樊星男

（太原學(xué)院，山西 太原030032）

1 引言

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居的概念起源于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其實(shí)質(zhì)就是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將住宅內(nèi)各個(gè)設(shè)備相連，達(dá)到綜合控制的目的。

2 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)一般由設(shè)備終端、設(shè)備控制器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和控制終端四部分組成，其組成框圖如圖1。

圖1 智能家居系統(tǒng)框圖

2.1 設(shè)備終端

在智能家居系統(tǒng)中，廣義的設(shè)備終端包括房屋中的所有設(shè)備，如門窗、電源、插座、家用電器等，但是就目前智能家居的發(fā)展來看，受到設(shè)計(jì)和建筑成本的限制，還很難將房屋中的所有設(shè)備都納入智能家居的終端行列；所以目前我們所指的設(shè)備終端一般指一些家用電器設(shè)備，如凈水機(jī)、空調(diào)等。設(shè)備終端通過ZigBee協(xié)議 （無線局域網(wǎng)通信協(xié)議）與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。

2.2 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心，設(shè)備終端的運(yùn)行狀態(tài)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將信息上報(bào)給智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)將這些信息整理后，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)服務(wù)器；同時(shí)智能網(wǎng)關(guān)還要接受數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送來的控制指令，然后通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將指令下發(fā)到設(shè)備終端[1-3]。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)器是智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，其核心是一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。首先數(shù)據(jù)服務(wù)器接收智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的設(shè)備狀態(tài)，并保存在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，供用戶程序讀??；同時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器還要接收用戶程序的控制指令，并下發(fā)到智能網(wǎng)關(guān)。

2.4 用戶程序

用戶程序是智能家居系統(tǒng)的人機(jī)交互終端，一般具有良好的人機(jī)交互界面，包括移動(dòng)用戶程序和固定用戶程序兩種，移動(dòng)用戶程序指運(yùn)行于手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用程序，而固定用戶程序指運(yùn)行于電腦設(shè)備上的應(yīng)用程序。用戶可以通過用戶程序查看設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)自身需要向設(shè)備終端發(fā)出控制指令。

智能家居系統(tǒng)是一個(gè)廣范圍的系統(tǒng)，因此本文以家居智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例講述智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

3 設(shè)備終端的設(shè)計(jì)

對(duì)于普通的火災(zāi)報(bào)警器，只需要根據(jù)傳感器的檢測(cè)結(jié)果通過發(fā)出光和聲音的方式發(fā)出報(bào)警信息；而智能火災(zāi)報(bào)警器除了發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)還需要將報(bào)警信息上傳到智能網(wǎng)關(guān)，提醒遠(yuǎn)端的用戶。

目前在智能家居領(lǐng)域使用最為廣泛的通信方式是使用ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信。ZigBee是一種無線通訊協(xié)議，它具有低功耗、高容錯(cuò)的特點(diǎn)，更重要的是ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)支持多節(jié)點(diǎn)通信，最大可達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。ZigBee協(xié)議是一套復(fù)雜的協(xié)議棧，為了方便對(duì)ZigBee協(xié)議的使用，許多芯片生產(chǎn)廠商推出了自己的ZigBee芯片，這里我們使用的是德州儀器生產(chǎn)的CC2530芯片。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，并集成有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU。

CC2530芯片和傳感器就構(gòu)成了智能火災(zāi)報(bào)警。我們選擇集成溫度傳感器AD590和氣體傳感器TGS202兩傳感器[4-7]。智能火災(zāi)報(bào)警器設(shè)備終端設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備終端組成框圖

當(dāng)溫度大于100攝氏度且煙霧濃度大于0.06%時(shí)才發(fā)出火災(zāi)報(bào)警。如果兩個(gè)條件只有一個(gè)達(dá)到則只報(bào)異常，如果兩個(gè)條件都沒有達(dá)到則正常，不上報(bào)任何信息。為了保證設(shè)備的正常工作,報(bào)警器還需要定時(shí)的向智能網(wǎng)關(guān)上報(bào)心跳信息。智能火災(zāi)報(bào)警器的程序流程如圖3。

