物联网技术在智能家居系统的应用

摘要：我国经济快速发展，人民生活质量得到提高，逐渐要求改善居住生活环境。尤其是网络化，信息化产业不断发展的今天，物联网等技术在人民生活中扮演着重要角色。将智能家居系统作为硬件平台，将网络传输技术作为软件支撑，用总线技术连接家庭生活中使用的通信设备、家具设备、安全报警设备，并且有机的结合在一起成为当下之急。基于此，应用物联网中的RS-485总线技术设计了一种符合小康家庭消费水平的，低功耗的，低成本的智能家居网络系统。

关键词：物联网; RS-485; 智能家居

0引言

智能家居是指通过网络连接家庭内的各种信息传输设备、家居用电器、家居安防设备，对家庭居住环境、状态进行远程的监控和管理，并且让家居中的设施与住宅环境平衡协调，为居民提供工作、学习、休闲等项目，使家居环境更加多功能、智能化。传统意义上的观点认为智能家居可以带来生活质量提高，但是物联网型智能家居正在改变这一观点，最重要的优点就是实用、方便、易整合。家庭中各种电器，智能冰箱，智能空调还是传统的照明设备、电脑一直以来由于标准不同，工作独立，他们都是零碎、混乱、无序的系统，并不能有机组织整合，这些杂乱无章的电器将消耗家庭主人非必要大量的时间成本、管理成本、控制成本。物联网技术产生带给了智能电器、智能家居新的产业机会。智能电器、智能家居将会方便地有机组织起来，形成一个完整的系统，从而可以实现完整管理[1]。

1  物联网技术用于智能家居

智能家居是现代物联网技术的具体应用介质，依托家庭住宅，一体化整合现代网络信息传感、自动控制、信息处理、安保，用来对家居设施与日常事务实行智能化管理，使人们的家居生活舒适、便利、节能和环保，有效改善人们居家生活品质。利用物联网技术，智能家居可以将收集到的数据信息经过技术处理，最终传输至用户移动终端，使人们能够根据自我意愿来控制智能家居设施，实现人与物、物与物之间的信息交互，以满足人们不同需求。现阶段物联网技术已经深入运用在智能家居上，性能日趋稳定，控制更加高，成为当前家居发展主流方向。

2  总体方案设计

嵌入式控制器在整个家居系统中起到了极其重要的作用，其主要作用是管理和控制所有挂接设备的工作，确保每个挂接进来的设备工作有条不紊，它通过通用总线接口net与RS-485总线连接，其他嵌入式控制器和PC与其以太网接口相连。[2]PC上的人机交互友好界面可以远程控制其设备。智能家居系统的控制包括家电控制、灯光控制、三表控制和门窗控制等。本文对家电控制和安防监控模块进行了重点设计。

2.1 家电控制模块

七达林顿结构非门的MC1413集成电路，集成度高、性能良好、静态功耗电流低，具有较强的抗干扰能力，工作电压在 3到18V之间，输出电流200mA[3]。MC1413驱动继电器使用7bit输入/输出，控制相关的开关量，比如对于整个的家居空调系统，温度和风向都是开关控制量，均由继电器来进行控制。因为必须放在家电之中，控制节点要做得小，且控制对象不能复杂，那么控制器选择AT89C2051。MAX1487芯片用在RS-485通信接口，可以负载125个家电，半双工通信方式，通信速率2.5Mb/s。

2.2 安防监控模块

安防监控模块由烟雾传感模块，煤气传感，实时监控部分组成。安防监控模块可以实现防火，防煤气中毒，防盗监控的目的。这些组成部分由烟雾报警器和煤气传感器组成，结合A/D转换芯片传输信息。

Ovinmin公司生产的OV7141图像采集芯片用于实时监控部分。OV7141 是摄像芯片，且高度集成，多种格式的文件均能支持，内设串行控制总线（serial Camera Control Bus，SCCB）接口，控制简单，可以对OV7141芯片内部所有寄存器值进行修改 。其中包括有 8 bit数据（D0…D7），VSYNC、HREF、PCLK是同步信号，CPU需要读取图像数据和保证同步。

