基于物联网的智能家居系统设计

何文超　郭盼　王国健

摘 要：在介绍当前智能家居系统的发展前景和主流的设计思想的基础上，分析了现今智能家居系统的优缺点。应用ARM平台开发智能家居监控系统，系统由监控系统主控制器、无线传输模块、蓝牙通信模块、WiFi模块以及GSM模块组成。以无线通信模块实现信息的监测与控制；蓝牙通信模块实现手机与控制器的局域网络控制；GSM模块实现短消息报警功能；WiFi模块将室内信息上传至网络服务器。

关键词：物联网 智能家居 无线通信

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0001-02

现代的智能家居系统，主要以网络通信技术和安全防范技术为核心，实现居住环境监控、自动报警等功能。随着经济发展，未来智能家居系统将成为主要的发展趋势。近年来，物联网技术飞速发展，为智能家居系统的网络化设计提供了便利，大大促进了智能家居系统的推广。

1 系统总体方案设计

1.1 系统结构和特点

系统以STM32单片机为总控制器，通过NRF24L01无线通信模块与从机进行数据通信。HC-05蓝牙模块实现与手机间的信息交互。GSM实现短信报警功能。WiFi模块将室内信息传到物联网。

主控制器与GSM模块之间采用串口方式通信，主控制器与蓝牙模块间采用串口通信，主控制器与无线通信模块间采用SPI协议通信。从机采用STC89C52单片机，通过NRF24L01无线通信模块与主控制器进行通信。

1.2 芯片的选型及介绍

（1）主控制器芯片的选用。

该系统的主控制器芯片选用STM32F-103VET6。芯片内部集成有5个串行总线接口。其中，USART1～UART3为异步串行通信，UART4和UART5是同步穿行通信。系统与GSM模块通信选择USART2，与蓝牙模块通信选择USART3，与ESP8266模块通信选择USART1。芯片集成有3个专门用于SPI协议通信的接口，该系统选用SPI1与无线通信模块间进行通信。

（2）无线通信模块。

无线通信模块采用NRF24L01，与控制器间采用SPI协议通信。最高工作速率2 Mbps，采用高效的GFSK调制，抗干扰能力强。其工作电压为1.9～3.6 V，因此采用3.3 V电压供电，SPI管脚直接与单片机相应管脚相连接。

NRF24L01的工作模式主要有收发模式、配置模式、空闲模式以及关机模式。其工作模式由PWR_UP寄存器、PRIM_RX寄存器以及CE引脚决定，系统工作时，将处于收发模式。收发模式有三种：Enhanced ShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式以及直接收发模式。此处选择Enhanced ShockBurstTM收发模式。在此模式下，发送与接收数据时，芯片自动处理数据，节省编程空间。

（3）GSM模块。

GSM模块选择SIM800A模块，与控制器间采用串口通信。模块供电电压5 V。由于单片机的串口能够承受5 V电压，可将GSM模块与单片机的串口直接相连。

GSM模块主要功能是实现短消息报警。当室内安防系统发出报警触发信号时，GSM模块会将报警信息以短消息的形式发送到指定的手机中。

（4）WiFi模块。

GSM模块本身可以向网络服务器传输数据，但需要消耗流量，因此选用Wifi模块向网络服务器传输数据。WiFi模块选择ESP8266，默认波特率是115 200。接入家里路由后，能够实现向网络服务器传输数据。

（5）蓝牙通信模块。

蓝牙通信模块用于局域网络通信。用户处于家内时可通过蓝牙接入设备，监控和无线操控室内的灯具等开启和关闭。

2 系统软件设计

软件部分主要介绍主机与从机通信协议。

表1中，主机向从机发送的信息包括设备的类型码、设备地址码以及控制字。从机接收到相应的命令后，当接收到的设备类型码与地址码与其本身的类型码及地址码相匹配时，将会按照预定义的控制字执行相应的操作。其他不匹配的从机不进行操作。从机响应主机的操作后，会将从机的类型码、地址码以及状态字发送给主机。设备的类型码定义如表2所示。

表2地址码中的X代表同类型设备编号，X的取值为1～N。设备的控制字为01、02或03。其中01表示读取信息，如温度传感器的数据。02表示灯光的开启，03表示灯光的关闭。从机接收控制字為01时，向主机发送数据信息，接受到02或03时，对设备进行控制，并发送设备状态。

3 结语

在分析了当前智能家居系统的设计思想的基础上，该文以NRF24L01作为无线通信模块，以主从通信方式进行室内电气控制及环境监控。以GSM模块实现远程报警功能，蓝牙模块实现手机局域网络控制功能，并将室内信息通过WiFi模块发送到物联网服务器。系统可靠性高，且增填设备方便，为智能家居系统的研发提供了一个可行的方案。

参考文献

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