智能家居环境监测系统的设计

李庆 黄传翔

摘要：随着现代科技的发展，家用电器基于智能控制系统，通过微处理器、传感器、网络通信等技术，可以在手机上实现远程控制。文章将ZigBee技术、通信技术和嵌入式开发技术相结合，设计出一款实时精准监测环境信息的智能化系统，用户通过Intemet可以执行家庭住宅内部环境信息的查询和家电设备的远程控制。该系统以STM32F103RCT6单片机为硬件控制平台，可以实现电动窗帘、照明系统等的智能控制．

关键词：智能家居：ZigBee；环境监测

中图分类号：TN02 文献标志码：A

0 引言

物联网、云计算和人工智能是智能家居领域的三大关键技术，借助5G、物联网等数字技术，大批智能产品进入寻常百姓家。商务部发布的网络零售市场数据显示．2021年，家居智能设备销售额同比增长90. 5%，可见人们对智能家居的需求不断提升。如今，很多家居产品都主打智能化，加上人们生活理念的改变，温馨、舒适、安全的智能家居系统应运而生。

1 智能家居系统的组网技术

本研究设计了一款基础的智能家居环境控制系统，实现对家居环境的实时监控，实时为用户提供稳定可靠的家庭信息。通过该系统，人们可以准确地获得家庭环境的信息，为人们的居家生活增添了便利和乐趣。家庭环境参数的改变可以促使其他智能设备做出决策，从而实现家庭环境的智能调整。智能家居系统常用组网方式如下。

1.1 集中布线技术

集中布线技术的优点是使用专业的信号线，组网系统稳定，适合范围较广的智能控制环境，缺点是布线成本高、系统升级难度大、施工时间长。

1.2 电力载波技术

电力载波技术直接采用电力线作为传输介质，施工安装方便。其缺点是信号不稳定、抗干扰性差，而我国的电力信号中相对谐波较多，这对控制信号的影响更大。因此，电力载波技术不合适智能家居系统。

1.3 无线射频技术

无线射频技术不需要烦琐的布线，易于安装，智能家电的控制是通过点对点或点对多点来实现的，该技术属于无线通信。其主要问题是控制的方式单一，不可能进行大面积的统一控制，容易受到家庭环境中无线设备的干扰，因此也不符合现代人们对智能家居的需求。

1.4 ZigBee无线组网技术

ZigBee无线组网技术具有总体价格低、能耗低、安装布线简单、非常容易扩展的优点，非常适合应用于当代的智能家居控制系统。

2 ZigBee组网技术

2.1 ZigBee组网技术特点

ZigBee是一种无线网络技术，该技术的特点是复杂度低、功耗低、数据传输速率低、成本低和距离短[1]。目前，ZigBee的目标市场主要是传感器网络、家庭监控、家庭楼宇自动化、医疗应用、工业监控和安全系统等领域。短距离无线通信技术的对比如表1所示。

2.2 ZigBee组网过程

任何一个ZigBee模块要想加入某个网络，一定要一个处于该网络里的节点作为媒介，并且这个媒介不能是终端节点[2]。在加入网络之后，媒介节点和被介绍加入的节点是父子关系，媒介节点是父节点，加入的节点是子节点。当加入节点有多个媒介可以选择时，其根据信号强度对比，选择最佳的媒介节点加入网络。在ZigBee网络里，每个模块在网络中都有一个唯一的2字节地址，PANID是一个2字节的编码，用于区分不同的ZigBee无线网，即个域网ID。ZigBee网络的工作流程如图1所示。

3 系统整体方案

本文设计出一款环境监测系统，打造舒适丰富的生活环境。该系统由移动终端、WiFi模块、主控制器和ZigBee模块4个部分组成，建立有效的防御系统，对家庭环境进行数据的采集、处理和监测。倡导方便灵活的生活方式，移动终端是用户手机或电脑．WiFi模块实现室内网关和外界的通信。主控制器是核心，营造高效可靠的工作模式，ZigBee模块主要是收集环境数据并将其打包以传输到主控制器。系统整体结构如图2所示。

4 智能家居环境监测控制系统硬件设计

4.1 主控制器及主要外围电路设计

STM32控制器主要负责对用户手机发出的控制命令做出准确的判断，然后发送相应指令给ZigBee终端节点，同时还要将终端节点采集的信息发到用户智能手机上。本文选用的STM32F103RCT6是一種嵌入式微控制器的集成电路。

4.1.1 USB转串口电路

目前常用的USB转串口的芯片有FT232，CP2102．CH340和PL2303等，从芯片的稳定性和价格综合比较，CH340最符合本系统的开发需要[3]。本文的USB转串口电路采用CH340 G芯片。具体电路设计如图3所示。

4.1.2

JTAC/SWD模式调试接口电路

JTAC是国际标准的一种测试协议，四线的JTAG接口是测试芯片内部的标准。JTAC采用排线的方式连接，为了提高抗干扰性，在每条信号线之间加上地线，就是20针的接口。

