摘 要：物聯網是當前應用熱點之一，已引起廣泛關注。提出了基于物聯網技術的智能家居控制系統實現方案，詳細闡述了軟硬件設計過程并給出了軟硬件設計框圖、原理圖及部分軟件代碼。
關鍵詞：物聯網； 智能家居； GPRS； 遠程控制
中圖分類號：TN92-34
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2011)09-0168-04
Design of Smart Home Control System Based on IOT
ZENG Song-wei,ZHANG Yun,QIU Wei-qiang
(School of Information Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,China)
Abstract： The control and management of home appliances,information systems,entertainment systems,security systems,lighting systems,remote medical monitoring system are realized by means of the available technologies of IOT,PC (or PDA,mobile phones),network,information,structured cabling,wireless and so on through the monitoring center in organic combination with the smart home control system and the relevant subsystems of smart home. The realization program of the smart home control system based on IOT is given . The design process of software and hardware is elaborated. Their design block diagrams and schematic diagrams,as well as partial software codes are offered.
Keywords： IOT; smart home; GPRS; remote control
隨著人們生活水平的提高和科技的發展，家庭智能化已成為一種必然趨勢而深入千家萬戶。家庭智能化即智能化家居(Smart Home)，亦稱數字家園(Digital Family)、家庭自動化(Home Automation)、電子家庭(E-home)、智能化住宅(Inte1ligent Home)、網絡家居(Network Home)、智能屋(Wise House,WH)、智能建筑(Inte1ligent Building)等。它是利用計算機、通信、網絡、電力自動化、信息、結構化布線、無線等技術將所有不同的設備應用和綜合功能互連于一體的系統。它以住宅為平臺，兼備建筑、網絡家電、通信、家電設備自動化、遠程醫療、家庭辦公、娛樂等功能，集系統、結構、服務、管理為一體的安全、便利、舒適、節能、娛樂、高效、環保的居住環境。其從控制層次來分，一般由中央控制中心、家居智能控制終端、小區智能控制系統、家庭網關和外部網絡幾部分組成。
1 智能家居系統體系結構
家居系統主要由智能燈光控制、智能家電控制、智能安防報警、智能娛樂系統、可視對講系統、遠程監控系統、遠程醫療監護系統等組成，框圖如圖1所示。
圖1 智能家居系統結構框圖
2 系統主要模塊設計
2.1 照明及設備控制
智能家居控制系統的總體目標是通過采用計算機、網絡、自動控制和集成技術建立一個由家庭到小區乃至整個城市的綜合信息服務和管理系統。系統中照明及設備控制可以通過智能總線開關來控制。本系統主要采用交互式通信控制方式，分為主從機兩大模塊，當主機觸發后，通過CPU將信號發送，進行編碼后通過總線傳輸到從模塊，進行解碼后通過CPU觸發響應模塊。因為主機模塊與從機模塊完全相同，所以從機模塊也可以進行相反操作控制主機模塊實現交互式通信。系統主框圖如圖2所示，系統主從模塊的程序流程圖如圖3所示。其中主機相當于網絡的服務器，主要負責整個系統的協調工作。
圖2 燈光及家居設備控制框圖
對于燈光控制，可以形成不同的燈光情景模式，以營造舒適優雅的環境氣氛。為了提高系統的可維護性及可靠性，設計時應使系統具有智能狀態回饋功能、故障自動報警功能、軟啟動功能。系統能自動檢查負載狀態，檢查壞燈、少燈，保護裝置狀態等；也可以根據季節、天氣、時間、人員活動探測等作出智能處理，達到節能目的。
對于其他家電設備及窗簾控制，與照明控制類似，均可采用手動和自動控制兩種方式。
圖3 系統模塊程序流程圖
2.2 智能安防及遠程監控系統設計
