基于物联网的智能家居系统设计与实现

臧大进，刘增良，高 干，杨入超

(1.铜陵学院 电气系，安徽 铜陵 244000；2.中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008)

基于物联网的智能家居系统设计与实现

臧大进1,2，刘增良1，高 干1，杨入超1

(1.铜陵学院 电气系，安徽 铜陵 244000；2.中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008)

随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展以及人们生活质量的不断提高，享受智能化的家居生活已经成为可能，并且是家居生活发展的必然趋势. 鉴于此，设计基于物联网的智能家居系统，该系统主要以32位嵌入式处理器ARM 11和Windows Embedded CE6.0R2操作系统为平台，有线与无线通信互为备份，实现家庭安防、三表抄送、家电监控等功能. 实际应用中成本低、性能稳定、界面友好.

网络技术；物联网络；智能家居系统

随着人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以数字化和网络化为平台的智能化社会，人们对工作、生活等环境的要求也越来越高，其中正在兴起的基于物联网技术的智能家居则是依照人体工程学原理，融合个性需求，将感应器嵌入到与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖等中，通过现有网络链接、控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验[1-3].

但由于体制、行业利益等方面的原因，我国目前的三表远程计量、住户安全监控、小区管理等系统大都自成体系，独立设备、独立线路结构、独立的管理运营模式. 在该模式下，无疑会造成人员和设备的极大浪费，同时会给住户带来使用上的极大不便及增加维护、维修的工作量. 基于以上考虑，本着以下五个原则设计了本智能监控系统.

1)充分利用好住宅区现有的信息化资源，尽可能保护住户的现有信息化软硬件设备投资.

2)采用先进成熟的技术和标准. 在构建小区智能监控系统时采用符合业界标准的、先进的、成熟的技术，避免短期重复建设和技术落后，充分借鉴其它行业的成功经验，吸取其失败教训，少走或避免走弯路，做成一项精品工程.

3)高度的安全性. 全面有效监控家居安全，无论是家庭防盗，还是住户的水、电、气使用及其它家用设施的安全，包括网络的自身安全[4-5].

4)可扩充性. 在满足住户现有设备安全监控的前提下，对小区及住户未来的发展需求作总体规划，便于在进行监控网构建时软硬件上留下一定的扩充余地.

5)操作界面友好，提供在线帮助，操作简单.

图1 系统整体结构示意图

1 智能家居系统的组成、结构、功能

1.1 系统整体结构

如图1所示，从网络结构上看，系统主要由三层网络组成，最底层网络使用CAN现场总线将住户所有用电设备连接到各住户的智能分站上；各智能分站通过以太网模块或GPRS模块连接到物联网或移动网. 用户通过电脑或手机访问和操控自己家里的用电设备，如空调的开关、温度的调节，实时调阅水电气表的读数，查看冰箱里食物的储存情况等. 为确保安全和效能，小区通信系统采用有线和无线互为备份的方式，确保住户监控数据的安全可靠传输.

1.2 功能子系统

采用基于LonWorks[6-7]控制网的家居智能控制集成系统产品，系统具有模块化扩展功能.

1.2.1 多媒体系统

每户配置一个多媒体接线箱，用于电话、数据、有线电视等线缆入户并跟户内各信息插座对接. 户内信息点的数量和位置由住户自己确立.

1.2.2 可视对讲系统

在楼宇单元入口处电控安全防盗门上设置访客编码式可视对讲门口机，别墅配置独户型可视对讲门口机，户内设置可视对讲室内机，管理中心配置对讲管理主机. 系统具有感应卡和钥匙开起电控锁功能，室内电话机可以对讲开门，单元门口机可复用为巡更系统的巡更点，门禁卡可与停车消费等系统实现一卡通. 1.2.3 家庭安防系统

户内设置燃气泄露报警、火灾报警、防非法入侵和紧急求救报警功能. 每户在厨房安装1只煤气泄露报警探测器和联动电磁阀，在客厅设置1只烟感探测器、1个红外探测器，一、二层和顶层住户每个窗户、阳台加装1对红外栅栏. 系统具有编程设定不同防区类型及报、接警方式，通过电话远程遥控设防，本地现场报警、电话语音报警和向小区管理中心报警等多种报警方式，在家庭控制键盘上能够对近期操作记录和报警信息查询，中心接警机也有警情记录和报警住户信息自动显示功能.

