1、在智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于比较领先的地位。这几年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等居首的一批国外知名企业，先后进军到智能家居的研发中。比如:微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成熟。此外，其他国家如日本和韩国领先的企业已经逐渐开发了家居智能，智能家居市场的前景将是一片美好，如今市场上出现的智能家居控制系统主要有：X-10系统（美国），EIB系统（德国），8X系统（新加坡）。 尽管国内智能家居行业已经经过了近十年的发展，但还没有达到较高的程度，仍处于发展初期。究其原因，主要有三个问题，第一个问题是从事国内智能家
2、居行业的制造商，参差不齐，有好有坏，有部分安防企业兼做智能家居系统的，还有某些运营商也参与到智能家居行业的，各自的出发点不同，使得生产出的产品也各不相同。第二个问题是产品质量参差不齐，使得了消费者对智能家居产品的性能产生怀疑。第三个问题是智能家居行业的售后服务质量较低，其系统相对国外系统而言比较复杂，系统之间的关联较大，出问题的几率比较高，此时如果售后服务不能到位则会严重影响客户对智能家居产品的信任度。由于我国的智能家居技术相对于国外起始较晚，尚未形成相应的国家标准。目前，还是主要采用国外的一些技术产品，但也有一些企业研发出了自己的产品，比如：e家庭（海尔），e-home数字家园（清华同方）。
3、在我国，软硬件开发机制的积极发展满足了智能家居市场的需求，解决了当前智能产品实用性差，使用复杂，价格昂贵等缺陷，并且技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢。智能家居产品的使用，尤其是国外智能家居产品的使用，给国内的用户的印象是“有钱人的消费”。让智能家居“飞入寻常百姓家”可以说是绝大部分智能家居生产厂家想要实现的理想，这需要综合考虑产品平台设计，结构设计，功能设计和用户定位等方面，对智能家居的中国市场价格高的独特特征作出的产品设1.3 智能家居的发展趋势虽然智能家居现在还存在着的某些问题，但仍然认为应用的发展是伴随着技术的成熟而渐渐应用到各个地方的，并不是应用在等待技术完完全全成熟以后才会开始发展
4、。如RFID、二维码传感器技术的进一步成熟。物联网智能家居行业体系结构想要走上良性发展的轨道需建立一个统一的体系结构标准，这样才能实现多个生产厂家的产品相互兼容，也才能保证健康持续的发展。这些需要从技术，性价比，实用性等方面来考虑。此外红外传感网络和宽带CDMA移动网络的融合以及其他的网络，这是技术的研究和发展的迫切需要。但是在现在的阶段，短时间内还无法制定出统一的标准，还需加以时日的等待。智能家居目前处于起步阶段，产品的大批量生产也需要时间。随之而来的是产品的成本是比较高的。在中国只有安装的试点研究的一小部分。所以在这个时候需要一个更加成熟的产业链，促进商业的发展。这样就可以在市场上找到相应
5、的位置。同时政府也要出台相应的扶持政策，不断催化推动物联网智能家居的可持续发展。1.4 课题主要完成的任务本课题的主要任务是设计基于物联网技术的智能家居系统，采用DS18B20温度传感器、MQ-2烟雾传感器、光电传感器为数据采集源，利用西门子公司的AT35GSM模块实现通信及监控功能，实现了远程监控、实时监控室内温度、空气质量，以及重要财产防护的功能。实际中的智能家居控制系统的总体结构框图如图1-2所示：图1-2实际中的智能家居控制系统的总体结构框图2系统的方案设计2.1 系统需求分析对于国内市场的实际需求分析，消费者对远程抄表和物业管理没多大兴趣，但是对电器控制、家居安防报警网络却十分关注，
6、所以目前许多企业都往这一方向研究。而嵌入式技术在这几年得到了很大的发展。嵌入式处理器的性能显著地提高了，这就为以嵌入式为根本的智能化家居系统的发展打下了坚实的硬件基础，使得较为复杂的检测和识别方法在系统中得到使用。在软件这方面，研究出了大量的支持嵌入式设备的软件，使得嵌入式系统的研究的难度降低，出现了许多专注于研究嵌入式的企业，使在嵌入式开发中能得到精良的技术支持。同时，智能家居的概念更加清晰，智能技术得到了充分的发展，在智能家居系统开发过程中可利用大量最新的技术。2.1.1 系统功能需求分析 要设计该智能家居系统，需满足以下几点需求：（1）可以使用手机通过短信方式检测设备，打开，关闭家用电器