智能安防系統主要由各種報警傳感器(人體紅外、煙感、可燃氣體等)及其檢測、處理模塊組成。入侵檢測報警電路及其他火災、燃煤氣泄漏報警電路類似，其中入侵檢測報警框圖及電路如圖4所示。
圖4中，DTMF(雙音多頻)收發電路如圖5(a)所示，其核心芯片為MT8880，可接收和發送DTMF全部16個信號，具有接收呼叫音和帶通濾波功能，能和微處理器直接對接。其自動摘掛機可以通過單片機I/O口控制一個繼電器的開關，繼電器的控制端連接一個電阻接入電話線兩端，從而完成模擬摘掛機。
GPRS通信模塊——TC35模塊主要通過串口與單片機連接，實現單片機對TC35模塊的控制，從而實現遠程控制功能。電路如圖5(b)所示。
圖4 入侵檢測報警框圖及電路
圖5 接口電路
2.3 遠程醫療系統設計
智能家居系統中，遠程醫療應用應該說還沒有引起廣泛關注，但實際上它又是今后智能家居發展的一個方向之一。本系統提出的基于GPRS的遠程醫療監控系統由中央控制器、GPRS通信模塊、GPRS網絡、Internet公共網絡、數據服務器、醫院局域網等組成。其框圖如圖6所示。
圖6 遠程醫療監護系統框圖
系統工作時，患者可隨身攜帶的遠程醫療智能終端首先實現對患者心電、血壓、體溫進行監測，當發現可疑病情時，通信模塊對采集到人體現場參數進行加密、壓縮處理后，以數據流形式通過串行方式(RS 232)連接到GPRS通信模塊上，并與中國移動基站進行通信，基站SGSN再與網關支持節點GGSN進行通信，GGSN對分組資料進行相應的處理并把資料發送到Internet上，并且去尋找在Internet上的一個指定IP地址的監護中心，并接入后臺數據庫系統。這樣，信息就開始在移動病人單元和遠程移動監護醫院工作站之間不斷進行交流，所有的診斷數據和病人報告電子表格都會被傳送到遠程移動監護信息系統存檔，遠程移動監護信息系統存儲數據以供將來研究、評估、資源規劃所用。該GPRS遠程醫療智能終端的硬件框圖如圖7所示。系統監護中心由監控平臺和信息管理系統、電子地圖、電子病歷等組成，系統軟件的框圖如圖8所示,其中電子病歷系統中的病人詳細病歷界面如圖9所示。
圖7 遠程醫療智能終端的硬件框圖
3 系統部分軟件設計
3.1 電話報警部分程序
電話報警部分程序如下：
MT8880寫狀態函數
RS=1,RW=0,寫狀態寄存器
void write_status(uchar value)
{
MT_RS=1;
MT_RW=0;
MT_CK=0;
P1=value;//寫8880CRA和CRB
MT_CK=1;
delayNOP();
MT_CK=0;
}
MT8880 發碼程序
void MT_TRAN()
{
MT_CS=0;
delayNOP();
write_status(0x1d);//寫8880CRA,CRA=1101
write_status(0x10);//寫8880CRB,CRB=0000
//8880模式2為TONE,DTMF,IRQ,BURST
MT_RS=0; //寫發送寄存器
MT_RW=0;
MT_CK=0;//dis_buf1
［i］=dis_buf1［i］&0x0f;//取數據低4位
P1=0x0f;
MT_CK=1;//發送號碼
delayNOP();
MT_CK=0;
delay(3000); //調整撥號速率
MT_CS=1;
}
圖8 監護中心系統框圖
圖9 病人詳細病歷界面
3.2 防盜報警及遠程控制軟件
系統開機初始化，首先進入開機界面，然后進行參數設置。若直接選擇確定則默認原設置，也可對默認設置進行重設。設置完成后，各傳感器開始采集、處理參數，在液晶上顯示各參數并通過GPRS將數據發送至用戶手機，流程圖如圖10所示，數據短信收發流程如圖11所示。
圖10 遠程控制流程圖
圖11 數據采集流程圖
部分程序代碼如下：
//-----------------//
//功能：通過串口向GPRS寫入數據
//-----------------//
void GPRS_Write(unsigned int *Write_Adress,unsigned int Length)
{
unsigned int i;
for(i = 0; i < Length; i++)
{
while(((*P_UART_Command2)&C_UART_TX_EN ) == 0 );
*P_UART_Data = Write_Adress［i］;
*P_Watchdog_Clear=0x0001;
}
}
4 結 語
本智能家居系統提供廣泛的信息交互功能，優化居
住環境，幫助人們有效地利用空間、節約各種能源，實現了對家電、防盜報警、環境、設備等控制，實現了遠程控制功能，與其他系統的一大區別是加入了遠程醫療監護系統。由于物聯網的互聯體系標準尚未統一，各種子系統較多等原因，系統的兼容性和穩定性需要進一步提高和改進。
參考文獻
［1］蔣小洛,涂嘉慶,胡大可.智能家居遠程監控系統的軟件開發[J].測控技術，2006,25(12)：160-163.
