智能家居实训平台开发与应用

高同辉, 刘东晓

(1. 平顶山工业职业技术学院 自动化系, 河南 平顶山 467001；2. 平顶山工业职业技术学院 机械工程系, 河南 平顶山 467001)

智能家居实训平台开发与应用

高同辉1, 刘东晓2

(1. 平顶山工业职业技术学院 自动化系, 河南 平顶山 467001；2. 平顶山工业职业技术学院 机械工程系, 河南 平顶山 467001)

为满足物联网应用技术等专业学生和教师对专业核心技能综合实训的需要,开发出以嵌入式技术和ZigBee技术为核心的智能家居实训平台。该实训平台能够实现家居照明控制、家庭安防、家电控制、家庭环境控制等功能,能满足课程实训、科技创新、深度开发等3个层次的实践教学的需要。对该实训平台进行了总体结构设计和软硬件设计,并举例说明了使用方法。

智能家居； 实训平台； 传感器； 嵌入式； ZigBee

物联网技术是借助各种信息传感设备,按约定的协议将任何物品的信息与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。掌握物联网的应用是对现代高职院校电类专业学生的重要技能要求。智能家居系统是物联网的应用领域之一,开发智能家居实训平台能够实现学生对物联网的综合训练的需要,提高学生的物联网综合应用技能。

1 智能家居实训平台总体设计

智能家居是利用各种技术和设施实现家居的管理与控制,从而提升家居的安全性、便利性、高效性和舒适性[1],它是以住宅为平台,把计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术、综合布线技术等集合为一体,实现实时监控、安防报警、门禁系统、温湿度管理、照明系统管理、存储管理、网络管理等功能[2]。

根据智能家居的基本功能需求,智能家居实训平台主要由嵌入式网关、协调器、ZigBee传感网节点等构成[3],实训平台总体结构如图1所示。该平台主要实现家居照明控制、家庭安防、家电控制、家庭环境控制等功能。

智能网关支持与ZigBee的扩展开发节点组建无线网络[4],并维护无线网络通信,将节点信息和网络信息实时显示,同时提供以太网、WiFi、蓝牙、GPRS等接口,实现远程控制与操作。ZigBee传感网节点负责收集感知设备数据、无线传输数据及控制执行设备数据[5]。协调器的作用是建立、维持和管理ZigBee网络。

图1 智能家居实训平台总体结构

2 智能家居实训平台硬件设计

2.1 智能网关选型与设计

智能网关主要用于外网与内网的互联,网关采用三星S3C6410基于ARM11的微处理器作为嵌入式核心板[6],该嵌入式核心板是广州友善之臂计算机科技有限公司的Mini6410开发板,其CPU基于ARM1176JZF-S核设计,内部集成了强大的多媒体处理单元,集成了256MB DDR RAM,256MB/1 GB SLC Nand Flash存储器,并有丰富的通信接口。

2.2 协调器及其扩展节点设计

协调器主要用于无线收发、转发数据,组建各种拓扑结构的无线传感网络。协调器采用TI公司的CC2530,CC2530是用于IEEE802.15.4/ZigBee片上系统的解决方案[7],协调器电路如图2所示。该芯片采用增强型8051 CPU,8KB RAM和许多其他强大的功能,并且非常适合超低功耗的系统。

扩展节点是将ZigBee无线通信模块、液晶屏、多种传感器和多种接口等集成于一体。无线收发模块选择CC2530为主控制器,传感器数据管理部分选择STM32F107为主控制器[8]。扩展节点电路结构如图3所示。

2.3 感知和执行设备选择

智能家居实训平台具有智能环境监控功能,采用了多种不同类型的感知设备和执行设备,主要有烟雾传感器、摄像头、红外对射传感器、RFID门禁、报警指示灯、蜂鸣器、磁力锁、位移传感器、气体传感器、温度传感器、湿度传感器、光照传感器、风扇、电表计量插座[9]等。

感知设备与扩展开发节点相连,负责采集数据,并通过无线网络传输给协调器,协调器再发指令给扩展开发节点连接的执行设备,完成智能家居的闭环无线网络控制。

图3 扩展节点电路结构图

3 智能家居实训平台的应用

智能家居实训平台利用Qt图形界面应用程序[10]制作成嵌入式网关演示软件,使传感器数据采集可以进行动态演示,结合智能家居的应用场景,逼真地展示ZigBee

无线通信技术在智能家居中的实际应用。模拟智能家居综合实训平台在实训教学中的应用分以下3个步骤。

第一步:建立ZigBee 无线网络协调器(Coordinator)、路由器(Router)和终端设备(End-Device)的物理连接[11](见图4)：

第二步:建立ZigBee无线网络拓扑结构。首先作为负责启动整个网络的协调器上电后,按照指定的信道和PAN_ID建立无线网络,然后各个扩展节点作为终端设备加入该无线网络,从而建立起一个星状拓扑结构的网络。ZigBee无线网根据Z-Stack协议栈[12]文件f8wConfig.cfg设置信道和PAN_ID等参数,其中ZDO_CONFIG_PAN_ID参数可以设置为一个0—0x3FFF之间的一个值作为协调器启动网络的PAN_ID,-DDEFAULT_CHANLIST=0x00004000参数设置信道值。

第三步:无线数据传输。路由器向协调器发送地址信息、网络信息和数据信息,协调器接收到路由器的信息后,将这些信息解析并传送给PC,PC上位机软件根据这些信息显示当前网络的拓扑结构图。在星状网络拓扑结构中,所有终端设备的父节点都是协调器,终端设备之间是通过协调器来进行数据转发的,此时协调器起路由器的作用。

