基于物联网的智慧家庭系统设计与实现

张立勋　杜选　黄淳岚

摘要：随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对能提供便捷生活方式的智能家居有着越来越高的要求。为此，基于物联网技术，设计开发了智慧家庭系统，该系统采用多种无线传感器，对家居环境数据采集、分析，并可通过互联网技术远程控制室内的相应器件，提高家居生活的舒适度和安全性，确保健康环保的家居环境，实现了家庭智慧化。

关键词：物联网；智慧家庭；健康家居；智能感知；ZigBee

中圖分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）19-0306-03

1 引言

随着工信部《物联网发展规划（2016-2020）》和《中国制造2025》等各种战略规划的提出，物联网的发展在我国已成为技术及产业创新的重点，物联网技术的大范围推广应用将是必然的趋势。

近年来，IT行业逐渐与其他行业不断融合，推动各行业向智能化方向发展。现阶段在物联网的推动下，智慧城市、智慧医疗、智慧养老等各种智慧化服务模式不断涌现，智慧化信息服务走进家庭的趋势将势不可挡，智慧家庭的推进和发展是不可避免的。

智慧家庭综合了互联网、计算处理、网络通信、感应与控制等技术，与新能源、文化创意产业等并列为战略性新兴产业的无线智能家居产业，有着巨大的市场前景。

2 需求分析

为了提高家居生活的智能化，基于物联网技术，设计开发了智慧家庭系统。该系统分为三个模块：实时数据显示模块、联动控制模块、执行控制模块。系统功能模块图如图1所示：

智慧家庭系统可以实现如下功能：

（1） 实现家庭内部信息在各种终端的快速信息共享。如在PC、APP之间的数据共享。

（2） 通过家庭网关实现远程终端对各种家用电器的控制、调节和检测，比如对空调、灯具、电动窗帘、温度和湿度控制器、风量调节器等的控制。

（3） 实现有害气体检测、防盗报警、烟雾自动探测并自动报警，通过网络发送到用户手机或小区管理中心。

（4） 通过家里的摄像头，利用家庭网关作为视频服务器，用户在远端通过internet可以实现监控家庭安全。

3 总体设计

3.1 系统总体架构

智慧家庭系统从传输过程上分为无线传感节点、网关和客户端（Android和Web）三部分。系统总体框架结构如图2所示：

（1） 传感器节点通过ZigBee网络与协调器进行组网；协调器通过串口与网关进行数据通信

（2） 底层节点的数据通过ZigBee网络将数据传送给协调器。协调器通过串口将数据转发给网关服务；通过实时数据推送服务将数据推送给所有连接网关的客户端；通过历史数据存储服务将数据存储到数据中心。

（3） Android应用程序通过调用ZCloud SDK（智云平台） API的实时数据连接接口实现实时数据的采集。

3.2客户端界面设计

客户端界面如图3所示，智慧家庭网页版主要包括上部的页眉和下面的主体两个主要部分。其中页眉里面展示的是智慧家庭的提示以及本系统所使用的一些主要的传感器，以及是否连接到服务器的状态提示。主体部分是传感器采集到的家居环境的状态数据以及一些控制开关，用户可以打开或关闭自动数据采集、报警功能。

3.3数据结构设计

数据结构设计的目的是为了实现数据调用，数据传输，并且保证一定的精度，可以使系统根据参数更加准确的做出判断。具体传感器及其相应的参数如表1所示：

通过以上数据可以知道不同传感器对应的不同参数以及相应的权限，为实现数据的可操作性做好规划。

4 详细设计与实现

4.1 传感器硬件设计

智慧家庭系统中采用了以下几种传感器：可燃气体传感器、温湿度传感器、空气质量传感器、声光报警传感器、继电器、步进电机传感器。下面以空气质量传感器为例介绍无线传感器的工作原理。

空气质量传感器的工作原理：当空气中存在污染气体时，传感器的电导率会随之改变，用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，并图中的ADC口连接到CC2530的P0_1口，CC2530是通过ADC来读取空气质量传感器的输出的值，当检测到空气质量有变化时，ADC转换的值会发生变化。

系统中的其他传感器与空气质量传感器的硬件设计思路相似，由于篇幅有限不再赘述。

4.2 无线节点工作流程设计

本系统使用的CC2530 无线节点采用 TI 公司的 CC2530 ZigBee 处理器，运行 ZStack 协议栈，它为 CC2530 节点提供基于 OSAL 操作系统的无线自组网功能。无线节点流程图如图5所示。

4.3 Android客户端设计与实现

本系统的Android工程框架如表2所示。

5 结语

本文主要是设计与实现智慧化家庭服务系统平台，其中包括系统的总体设计框架和开发此系统所需的关键技术。系统主要分为实时数据显示、联动控制和执行控制三个模块，通过这三个模块，将无线传感器网络拓扑结构中各类环境参数，在移动终端和web平台实时显示，供用户查看，监控家庭安全；将多类传感器联动控制，实现自动调整环境变量，确保家庭安全；由web平台和移动终端远程操控智能控件，确保便捷、舒适的家居环境。该系统现已实现远程访问控制、电机控制、声光报警、继电器的操控、可燃气体浓度检测、温湿度和空气质量检测等功能。

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