［2］CHANDAK M B. Nature language process based context sensitive,content specific architecture & it′s speech based implememntation for smart home application [J]. International Journal of smar home,2010,4: 1-10.
［3］WU C H,JAN Rong-hong. System integration of WAP and SMS for home network system [J]. Journal of Computer Networks,2003,42 (4): 493-502.
［4］余啟家,殷瑞祥.基于ARM及GPRS的智能家居系統的實現[J].微計算機信息,2007,23(20)：119-121.
［5］閆哲,杜濤,左海利.智能家居控制系統的設計及實現[J].自動化技術及應用，2010，29(2)：93-96,98.
［6］袁海林.基于Nios Ⅱ的嵌入式智能網絡家居系統的設計[J].湖北民族學院學報：自然科學版，2007，25(1)：57-60.
［7］苗碩.遠程智能家居管理系統的研究與設計[D].西安：西安建筑科技大學，2006.
［8］孫釗.嵌入式操作系統在智能家居中的應用與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.
［9］周留洋，龔衛國，楊利平，等.基于復合通訊方式的遠程智能家居系統[J].計算機工程與應用，2007，43(4)：227-230.
［10］程凱，於雷，秦勃，等.基于無線PDA的智能家居監控系統[C]//第十屆全國青年通信學術會議論文集.北京：北京郵電大學出版社，2005：342-346.
［11］程秀華,繆希仁,謝禮龍.數字家居智能系統控制技術[J].低壓電器，2007(4)：30-32，39.
［12］馬福昌，金東勇，張英梅，等.基于Zigbee技術智能家居系統組網研究[J].傳感器世界，2008,14(3)：34-37，45.
［13］楊晨,李蘭英,閆薇.基于μC/OS-Ⅱ和藍牙技術的智能家居控制器的研制開發[J].黑龍江科技信息，2007(z1)：43.
［14］張小梅，陸俊，彭冰沁，等.嵌入式智能家居監控系統的設計與實現[J].微計算機信息,2007，23(2)：55-56.
［15］張恒，葉瑋瓊，林偉.基于嵌入式Web Server的智能家居中央控制器設計[J].現代計算機,2006(6)：85-87，91.
［16］蔣峰，張凌濤.基于藍牙技術的遠程家居控制系統的研究[J].微計算機信息，2009，25(26)：148-149.
［17］曾松偉，劉敬彪，周巧娣.GPRS在遠程醫療監護系統中的應用研究[J].計算機工程與設計，2007，28(8)：1947-1949.
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文
關鍵詞：物聯網； 智能家居； GPRS； 遠程控制
中圖分類號：TN92-34
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2011)09-0168-04
Design of Smart Home Control System Based on IOT
ZENG Song-wei,ZHANG Yun,QIU Wei-qiang
(School of Information Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,China)
Abstract： The control and management of home appliances,information systems,entertainment systems,security systems,lighting systems,remote medical monitoring system are realized by means of the available technologies of IOT,PC (or PDA,mobile phones),network,information,structured cabling,wireless and so on through the monitoring center in organic combination with the smart home control system and the relevant subsystems of smart home. The realization program of the smart home control system based on IOT is given . The design process of software and hardware is elaborated. Their design block diagrams and schematic diagrams,as well as partial software codes are offered.
