浅析智能家居控制系统的设计

浅析智能家居控制系统的设计

宁旭东1  宁冰2

1.西安慧雅电子科技有限公司  陕西西安 710075       2.西安建筑科技大学华清学院   陕西西安  710043

摘要：随着全球科技的不断进步，物联网技术及应用迅猛发展，智能家居已经逐步进入到人们的日常生活当中，而智能手机、智能电脑的普及，更方便了智能家居的推广，成为远程控制家中电器的强有力的支撑。数字化智能化家居系统已成为高品质生活的标志，它也是社会发展的一种必然趋势。本文研究设计了一种有智能家居控制、无线控制等功能的智能家居控制系统，并完成了采用 ZigBee 网络技术标准的通信系统硬件设计。

关键词：智能家居；通讯协议；IOS

前言

随着国民Android、iphone等智能手机的普及，移动互联已经进入全民时代，传统生活方式逐渐被改变，各大公司纷纷结合智能手机推出了智能家居用品，使得智能家居控制系统、控制设备不再是遥不可及的东西，成为普通大众都能接触能使用的东西。信息化使得国民的生活工作越来越便捷，特别是一些智能化的设施，如智能小区、智能公交等，与此同时也让国民体会到科技带来的乐趣。

一、相关设计技术概况

1.ZigBee协议栈介绍

ZigBee网络拓扑结构种类有3种,即星状、树状、网状。具体可见图4-1。对于星状结构而言,要求中心设备、其它设备间应当建立其通信关系。之所以这样,在于缺乏路由节点,无法实现媒介式连接。要实现终端节点间的连接，有必要以转发数据的方式实现(由协调器完成)此项结构并不复杂,能够在室内发挥很好的效果,管理也方便。当然,因协调是通信的必经环节,这会增加不必要的工作负荷。如果负荷过大,将导致网络崩溃,无法发送信息。对于网状结构而言,数据是可以借助无线网在FFD间传输的。

2.IOS框架

苹果开发的系统框架是唯一被允许访问系统底层硬件并提供了访问实现方法。

每个独立框架对应iOS系统里的其中一层，层层关联，每层都算建立在前一个层的上面，如图所示。开发过程要求应该尽量采用上层的中的框架来。本系统中使用最多的框架有:Foundation,  UIKit、和Core Datao。

二、智能家居控制系统软件设计

1.控制网关通信设计

在本文中，iOS客户端软件的设计，其通过利用Socket接口来实现对数据的组织工作，以实现基于TCP/IP协议的实时通信过程。使用Socket优点在于对上层调用过程中屏蔽掉了TCP/IP中的复杂性。为了快速建立TCP数据连接，服务端通过创建Socket并完成初始化，然后将Socket绑定到对应的目标端口之上，Socket开始工作运转进行端口监听，调用Accept实现阻塞工作并等待来自于客户端方面的连接请求。最后完成了数据的批量处理工作，使程序内底层系统数据处理操作过程和数据调用过程效率更高。

2.客户端软件与服务器通信设计

iOS客户端软件通过SOAP协议调用Web Service接口与服务器来进行通信交换数据，当i0S客户端软件要直接控制智能负荷控制器则使用Socket发送命令直接控制智能负荷控制器。SOAP协议具有轻量的、简单的、基于XML协议的特点，它基于HTTP作为系统底层通信协议，采用RPc作为其一致性的调用途径，XML格式作为底层数据传送格式。

三、智能家居控制系统硬件设计

1.控制网关的硬件设计

控制网关是整个控制系统中最重要的一部分，它是家内与家外各个通讯网络和控制网络的重要纽带。本着能耗低、耐用、稳定性好、安全性高等原则，本文的智能控制网关一硬件设计如下：

图1智能控制网关框架图

本文选用的是RT5350芯片和CC2530，中间通过串口模块连接，从而可以实现wifi信号和ZigBee信号之间的互通。Wifi模块主要与用户端之间进行数据传输，而ZigBee主要用于与移动终端的数据进行传输。这样就进行了一个完整的智能控制网关，方便对家居控制系统进行控制，命令的收发。

2. WiFi模块

本文选用的wifi信号模块是基于RT5350芯片的。主要特征有：

1)集成高性能的mips24kec CPU核心处理器，频率高达360MHz；

2)具有USB 2.0 Host/Device接口，集成五端口百兆以太网交换机；

3)具有GPIO}  SPI, I2C} I2S} PCM,  UART及JTAG接口，集成2.4GHz射频单元，集成802.1In基带处理器;

4)拥有高达150Mbps的无线数据传输速度，兼容IEEE 802.11 b/g标准;

3. ZigBee模块

本文的ZigBee模块都是采用的CC2530。每一个家用电器都需要配备一个无线节点，用于与外围电路互通形成组网。

ZigBee模块所有的节点都需要包含ZigBee协调器的主节点以及从节点，主节点的作用是稳定无线网络，为为从节点分配网络IP地址，ZigBee无线模块实现了实时采集检测节点信息并发送到各个主节点，或者用于接收来自系统的控制命令完成对终端设备的操作，ZigBee协调器则是基于串口同主控制器进行数据层面交互。

4.串口模块

串口模块的主要功能就是连接CC2530芯片和RT5350芯片，让他们实现数据的互通，其串口模块采用的是RS232-USB转换的PL2303HX芯片，方便对RT5350芯片进行配置。PL2303HX可调节3V-SV的输出电压，满足3V, 3.3V和SV不同应用需求。

图2 PL2303HX串口电路原理图

使用串口模块的原因是因为对于研发者来说串口模块相对成熟，开发难度小，大大降低研发者的研发难度，其次最重要的是使用串口可以面对复杂的协议规范和数据格式要求，只要实现数据校验判断即可。

5.温湿度传感器模块

温湿度报警终端采用温湿度传感器DHT11与ZigBee协调器相连构成。DHT11数字温湿度传感器具有一定的特殊性,其能够传递出数字信号,并且在传输前将这些信号进行校对。其融合了温湿度传感技术与数字模块采集技术,在这些先进技术的作用下,其性能十分优越,其内部含有NTC测温元件与电阻式感湿元件,除此之外,其还对接了一个8位单片机。这些特殊的构造使得这种传感器品质稳定,具有极强的抗干扰能力,能够适用于各种复杂环境,且性能稳定。所有DHT11传感器在投入使用之前都进行过严格的校准。其0TP内存中储存了校准系数所生成的程序。在进行信号检测与处理的时候,其均会用到该系数。其串行接口的形式为单线式的,这进一步提升了其性能。该设备外观小巧,且具有能耗低的优势,这使得其能被应用到各种恶劣的环境中。在封装的过程中,其设置了4针单排引脚,为后续的对接提供了便利。

四、结束语

本文通过分析智能家居控制系统的起源，发展经过等，并结合人们使用过程中的感受，对现有市场上的智能家居系统进行查漏补缺，设计了一套基于ZigBee的家居控制系统，实现了移动客户端和设备的数据采集之间可以消息互通，完成了移动终端对家居用电设备的实时监控和信息实时更新功能，最终使得用户可以实现对家居环境的实时监控和管理，方便人们使用和节约能源。

参考文献

[1]葛清华,付蔚,薛震.基于iOS系统的智能家居软件的研究与实现.世界产品与技术, 2019, (9): 43-45.

[2]雷忠诚,胡文山,邬静阳,等.基Web 的 3D智能家居系统设计与实现.电子技术应用, 2020, 40(9): 114-117 .