由于 OV7141 默认帧频为30 Hz，像素为 640×480= 307200，图像数据传输速率在此帧频下为9.216 MB/s。其图像数据传输速率远超过串口的响应速度，必须重新设置，以降低帧频和像素。

在该系统中对 OV7141 的访问有：

（1）帧频控制器 CLKRC设置地址号为0x11，以降低帧频;

（2）控制器 COMC设置地址号为 0x14 ，以设置像素为 320×240;

（3）COMH设置地址号为 0x28 ，以设置扫描格式。

硬件电路如下：

单片机 89C51 的内部数据存储只有 128 B RAM ，必须外扩数据存储器存储图片。单片机串口速度限制传输图片的像素，所以OV7141 的像素设置为 320×240，用来采集黑白图片，这样一帧图片的存储空间大约是76800bit，即 9.6 KB。需要外扩存储器，且外扩的存储空间必须大于9.6KB， 62256 芯片存储空间是32KB，可存储多帧图片。串口波特率限制数据的传输的速度，必须提高串口波特率。使用串口传输方式3 时，波特率可变，具体根据数据传输质量来实时改变。表 1 所示是采用不同波特率时一帧（一帧按 9.6 KB 计算）图片的传输时间。

3.1 RS-485总线

传输信号通过一对双绞线，一条线是A线，一条线是B线。其电气特性规定逻辑“1"以两线间的电压差由+ 2到+ 6 V之间表示;逻辑“0”以两线间的电压差由-2到-6 V之间表示。在RS-485中还有一个“使能”端， “使能”端用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接[4]。

3.2网络设计

此家居网络系统主要常采用总线型主从式结构。所谓主从式结构，即在多个单片机中， 一个主机负责通信管理，其余的都是从机，主机调度和支配从机。远程通信通过网络接口进行的。在实际的多机应用系统中，常采用RS -232、RS -422 或 RS-485串行标準总线进行数据传输。根据传输距离和通用性，选择RS-485 总线，单片机在方式 3通信。通过每一个地址码去区分从机身份，该地址码就是从机身份的识别标志。

3.3 通信机制

系统采用了RS-485 总线通信方式，如图 4 所示。采用“轮询制”通信，请求应答帧通过中继器主设备不断发送给从机设备，而接收从设备不能主动发送数据。接收数据或发送数据，总线只能处于一种工作方式。初始化系统之后，总线即被置为接收状态，当从设备接收完主设备发来的消息后，系统总线被设置为发送状态，等从设备发送完一帧数据又立即转为接收状态，将在程序里等待主设备的请求帧。如果发来的请求帧中，设备 ID 地址和自身 ID 地址相同，接收设备会查询地址帧的正确性。

4 结语

人们的生活水平随着社会进步不断提高，人们越来越青睐于住在一个智能化住宅里面，因此智能住宅的市场前景和社会意义越来越不可限量。通过对国内外智能化住宅现状的了解，市场主流的智能化住宅投资较大，普通大众的消费水平无法达到。为了满足普通大众的需求并且符合我国现阶段的基本国情，本论文使用RS-485总线技术设计了一种符合小康家庭消费水平的，低功耗的，低成本的智能住宅监控系统 [5]。

参考文献

[1] 姜宇航.基于物联网的智能家居控制系统设计 [D].吉林大学，2014.

[2] 张小贝，周凤星.基于嵌入式控制器和RS485的智能家居系统 [J].电子测量技术，2012，35（8）：2-2.

[3] 赵全起.应用MC1413集成电路实现水塔自动供水[J].中国给水排水，1999，35（15）：1-1.

[4] 邓昊，冯兴乐，俞东松.RS485自适应数据结构的时序控制设计[J].新器件新技术，2019，35（6） ：1-1.

[5] 陶莉.基于RS485总线的智能家居系统的实现[D].上海交通大学，2008.

作者简介：陈晨（1997）男 安徽 安庆，硕士，研究方向：物联网技术