Keywords： IOT; smart home; GPRS; remote control
隨著人們生活水平的提高和科技的發展，家庭智能化已成為一種必然趨勢而深入千家萬戶。家庭智能化即智能化家居(Smart Home)，亦稱數字家園(Digital Family)、家庭自動化(Home Automation)、電子家庭(E-home)、智能化住宅(Inte1ligent Home)、網絡家居(Network Home)、智能屋(Wise House,WH)、智能建筑(Inte1ligent Building)等。它是利用計算機、通信、網絡、電力自動化、信息、結構化布線、無線等技術將所有不同的設備應用和綜合功能互連于一體的系統。它以住宅為平臺，兼備建筑、網絡家電、通信、家電設備自動化、遠程醫療、家庭辦公、娛樂等功能，集系統、結構、服務、管理為一體的安全、便利、舒適、節能、娛樂、高效、環保的居住環境。其從控制層次來分，一般由中央控制中心、家居智能控制終端、小區智能控制系統、家庭網關和外部網絡幾部分組成。
1 智能家居系統體系結構
家居系統主要由智能燈光控制、智能家電控制、智能安防報警、智能娛樂系統、可視對講系統、遠程監控系統、遠程醫療監護系統等組成，框圖如圖1所示。
圖1 智能家居系統結構框圖
2 系統主要模塊設計
2.1 照明及設備控制
智能家居控制系統的總體目標是通過采用計算機、網絡、自動控制和集成技術建立一個由家庭到小區乃至整個城市的綜合信息服務和管理系統。系統中照明及設備控制可以通過智能總線開關來控制。本系統主要采用交互式通信控制方式，分為主從機兩大模塊，當主機觸發后，通過CPU將信號發送，進行編碼后通過總線傳輸到從模塊，進行解碼后通過CPU觸發響應模塊。因為主機模塊與從機模塊完全相同，所以從機模塊也可以進行相反操作控制主機模塊實現交互式通信。系統主框圖如圖2所示，系統主從模塊的程序流程圖如圖3所示。其中主機相當于網絡的服務器，主要負責整個系統的協調工作。
圖2 燈光及家居設備控制框圖
對于燈光控制，可以形成不同的燈光情景模式，以營造舒適優雅的環境氣氛。為了提高系統的可維護性及可靠性，設計時應使系統具有智能狀態回饋功能、故障自動報警功能、軟啟動功能。系統能自動檢查負載狀態，檢查壞燈、少燈，保護裝置狀態等；也可以根據季節、天氣、時間、人員活動探測等作出智能處理，達到節能目的。
對于其他家電設備及窗簾控制，與照明控制類似，均可采用手動和自動控制兩種方式。
圖3 系統模塊程序流程圖
2.2 智能安防及遠程監控系統設計
智能安防系統主要由各種報警傳感器(人體紅外、煙感、可燃氣體等)及其檢測、處理模塊組成。入侵檢測報警電路及其他火災、燃煤氣泄漏報警電路類似，其中入侵檢測報警框圖及電路如圖4所示。
圖4中，DTMF(雙音多頻)收發電路如圖5(a)所示，其核心芯片為MT8880，可接收和發送DTMF全部16個信號，具有接收呼叫音和帶通濾波功能，能和微處理器直接對接。其自動摘掛機可以通過單片機I/O口控制一個繼電器的開關，繼電器的控制端連接一個電阻接入電話線兩端，從而完成模擬摘掛機。
GPRS通信模塊——TC35模塊主要通過串口與單片機連接，實現單片機對TC35模塊的控制，從而實現遠程控制功能。電路如圖5(b)所示。
圖4 入侵檢測報警框圖及電路
圖5 接口電路
2.3 遠程醫療系統設計
智能家居系統中，遠程醫療應用應該說還沒有引起廣泛關注，但實際上它又是今后智能家居發展的一個方向之一。本系統提出的基于GPRS的遠程醫療監控系統由中央控制器、GPRS通信模塊、GPRS網絡、Internet公共網絡、數據服務器、醫院局域網等組成。其框圖如圖6所示。
圖6 遠程醫療監護系統框圖