圖3 火災(zāi)報(bào)警器程序流程圖

4 智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)在整個(gè)智能系統(tǒng)中主要完成信息的收發(fā)。智能網(wǎng)關(guān)需要能夠接收設(shè)備終端發(fā)來的Zigbee數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)服務(wù)器；同時(shí)還要能接收數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送來的指令，然后下發(fā)到各個(gè)設(shè)備終端。智能網(wǎng)關(guān)與設(shè)備終端采用Zigbee無線通訊，與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間一般采用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。IP網(wǎng)絡(luò)是基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，由于CC2530芯片沒有集成TCP/IP協(xié)議棧，所以這就為智能網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信造成了困難。為此我們使用了芯片W5200，W5200芯片是一種采用全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，它能使嵌入式系統(tǒng)通過SPI接口輕松地連接到網(wǎng)絡(luò)，特別適合那些使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)功能的客戶。智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)框圖如圖4，智能網(wǎng)關(guān)程序流程如圖5。

圖4 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)框圖

圖5 智能網(wǎng)關(guān)程序流程圖

在智能網(wǎng)關(guān)的軟件程序中，我們?cè)O(shè)計(jì)了以太網(wǎng)任務(wù)隊(duì)列和Zigbee任務(wù)隊(duì)列，將智能網(wǎng)關(guān)信息的接收和發(fā)送分別處理，這樣可以實(shí)現(xiàn)軟件的模塊化設(shè)計(jì)，為軟件的維護(hù)提供方便。

5 數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)器是智能家居的數(shù)據(jù)處理中心，它既要完成與智能網(wǎng)關(guān)的通信，同時(shí)還要完成數(shù)據(jù)的保存。數(shù)據(jù)的保存可以通過在服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)，但是由于智能網(wǎng)關(guān)無法直接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，所以必須通過一個(gè)中介程序來實(shí)現(xiàn)。為此我們將數(shù)據(jù)服務(wù)器按照功能分為數(shù)據(jù)服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫兩部分。整個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器的組成如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)服務(wù)器組成圖

5.1 數(shù)據(jù)服務(wù)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)程序要能夠及時(shí)的將智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)還必須及時(shí)地將用戶對(duì)遠(yuǎn)端智能設(shè)備的操作下發(fā)到智能網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)服務(wù)程序可以使用Visual Basic設(shè)計(jì)開發(fā)。Visual Basic中的Socket控件可以方便地實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信，其程序流程如圖7。

圖7 數(shù)據(jù)服務(wù)程序流程圖

5.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2000進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于智能火災(zāi)報(bào)警器，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)表，分別為報(bào)警信息表和指令信息表，具體內(nèi)容見表1和表2。

表1：報(bào)警信息表

表2：指令信息表

在表1中，報(bào)警編碼與報(bào)警內(nèi)容所要傳達(dá)的內(nèi)容是一致的，所不同的是報(bào)警編碼主要用于信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，這樣可以減少數(shù)據(jù)量；而報(bào)警內(nèi)容主要用于數(shù)據(jù)庫查詢時(shí)的文字顯示。表2中的指令編碼與指令信息也是這個(gè)原因。

6 用戶程序設(shè)計(jì)

用戶程序是最終呈現(xiàn)在用戶面前的系統(tǒng)，需要能夠?qū)崿F(xiàn)用戶對(duì)整個(gè)智能家居系統(tǒng)的操控，用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的查詢和操作都需要通過用戶程序完成。

用戶程序包括移動(dòng)端用戶程序和固定端用戶程序。移動(dòng)端用戶程序指運(yùn)行在手機(jī)、平板電腦上的軟件程序。一般來說，開發(fā)這樣的軟件程序需要設(shè)計(jì)者掌握Android操作系統(tǒng)或IOS操作系統(tǒng)軟件的開發(fā)技能[8-9]；而固定端用戶程序指運(yùn)行在普通電腦上的軟件程序，設(shè)計(jì)者只要掌握一般的Windows軟件設(shè)計(jì)技能即可。本文使用Visual Basic設(shè)計(jì)了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的用戶程序，Visual Basic中的Socket控件可以方便地實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，ADODB控件可以方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫通信。用戶程序查詢和操作界面分別見圖8和圖9。

圖8 智能火災(zāi)報(bào)警器用戶查詢界面

圖9 智能火災(zāi)報(bào)警器用戶指令界面

7 結(jié)束語

本文以智能火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)與開發(fā)為例，講述了完整智能家居系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)開發(fā)，為智能家居系統(tǒng)提供了一種實(shí)用可行的解決方案。通過實(shí)際測(cè)試表明，該方案具有良好的實(shí)用價(jià)值。