1.2.4 家电控制系统

家电智能控制系统主要提供两种控制方式：1)本地集中控制. 通过智控键盘家中电话机集中对被控家用电器进行操作控制，如家里配置子母电话机，利用子机可以实现遥控操作. 2)远程电话控制. 业主在外通过电话或手机拨打家里电话号码，若家中无人应答时，智能控制系统自动接听电话，并通过语音提示业主完成相应操作. 被控家电为客厅的空调，卫生间的电热水器.

1.2.5 信息交换功能

系统具有物管中心与住户进行信息交换功能，通过小区总控主机向每户家庭的智控键盘发布短信息，如天气预报、通知等. 用户通过智控键盘查阅接收到的文字信息，也可以向中心总控主机发送代码信息，如服务请求等，以便于物管有计划处理.

1.2.6 三表抄送功能

系统具有将住户水、电、煤气等表具数据自动抄送至小区管理中心的功能，同时用户也可通过智控键盘查看煤、水、电等的使用状况.

2 系统实现

2.1 硬件平台

中央处理器选用三星ARM 11处理器S3C6410(主频667MHz)[8]；内存512M Mobile DDR；2G NAND FLASH.

采用W I-FI无线上网模块：台湾USI公司模块WM-G-MR-09，芯片为Marvell 88W 8686，全面兼容

IEEE802.11b/g国际标准，SDIO接口；IEEE802.11g：54Mbps、48Mbps、36Mbps、24Mbps、18Mbps、12Mbps、9Mbps、6Mbps速率自动调节；IEEE802.11b：11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps速率自动调节.

GPS模块采用SiRF Star III GSC3F/LP-7979模块，灵敏度要求追踪时为159dBm，捕获时为144dBm.

1个VGA接口：采用超强专用芯片，芯片内集成16Mbit内存，可连接各种VGA接口的CRT显示器或液晶显示器，可软件调节对比度，输出分辨率为1280*1024，典型支持1024*768，可播放高清视频.

4个USB HOST接口，可同时接各种USB设备，满足平台扩展需要；接口符合USB Rev1.1标准，支持全速(12Mbps)或低速(1.5Mbps)传输.

使用10/100M以太网接口：一路10M/100M有线网口采用DM 9000AE，带联接和传输指示灯；另一路10M有线网口采用CS8900，带联接和传输指示灯.

1个摄像头接口：底板上内置一个130万像素的CMOS Camera模组，可直接摄影并在液晶屏幕上显示，有一个2.0mm间距双排插座用于摄影机扩充，该扩充接口可连接其它型号CMOS Sensor摄影机，支持标准为ITU-R BT.601/656 YCBCR 8-bit standard.

1个CAN总线接口，全面支持CAN2.0A和CAN2.0B协议.

2.2 软件平台

操作系统选用W indows Embedded CE6.0R2[9]；设备驱动(Device Driver)为SD/MMC驱动，支持高速SD/MMC卡，最大支持8G；网口驱动为10M/100M自适应网口驱动；LCD驱动为支持默认分辩率800×480；AUDIO驱动支持AC97；CAMERA驱动支持OV9650摄像头模块；W I-FI驱动支持802.11b/g；GPS驱动支持SIF III 全球定位；MFC驱动为Multi Format CODEC(H.264/MPEG4/VC1)；Post processor驱动为Video Post Processor；JPEG驱动为JPEG CODEC；TV OUT驱动为NTSC，PAL TV out(w ith Image Enhancement)；2D驱动为2D Graphics driver；3D驱动为3D Graphics；VGA驱动支持分辨率640×480；USB HOST驱动U盘；UART驱动；2G NAND FLASH驱动；512M DDR驱动；TOUCH驱动为四线电阻式触摸屏驱动；Keypad驱动支持8x8键扫描；RTC驱动支持实时时钟；支持MP3播放和MP4视频播放，支持多种网络应用，如HTTP等.

