侯鰻玲，唐 鵬，姚慕之，馬恒堅(jiān)，肖啟晗，鄧佑雄，李 瑋

（1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都610065；2.深圳康佳信息網(wǎng)絡(luò)有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

早在2012 年年初，智能家居便已被中國(guó)列入“十二五規(guī)劃”的九大產(chǎn)業(yè)，同時(shí)智能家居也被工信部、發(fā)改委和科技部列為未來中國(guó)高新技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的重點(diǎn)方向之一[1]。在國(guó)家的利好政策驅(qū)動(dòng)下，作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域下的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，智能家居行業(yè)的發(fā)展前景日益廣闊。

然而，目前智能家居市場(chǎng)不夠成熟，智能家電大多僅限于新出廠的家電，尚未考慮對(duì)傳統(tǒng)的家用電器的智能化改造[2]。目前，國(guó)內(nèi)智能家居的發(fā)展速度尚未趕上國(guó)外，并且由于智能家居這一概念覆蓋面廣，受限于現(xiàn)階段終端連接數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)通信速度與質(zhì)量、大多廠家產(chǎn)品不兼容且不能整合傳統(tǒng)電器等方面的因素，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品并不滿意，產(chǎn)品的推廣進(jìn)展仍較慢[3]。由此看來，一套完整成熟的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)是市場(chǎng)下一階段發(fā)展的目標(biāo)。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee 與云平臺(tái)的家庭智能供電系統(tǒng)。系統(tǒng)集定時(shí)、溫度、濕度、煙霧、紅外、燃?xì)?、電話與短信控制模式于一體，分別通過單片機(jī)、相應(yīng)的傳感器與原有家用電器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電器的智能化整合，同時(shí)該系統(tǒng)可通過手機(jī)短信、APP、Web 應(yīng)用、本地控制的形式對(duì)家電實(shí)施遠(yuǎn)程智能控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由核心控制部分、輸出控制部分端、遠(yuǎn)程控制部分組成，該系統(tǒng)的整體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

核心控制部分由主控單片機(jī)、GPRS 模塊、ZigBee 模塊組成。

輸出控制部分由分布在用戶家中各個(gè)位置的傳感器和家用電器組成，各傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息并上傳至核心控制部分，執(zhí)行由控制部分發(fā)出的指令。通過ZigBee 模塊實(shí)現(xiàn)短距離通信控制繼電器輸出。

遠(yuǎn)程控制部分通過人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程操作和運(yùn)行情況檢測(cè)。由于云服務(wù)器比傳統(tǒng)物理服務(wù)器靈活性高、安全性強(qiáng)、更加可靠、成本低等多種優(yōu)勢(shì)，因此目前基礎(chǔ)設(shè)施云化已成趨勢(shì)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)阿里云服務(wù)器是國(guó)內(nèi)最大的云平臺(tái)，尤以高可靠性、高性價(jià)比和良好的生態(tài)圈著稱，因此選用阿里云服務(wù)器部署本次項(xiàng)目的Web 服務(wù)及移動(dòng)端的Android APP。網(wǎng)絡(luò)情況良好時(shí)可以通過APP 控制，手機(jī)沒有網(wǎng)絡(luò)或者家里突然斷網(wǎng)的情況下通過電話、短信來控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 核心控制部分

3.1.1 ARM 微處理器系統(tǒng)控制部分

選用ARM 微處理器STM32f103ZET6 作為系統(tǒng)核心控制部分，具有接收傳感器采集的數(shù)據(jù)信息、控制系統(tǒng)時(shí)間、處理輸入的指令、控制顯示信息并控制輸出電平高低等功能。微處理器通過控制時(shí)鐘電路、傳感器輸出電路、繼電器輸出電路和操作控制電路，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多信號(hào)、多模式的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以電話、短信、手機(jī)APP 等方式對(duì)家用電器的自動(dòng)實(shí)時(shí)控制。

3.1.2 GPRS 模塊

采用STM32F103ZET6 通過串口與GPRS 模塊通信，從而控制GPRS 模塊，實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。例如發(fā)送短信、撥打電話、撥號(hào)上網(wǎng)等。采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)，不僅能將系統(tǒng)接入Internet，方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，而且具有連續(xù)在線、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、資費(fèi)合理等優(yōu)點(diǎn)[4]。

3.2 輸出控制部分

3.2.1 ZigBee 自組網(wǎng)協(xié)議

ZigBee 具有安全、穩(wěn)定、功耗低、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，ZigBee 通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用于小型局域網(wǎng)通信中。但是，ZigBee 在應(yīng)用中也有缺點(diǎn)，即頻帶的物理限制和電波繞射，尤其是當(dāng)穿過墻或門時(shí)信號(hào)衰減[5]。

本系統(tǒng)選用可實(shí)現(xiàn)無線多跳傳輸?shù)腃C2530 自組網(wǎng)模塊，使用Uart 接口作為數(shù)據(jù)交互接口，接口的參數(shù)如下：數(shù)據(jù)位8 位，包括1 位起始位、1 位停止位、無校驗(yàn)位。將Uart 接口的波特率設(shè)置為115 200 Bd，每一段數(shù)據(jù)包中包含包頭、包尾、源端口號(hào)、目的端口號(hào)、數(shù)據(jù)。在單片機(jī)的程序控制下，每個(gè)模塊都能實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而減輕家中墻和門等障礙物干擾，提升數(shù)據(jù)有效性。系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

