器是基于热电效应的红外传感器,其热电系数高于热电偶,由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成,通过配套的菲尼尔透镜,能够检测到一定范围内的人体辐射,并进行防盗报警。火灾报警选用烟雾传感器,当检测到烟雾时,传感器的电阻值发生变化,并输出相应的信号进行报警。

3嵌入式网关设计

物联网网关在智能家居控制系统中占据非常重要的地位,它起着承上启下的作用,是连接服务器与终端设备的枢纽,且负责运营商网络和家庭内部网络的交互访问。此外,用户对家居设备的远程控制和管理也需要通过物联网网关完成。本设计的物联网网关采用S3C2440芯片作为主控制器。S3C2440是以ARM920T为核心的RISC微处理器。该芯片具有低功耗和高性能的特点,能够满足设计需求。家庭网关系统结构如图3所示。主控制器S3C2440和ZigBee模块、3G模块的连接通过USB接口实现。

4监控界面设计

利用北京亚控科技发展有限公司开发的组态软件Kingview6.53来设计监控界面。Kingview软件是用于过程控制和数据采集的专用软件,提供资源管理模式的操作界面,使用灵活,支持多种主流硬件设备,包括艾默生、欧姆龙、西门子等各厂家的PLC系列、智能仪表系列、智能模块系列、板卡系列等。Kingview软件具有较强的通信功能,并提供OPC接口、网络等功能,在国内市场占有很大的比例。

4.1基于Kingview的设备驱动设计Kingview软件将与其通信的设备都看作是外部设备。为实现与外部设备的通信,Kingview软件内置了大量设备的驱动程序,以此作为通讯接口。在运行期间,Kingview软件通过驱动程序和外部设备收发数据。每一个驱动程序都是Kingview软件的一个COM对象。这种通信方式使驱动程序和Kingview软件组成一个完整的系统。Kingview软件驱动程序是其与硬件设备连接的枢纽,本设计中的通信协议采用小端模式,即默认数据格式为低字节数据在前。该协议定义了光强感测设备、灯光控制设备、温湿度检测设备、电能检测设备、人体检测设备、燃气泄漏检测设备、智能插座、幕布控制设备共八类设备。利用驱动加载工具将驱动加载到Kingview软件中需要以下三步:①给该驱动配置一个描述文件(扩展名为.des)。该描述文件不能单独使用和操作,只能配合驱动文件一起安装使用。②在建好.des文件后,利用驱动开发包工具加载安装驱动。③打开Kingview软件的工程管理器,点击“设备”,然后再点“新建”,出现“设备配置向导”,在“设备驱动”一栏即可看到新加载的驱动。

4.2基于Kingview的监控界面设计监控界面是使用者操控底层设备的界面,通过监控界面可以实现对家居设备的全面检测和实时控制。利用Kingview软件开发工程的一般步骤如下:设计图形界面,即定义画面;定义设备;构造数据库,即定义变量;建立动画连接;运行和调试。

5结束语

综上所述,智能家居控制系统的应用使得家庭生活更安全、方便,提高了人们的生活质量,具有良好的应用前景。本文设计的基于物联网的智能家居控制系统不仅能够将整个家居中可连接到网络的所有电气设备有机整合到一起,并对这些设备进行有效控制,还能够实现对整个系统的实时监控和管理,具有实现简单、性能稳定、适用范围广、安全、可靠等优点,值得被广泛推广和应用。

参考文献

[1]姜宇航.基于物联网的智能家居控制系统设计[D].长春:吉林大学,2014.

[2]徐健.基于物联网的远程智能家居控制系统的设计[J].信息与电脑(理论版),2015(15)。

作者:范明中 单位:深圳市天健智能楼宇科技有限公司

新型智能家居控制系统设计研究责任编辑:杨雪    阅读:人次