智能家居控制系统的设计探讨

郭毅

摘 要：主要对智能家居控制系统的总体设计、硬件设计和嵌入式网关设计进行了详细分析，以期为相关单位的需要提供参考和借鉴。

关键词：智能家居控制系统；KingView；ZigBee；无线网络节点

中图分类号：TU855 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.124

所谓“智能家居”，是指以住宅为平台，集成多种技术和与家居生活有关的设施构建的高效的住宅设施和家庭日常事务管理系统，从而提升家居的安全性、便利性、舒适性、艺术性。本文就智能家居控制系统的设计进行了探讨。

1 系统的总体设计

根据智能家居监控系统的功能需求，可将其分为4个子系统：①环境监控子系统。该系统负责将室内的温度、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。该系统负责监控室内的火灾、燃气泄漏情况等，一旦出现紧急情况，该系统会自动报警，并使执行机构进行相应的动作。③远程抄表子系统。该系统负责采集和显示室内水、电、煤气等的信息，并在每月底发送数据报表。④供电控制子系统。该系统负责给机电设备供电，并以室内的温湿度、光照度等为控制对象进行优化控制。

此外，本设计还兼顾了智能家居控制系统之间的交互联动控制，并基于KingView提升了智能家居控制系统的开放性。

2 系统硬件设计

为了实现上述智能家居控制系统的总体设计，采用无线传感网络通信技术ZigBee和嵌入式ARM技术构成了家庭Web网关平台，并通过红外传感器、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了相应功能。本文仅选择其中具有代表性的子系统介绍具体的设计内容。

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检测和光照检测两部分。温湿度检测是系统设计中非常重要的一环，本设计选用了数字式集成温湿度传感器SHT11。该传感器的检测精度能满足家庭使用要求，其检测信号可通过无线传感网络传送至家庭网关平台，并通过家庭网关进行后续的信号处理工作。无线传感网络采用ZigBee技术，具有抗干扰、低功耗、易组网等特点，可满足物联网行业的需求。本设计中选用的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2.4 GHz，由CHIPCON公司设计，适用于多种ZigBee标准的无线网络节点、路由器、协调器和终端设备等。CC2430芯片的集成度很高，只需要较少的外围器件就可组建完整的系统，进而接收和发送信号。此外，在硬件电路的基础上，该芯片配合相应的软件便可实现温湿度的采集和超限报警。

为了实现对温湿度的检测和控制，除了采用上述温湿度检测电路向家庭网关传送数据外，还需要设计接收控制命令的执行机构。本设计选用了以标准CC2430模块为核心的智能插座，并安装了继电器控制电路，根据开关命令可实现继电器的通、断电。继电器的通、断电由CC2430模块的输出引脚控制，其电路如图1所示。当三极管由导通变为断开时，继电器的线圈会出现较大的感应电势。为了保护三极管，本设计在继电器两端反向串联了续流二极管4148，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结构如图2所示。本设计选用了

QM-N5型气敏传感器，当其检测到燃气泄漏时，电导率会迅速升高，并将信号放大后通过CC2430模块传送至主控器；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，由传感探测元件、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，能探测到一定范围内的人体辐射，且具有报警功能；本设计选用了对烟雾敏感的气敏传感器预防火灾，当检测到烟雾时，其内部的电阻值会发生变化，进而发出相应报警信号。

图1 智能插座的硬件节点电路

图2 安防监控子系统的硬件电路结构

3 嵌入式网关设计

物联网网关是智能家居控制系统中非常重要的一环，起着承上启下的作用，是连接服务器与终端设备的枢纽，担负着运营商网络与家庭内部网络交互访问的重任。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。

图3 物联网网关的系统结构

本设计中的物联网网关采用S3C2440芯片作为主控制器。S3C2440芯片是以ARM920T为核心的RISC微处理器，具有功耗低、性能强大的特点，能满足设计要求，其系统结构如图3所示。主控制器S3C2440、ZigBee模块与3G模块的连接通过USB接口实现。

4 监控界面设计

本设计采用北京亚控科技发展有限公司开发的组态软件KingView6.53制作系统监控界面。KingView是用于过程控制和数据采集的专用软件，可提供资源管理模式下的操作界面，具有使用灵活的特点，可支持多种主流硬件设备，包括艾默生、欧姆龙、西门子等厂家的PLC设备、智能仪表、智能模块、板卡等。此外，KingView还具有强大的通信功能，可提供OPC接口，因此，其市场占有率较高。

4.1 基于KingView的设备驱动设计

在本设计中，与KingView通信的设备均为外部设备。KingView内置了大量的设备驱动程序，将其作为通讯接口，可实现与外部设备的有效通讯。在KingView运行期间，会通过驱动程序、外部设备接收和发送数据，每一个驱动程序都是KingView的COM对象之一，这种通信方式使驱动程序与KingView形成了一个完整的系统。KingView的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、幕布控制设备八类设备。

利用驱动加载工具将驱动加载到KingView的过程分为以下3步：①为驱动配置描述文件（扩展名为.des），该描述文件不能单独使用或操作，只能配合驱动文件安装使用；②配置好驱动文件后，利用驱动开发包工具加载驱动；③打开KingView的工程管理器，点击“设备”后，再点击“新建”便会出现设备配置向导，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，通过监控界面可实现对家居设备的全面检测和实时控制。利用KingView开发监控界面的一般过程为：设计图形界面（定义画面）→定义设备→构造数据库（定义变量）→建立动画连接→运行和调试。

5 结束语

综上所述，随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，智能家居的应用越来越广泛。因此，为了保证智能家居控制系统的安全、高效运行，相关设计人员需要不断完善该系统，从而进一步提升人们的生活质量。

参考文献

[1]连腾勇.智能家居弱电系统设计探讨[J].现代建筑电气，2010（04）.

[2]高康，杨杰，杨绍刚，等.智能家居控制系统的研究与设计[J].机械与电子，2014（03）.

〔编辑：张思楠〕