為順應(yīng)如今終端智能設(shè)備增多的趨勢(shì)，提升通信穩(wěn)定性，家中內(nèi)部ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)狀設(shè)計(jì)[6]，分布在家中各個(gè)位置的傳感器采集數(shù)據(jù)并封裝成特定的數(shù)據(jù)幀，通過ZigBee 模塊傳輸至核心控制部分（可視為網(wǎng)關(guān)），數(shù)據(jù)整合后通過GPRS 模塊上傳至云服務(wù)器，開發(fā)的手機(jī)APP 和Web應(yīng)用中通過訂閱網(wǎng)關(guān)的主題，即可獲取并解析出某特定位置傳感器的數(shù)據(jù)。同樣的，通過APP 與Web 應(yīng)用向云服務(wù)器發(fā)出控制指令，在網(wǎng)關(guān)處解析即可定向傳輸至特定的ZigBee模塊控制繼電器輸出，進(jìn)一步控制家用電器電源的通斷。

通過ZigBee 模塊組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)近距離通信，網(wǎng)關(guān)能與家里各個(gè)位置的傳感器及電器進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互。實(shí)驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)靈活性高、數(shù)據(jù)可靠性高、設(shè)備部署方便[7]。

3.2.2 傳感器控制部分

系統(tǒng)使用光、溫濕度、紅外、煙霧四種傳感器。光傳感器控制臺(tái)燈，根據(jù)環(huán)境光線自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度。溫濕度傳感器控制加濕器和噴灌電機(jī)，可根據(jù)環(huán)境溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)加濕器和噴灌電機(jī)的工作模式，自動(dòng)對(duì)植物進(jìn)行澆水作業(yè)。紅外、煙霧傳感器控制警報(bào)器，根據(jù)環(huán)境判斷是否有侵入者，或者判斷是否發(fā)生火災(zāi)或煤氣泄漏的情況。如果發(fā)生以上情況，紅外、煙霧傳感器將在終端節(jié)點(diǎn)初步進(jìn)行緊急處理，關(guān)閉閥門同時(shí)上報(bào)異常，盡可能保障安全。傳感器部分組件線路如圖3 所示。

圖3 傳感器部分組件線路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 開發(fā)工具

Android Studio 是Google 官方推薦使用的一款基于IntelliJ IDEA 的集成開發(fā)工具，IntelliJ IDEA 在業(yè)界被公認(rèn)為最好的Java 開發(fā)工具之一，用其開發(fā)Android APP。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)IoT Studio 開發(fā)服務(wù)，是阿里云整合在應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)傾力打造的一站式、低成本、高穩(wěn)定、易定制的物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)力工具，旨在幫助用戶經(jīng)濟(jì)高效地完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，用其開發(fā)Web 應(yīng)用。

4.2 技術(shù)路線

智能家居系統(tǒng)采用C-S 模式，客戶端基于Java 開發(fā)，服務(wù)端基于C 開發(fā)。服務(wù)端主要對(duì)各終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、緩存、上傳，同時(shí)響應(yīng)客戶端的各種請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)家中特定位置節(jié)點(diǎn)單片機(jī)與客戶端的信息交互。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）基于發(fā)布和訂閱兩種模式，構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議。與CoAP、HTTP 等協(xié)議相比，MQTT 協(xié)議具有消息量小、節(jié)省帶寬、能從斷開連接等故障中恢復(fù)、專為低功耗設(shè)計(jì)等多種優(yōu)點(diǎn)，加之各大科技公司的支持，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中已經(jīng)非常普及[8]。核心控制部分的工作流程如圖4 所示。

圖4 核心控制部分工作流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文開展了基于GPRS 模塊、ZigBee 模塊等硬件，分別進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和近距離通信的研究。以STM32F103 為核心，設(shè)計(jì)出多信號(hào)、多模式的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以短信和手機(jī)APP、Web 應(yīng)用等方式對(duì)家用電器的自動(dòng)實(shí)時(shí)控制。通過多種傳感器與原有家用電器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電器的智能化整合，從而作為安全防患和避免能源浪費(fèi)的工具。此外，該系統(tǒng)成本低、普適性強(qiáng)，可適用于任何220 V 用電器，功能強(qiáng)大，具有多種控制方式，能進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢與分析，是未來更完備的智能家居系統(tǒng)的雛形。

可以設(shè)想，未來智能家居必然占據(jù)主流市場(chǎng)。以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)同一社區(qū)的家庭用戶可以接入同一上位機(jī)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)集中化管理服務(wù)。最終，智能家居將實(shí)現(xiàn)城市一體化，打造社區(qū)或城市的消防、安保等多功能綜合平臺(tái)。對(duì)此系統(tǒng)的相關(guān)研究有望促進(jìn)前沿科學(xué)研究、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。