2.3 系统流程

系统流程如图2所示，主程序是整个软件系统的核心，它由系统初始化、看门狗激励、数据采集、数据刷新和数据处理等模块组成. 数据采集模块完成的工作是收集各监测点的实时信息，同步显示系统当前的状态，给各监测点相应的工作指令；各监测点完成的工作是检测各设备的实时工作状态，并将其以报文的形式通知数据采集模块，同时接收主控站点的工作指令，依据指令完成相应的动作. 为保证数据的一致性、可靠性，系统设定每日的零点为数据的刷新时刻，并设定相应的数据采集时长，以防个别监测点故障而影响整个系统，从而保证整个系统的正常工作.

图2 系统流程图

3 结语

为适应正在兴起的智能家居需要，采用模块化设计理念，设计一集资源计量与安全监控于一体的具有良好人机界面、功能齐全、丰富动态数据显示的可远程查询、监控的智能家居系统，经实验调试和现场运行测试表明，该设计方案正确可行，与目前国内同类产品比较具有较高的性价比.

[1] 臧大进. 镁厂配料自动化系统的研究[J]. 矿山机械, 2008, 36(15): 98-101.

[2] 朱华生, 冯祥胜. 基于ARM智能家居控制器设计与实现[J]. ARM开发与应用, 2007, 23(1): 186-190.

[3] 陈志刚. 基于组态的管道泄露检测系统研究与应用[J]. 计算机测量与控制, 2007, 15(10): 1268-1269.

[4] 谢勤岚, 余晓峰, 杨玉甜. 基于ARM和嵌入式实时操作系统的汽车黑匣子设计[J]. 中南民族大学学报: 自然科学版, 2010, l29(1): 103-106.

[5] 臧大进. 基于Internet/Intranet的井下胶带机运输系统的研制[J]. 矿山机械, 2005, 33(9): 66-67.

[6] 马永平. 航空电机计算机自动测试系统的设计与实现[J]. 计算机工程与设计, 2007, 28 (12 ): 3009-3012.

[7] 李剑雄, 张 策, 杨 军. 基于ARM和DM 9000的网卡接口设计与实现[J]. 微计算机信息, 2008, 24(5):123-124.

[8] 李正军. 现场总线与工业以太网及其应用系统设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.

[9] 范学英, 张明新. 嵌入式系统概述[J]. 自动化技术与应用, 2008, 27(2): 113-115.

Design and Im plementation for Smart Home Control System Based on Internet of Things

ZANG Da-jin1,2, LIU Zeng-liang1, GAO Gan1, YANG Ru-chao1
(1 Department of Electronic Engineering, Tongling University, Tongling 244000, China; 2 School of Communication & Electronic Enineering ,China University of M ining and Technology, Xuzhou 221008, China)

W ith the development of computer technology, network techniques and information technology, as well as the requirements for the continuous improvement of living, enjoying intelligent household life has become possible, and become the inevitable tendency. A kind of smart home control system which based on 32-bit embedded processor ARM 11 platform and Windows Embedded CE 6.0 R2 as platform, cable network communications and w ireless network communication mutual backup is designed. This system is mainly designed to complement family safety, three meter cc, household electrical appliances’ remote control, which can realize the concentration supervisory control and management to the housing safe condition, and achieve the household electrical appliances’ monitor and control, etc. It can provide lower costs, working higher dependability, better interface and outstanding capability/price ratio.

Network technique; Internet of things; Smart home control system

TQ174.758.11；TE357.12

A

009-2854(2010)11-0037-03

(责任编辑：陈 丹）

2010-09-14

臧大进(1968— )，男，江苏泰州人，铜陵学院电气系副教授，博士，主要研究方向：智能控制与智能决策.