实训内容及现象:启动IAR软件[13],编写程序并编译成可执行文件,通过JTAG端口将程序烧录至STM32控制器。主程序流程[14]如图5和图6所示。将协调器和计算机通过USB线连接起来,打开协调器的电源开关,可以看到协调器模块上LED1红灯亮。建网成功后,LED1变为蓝色,并在液晶屏上显示PAN_ID号,表示协调器已建立起一个Mesh网络,接收到数据时LED3绿灯闪烁。依次打开9个路由器的电源开关,如果是CITE无线节点,则在刚上电时路由器设备上LED1红灯亮,液晶屏显示OFF和Router,表示当前的网络状态(加入或未加入)和设备类型；加入网络成功后变蓝色,并在液晶屏上显示自己的短地址[15],液晶屏显示ON和Router,表示路由器节点已经加入网络,发送数据时LED3的蓝灯闪烁。

图5 协调器程序流程图

图6 路由器程序流程图

4 智能家居综合实训的内容

智能家居综合性实训有以下内容。

(1) 室内灯光控制:用手遮挡或不遮挡光照度传感器,从而控制室内照明灯的开、关或亮度。

(2) 控制风扇:用超声波传感器模拟风扇自动控制系统,用手或书本等放在超声波传感器的正上方并改变测量距离。当超声波传感器测量的距离l符合0 m

(3) 门禁控制:用红外传感器模拟红外线门禁系统。当用手挡住红外线传感器时表明有人要进入房间,门会自动打开。

(4) 空调控制:利用温度传感器模拟温度感应系统,当用嘴对着温湿度传感器吹气时,表示“室内温度”升高,空调会自动开启制冷,以降低“室内温度”。

(5) 电视控制:按键模拟室内的电视遥控器,按下按键可以控制室内电视的开与关。

5 结束语

智能家居实训平台是基于物联网技术的多学科综合性实训装置,是将家电控制、照明控制、窗帘自控、门禁控制、远程抄表等功能融为一体的智能家居模拟系统。通过近两年的实训教学证明,该实训平台能够满足高校电类专业学生课程实训、创新设计、二次开发等3个层次的实训教学需要,为学生学习物联网相关专业技能发挥了积极的作用。

References)

[1] 杜伟略,潘健.物联网综合实训平台设计[J].实验技术与管理,2013,30(9):63-67.

[2] 严海洋.基于ARM的智能家居系统的设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[3] 申斌,张桂青,汪明.基于物联网的智能家居设计与实现[J].自动化与仪表,2013,34(2):6-10.

[4] 徐志宇,胡明忠,丁晓炯,等.基于IntB4TJ工具箱的智能照度控制系统[J].实验室研究与探索,2014,33(4):87-91.

[5] 苏本跃,王广军,章健.基于物联网环境下体感交互技术的智能家居系统[J].中南大学学报,2013,44(增刊1):181-184.

[6] 赵勇.基于ARM和ZigBee的智能家居远程监控系统设计[J].测控技术,2012,31(11):52-54.

[7] 崔茭.基于ARM和ZigBee的物联网智能家居系统的设计[D].上海:东华大学,2013.

[8] 徐书芳,王金海,宫玉龙,等.基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计[J].电子技术应用,2013,39(8):80-83.

[9] 张毅,马钧元,杨校权.基于Cortex和ZigBee的智能家居网关设计与实现[J].电视技术,2013,36(1):56-58.

[10] 辛海亮,钟佩思,朱绍琦,等.基于ZigBee的物联网智能家居控制系统[J].电子技术应用,2013,39(12):79-85.

[11] 杨璐,刘宝栋,王银涛.基于ZigBee技术的智能家居系统门窗联动设计与实现[J].实验室研究与探索,2013,32(8):297-300.

[12] 李鑫.基于ZigBee的汽车电子测试平台数据采集系统的设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[13] 李治斌,邓小芳,张余明,等.基于ZigBee技术的智能调光开关设计[J].传感器与微系统,2014,33(1):60-63.

[14] 刘文军,樊建席,李春胜,等.基于ZigBee无线传感器网络的智能交通系统设计[J].传感器技术学报,2013,26(12):1747-1751.

[15] 祝章伟.基于ZigBee网络的智能家居网关及终端节点设计与实现[D].长春:吉林大学,2013.

Development and application of intelligent home training platform

Gao Tonghui1, Liu Dongxiao2

(1. Department of Automation,Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan 467001,China；2. Department of Mechanical Engineering; Pingdingshan Industrial College of Technology; Pingdingshan 467001,China)

In order to meet the needs of comprehensive professional training of students and teachers who are majoring in Things of Internet in core skills,the intelligent home training platform is developed by embedded technology and ZigBee as core. The training platform has several kinds of functions,such as home lighting control,home security,appliance control,home environmental control and others. The overall design and hardware and software design of the training platform are shown,and it illustrates the using method.Through teaching practice,it’s proved that the training platform has met the needs of the three levels of practical teaching, including course training, technological innovation, and depth development.

intelligent home; training platform; sensors; embedded; ZigBee

2014- 11- 23

2014年河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A520040)

高同辉(1975—),男,河南鲁山,硕士,副教授,主要研究方向为嵌入式技术.

E-mail：gaothaaa@163.com

TP273

A

1002-4956(2015)7- 0167- 05