4.2

ZigBee硬件选型及传感器模块

本系统选择的是TI公司生产的CC2530芯片，该芯片的总材料成本很低且可以建立丰富的网络节点[4]。传感器模块主要包括温湿度传感器、烟雾传感器、燃气传感器和人体红外感应模块。本文选用具有温度和湿度的数字复合传感器DHT11；温度传感器使用DS18820，烟雾传感器使用气敏式MQ-2。本文使用的MQ-7传感器对一氧化碳非常敏感，通常专门用来检测家庭中煤气或燃气泄露。本文采用的是HC-SR501人体感应模块，实际应用时，必须使用菲涅尔透镜聚集红外线，形成交替变化的红外辐射盲区和高灵敏区，以提高灵敏度，扩大检测范围。

4.3 家电控制模块

照明系统是日常家居生活的必备产品，本系统能实现远程控制照明系统的开关。现选用CC2530模块中LED灯模拟家庭客厅、卧室和厨房的灯泡，使用电机的正反转来代替窗帘打开和关闭状态，采用SGS公司的L298 N芯片，能驱动直流电机和步进电机，电路中的续流二极管可以保护芯片，防止烧坏。电路如图4所示。

4.4继电器控制模块

智能插座、智能窗帘、加湿器、空调等设备的继电器模块是用来实现通断操作的。继电器实际上相当于一个开关，在实际电路设计中，需要三极管进行驱动。继电器吸合接通控制电路，继电器关断则切断控制电路。该电路采用NPN型晶体管，主要是起到放大作用。电路中二极管可以及时断开继电器，保护晶体管，防止发生击穿现象。LED的作用是指示继电器是否处于工作状态。

5 系统软件设计

传感器模块在硬件设计已完成的基础上，需要进行相应的软件设计。传感器节点负责数据信息的采集和发送，当它启动后，需要进行网络初始化，用户可以通过函数Sample App_Process Evenc（）定义功能，并设置定时器处理事件，如果有事件发生，各传感器节点采集数据并判断是否启动模拟数字信号转换，然后发送给协调器[5]。本文中传感器节点主要采集温湿度、一氧化碳、光照和烟雾浓度等环境信息。

系统采用光敏电阻和普通电阻设计光照采集电路，随着光照强度的变化，阻值也发生变化，从而使得系统测定的模拟电压也在变化，通过A/D转换可以把光线强度转换成相应的电压信号，而电压信号再转化成光照值进行输出。根据输出值，系统主控制器通过控制窗帘的状态来改善家庭环境。采用温度传感器DS18820和烟雾传感器MQ-2综合监测火灾的发生，终端节点将采集到的数值以打包的方式发给协调器。温度传感器DS18820和烟雾传感器MQ-2采集并发送数据包的程序与温湿度传感器类似。温湿度传感器流程如图5所示。

当温湿度传感器检测到的温度或湿度超出预设的正常范围时，则会通过主控制器控制继电器电路操作空调，家庭中的空调控制节点工作流程如图6所示。

6 系统性能测试

本文的网络设备包括协调器、路由器和对应的传感器终端节点。本系统主要测试的是ZigBee无线网络数据的收发和各传感器模块性能的测试。

6.1 温度传感器准确性实验

在传感器终端下方25 cm左右处燃烧明火，使探测器周围的温度超过40℃．1 min内报警界面显示并发出报警信息。

6.2燃气传感器准确性实验

采用丁烷气体模拟煤气泄露，测试M0-2传感器的响应速率，同时观察报警系统的响应，经过30次的实验，燃气传感器响应迅速。

6.3 报警模块功能测试

家居环境中数据信息一旦出现危险时，报警功能模塊会发出声光报警，并通过短信模块发送报警信息给用户。

6.4 窗帘电机驱动电路测试

测试的重点是观察电机的运转是否稳定，窗帘停止时，限位开关动作到位。通过串口助手进行调试电机在规定时间内进行开启和关闭触发的准确性，同时测试指令发送正常。

7 结语

本文对ZigBee组网进行分析，研究并设计控制电路原理图，在CC2530模块上开发相应的程序，实现系统功能，对系统的通信延迟、通信距离以及各传感器模块的响应精度进行实验测试。本系统实现了预期的效果，组网能力强，传感器模块响应及时准确，能够实现预定的远程控制。随着AI技术、5G技术和物联网技术的不断发展，人们对智能家居控制系统的关注点也发生了变化，例如．5G带宽高时低延，使得人与设备、设备与设备之间的交互更加快速便捷，在此技术下，可以将不同的家居设备传感器和算法软件整合，形成智能的互联互通。但是信息安全风险控制就成了智能家居系统的关键点。相信，这些新技术的发展，必然会助力防范安全风险，加速智能技术落地。

参考文献

[1]黄文锋．基于智能家居的物联网感知层安全威胁及关键技术分析[J]．西安文理学院学报（自然科学版），2021（1）：59-64．

[2]程翔，许正荣，张昆明．基于物联网的智能家居控制系统设计[J]．传感器与微系统，2021（ 3）：106 -108，111．

[3]张子卿，张华．基于物联网技术的智能家居语言输入形式自主控制系统设计与实现[J]．现代电子技术，2021（24）：6-10．

[4]赵智慧．智能家居的特点及所需传感器的挑战[J]．电子产品世界，2021（2）：4-5．

[5]吴艺娟，秦彩云，万米洋．基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统设计[J]．北京石油化工学院学报，2022（1）：46-50．

（编辑王雪芬）