系統工作時，患者可隨身攜帶的遠程醫療智能終端首先實現對患者心電、血壓、體溫進行監測，當發現可疑病情時，通信模塊對采集到人體現場參數進行加密、壓縮處理后，以數據流形式通過串行方式(RS 232)連接到GPRS通信模塊上，并與中國移動基站進行通信，基站SGSN再與網關支持節點GGSN進行通信，GGSN對分組資料進行相應的處理并把資料發送到Internet上，并且去尋找在Internet上的一個指定IP地址的監護中心，并接入后臺數據庫系統。這樣，信息就開始在移動病人單元和遠程移動監護醫院工作站之間不斷進行交流，所有的診斷數據和病人報告電子表格都會被傳送到遠程移動監護信息系統存檔，遠程移動監護信息系統存儲數據以供將來研究、評估、資源規劃所用。該GPRS遠程醫療智能終端的硬件框圖如圖7所示。系統監護中心由監控平臺和信息管理系統、電子地圖、電子病歷等組成，系統軟件的框圖如圖8所示,其中電子病歷系統中的病人詳細病歷界面如圖9所示。
圖7 遠程醫療智能終端的硬件框圖
3 系統部分軟件設計
3.1 電話報警部分程序
電話報警部分程序如下：
MT8880寫狀態函數
RS=1,RW=0,寫狀態寄存器
void write_status(uchar value)
{
MT_RS=1;
MT_RW=0;
MT_CK=0;
P1=value;//寫8880CRA和CRB
MT_CK=1;
delayNOP();
MT_CK=0;
}
MT8880 發碼程序
void MT_TRAN()
{
MT_CS=0;
delayNOP();
write_status(0x1d);//寫8880CRA,CRA=1101
write_status(0x10);//寫8880CRB,CRB=0000
//8880模式2為TONE,DTMF,IRQ,BURST
MT_RS=0; //寫發送寄存器
MT_RW=0;
MT_CK=0;//dis_buf1
［i］=dis_buf1［i］&0x0f;//取數據低4位
P1=0x0f;
MT_CK=1;//發送號碼
delayNOP();
MT_CK=0;
delay(3000); //調整撥號速率
MT_CS=1;
}
圖8 監護中心系統框圖
圖9 病人詳細病歷界面
3.2 防盜報警及遠程控制軟件
系統開機初始化，首先進入開機界面，然后進行參數設置。若直接選擇確定則默認原設置，也可對默認設置進行重設。設置完成后，各傳感器開始采集、處理參數，在液晶上顯示各參數并通過GPRS將數據發送至用戶手機，流程圖如圖10所示，數據短信收發流程如圖11所示。
圖10 遠程控制流程圖
圖11 數據采集流程圖
部分程序代碼如下：
//-----------------//
//功能：通過串口向GPRS寫入數據
//-----------------//
void GPRS_Write(unsigned int *Write_Adress,unsigned int Length)
{
unsigned int i;
for(i = 0; i < Length; i++)
{
while(((*P_UART_Command2)&C_UART_TX_EN ) == 0 );
*P_UART_Data = Write_Adress［i］;
*P_Watchdog_Clear=0x0001;
}
}
4 結 語
本智能家居系統提供廣泛的信息交互功能，優化居
住環境，幫助人們有效地利用空間、節約各種能源，實現了對家電、防盜報警、環境、設備等控制，實現了遠程控制功能，與其他系統的一大區別是加入了遠程醫療監護系統。由于物聯網的互聯體系標準尚未統一，各種子系統較多等原因，系統的兼容性和穩定性需要進一步提高和改進。
參考文獻
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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文