7、的工作状态。（2）家居的门安装了44键盘，当用户输入正确的密码才能打开门，如撬棍打开其他手段非法用户，系统及时启动报警模块，达到防盗的功能。（3）可以实时测量家居中的烟雾浓度，当烟雾浓度太高，该系统可以打开室内排风机室内有害气体的室外，室内烟雾浓度太高，系统启动火灾报警模块，提示家居主人预防火灾的发生。（4）当小孩子接近窗口，系统自动关窗，以避免可能发生危险的孩子，当孩子离开时，系统自动打开窗户。2.1.2 系统性能需求分析智能家居系统正常运行是不间断的，必须非常重视系统的稳定性和可靠性，尽可能的提高系统的容错能力，于此同时一定要确保系统安全，性能优良。2.1.3 用户界面及其他需求分析智能家
8、居相关设备与人们的生活密切相关，因此智能家居系统必须是用户友好的界面，用户体验效果好，并且用户可以轻松地掌握操作过程，同时要求实用、舒适和有个性等。2.2 系统设计的原则智能家居又被称为智能住宅，它的最基本目标是为人们提供一个舒服、安全、高效、方便、实际的生活环境。相对智能家居产品来说，最重要的是要立足于顾客的对自己家居环境的具体要求，以实用为核心，放弃掉那些华而不实的方面。同时还要充分考虑到顾客的体验，注重操作的方便性和直观性，注重完美的图形化控制画面。智能家居系统的操作时，必须在安全性，可靠性和容错性十分重视的态度上，保证系统的正常运行和性能良好，能够处理各种各样复杂的环境变化。根据国内外
9、智能家居系统目前的发展状况，人们不仅注意监测和控制家用电器的内部情况，还要求产品的外观特征、低功耗、低成本和可扩展性。2.3 系统设计要求关于系统设计有以下六点要求：（1）采用不需要现场总线系统主机的国际标准，模块化结构，来保证整个系统的安全性，可靠性。（2）选用触摸式智能面板，每一个按键上有图形文字，并可以在操作中按照主人的需求随时调整这些文字和图形，以保证主人很容易辨别和使用各种功能。（3）中央空调综合控制：由中央空调本身提供的控制接口，完整的操控中央空调所有室内机器：读取大厅空调每一个面板上的温度预设定值和房间实时温度、风速、冷暖模式，同时显示在主人房间中用于集中控制的触摸屏或PDA手机
10、上，通过一台触摸屏任意控制每个房间的空调，并可以远程Internet访问。（4）该系统可以根据每个房间的使用状况：是否有人、温度湿度、二氧化碳含量、天气、时间等，完成对中央空调、新风系统、灯光、窗帘的自动管理。例如：有人进入房间，窗帘自动打开，空调和送风系统自动开启；在晚上灯光自动变亮；没有人的时候，空调系统自动进入节能运行，灯光变暗；如果没有人超过一定时间，自动关闭空调、窗帘和灯光等电器。（5）安防系统确保做到万无一失，要和灯光、监视录像连接。报警时电子地图显示报警地点，报警区域灯光自动亮起，摄像机自动转向该区域并录像。（6）控制对象有：灯光调节、窗帘、遮阳系统、中央空调、送风系统、加湿系统
11、、暖气系统、热水器、家庭影院AV系统、电子门窗、安防报警系统、背景音乐系统、气象系统等。以上为完整智能家居系统设计要求，而本设计只是对于期中的某几个方面进行一定程度的说明和对其硬件及原理进行阐述。2.4 系统总体架构设计本设计方案是设计一套智能家居系统，根据课题的设计要求，控制系统采用的智能家居系统各部分的分布式控制方法，主要包括远程监控家电（如：灯）部分，智能门禁防盗部分，窗户自动关闭部分，可燃性气体报警部分，各个模块相互独立，单一模块发生故障时不影响其他模块的运行，该智能家居系统的整体架构框图如下图2-1所示。图2-1智能家居系统整体架构框图在该智能家居系统中用处理器，控制器操控远程监控家
12、电模块，检测温度、烟雾模块，密码锁模块等。在实际开发中应先在ARM Linux中编写每一个模块的驱动程序，经编译加载驱动后应用层才能操作硬件模块，手机通过短信方式的应用程序和硬件通信模块来控制硬件。3 系统硬件构成与工作原理本系统所采用的硬件为ARM9处理器、GSM模块、烟雾传感器、光电传感器、温湿度传感器等等。本系统硬件部分总体框体如图3-1所示：图3-1系统硬件部分框图3.1 ARM处理器嵌入式系统最常使用的处理器是单片机和ARM，但因为考虑到单片机引脚较少、功能简单等原因，所以选择功能更强大的ARM处理器。伴随着电子技术的发展，ARM处理器的发展经历了ARM7、ARM9、ARM11等多个
13、阶段，渐渐成熟的ARM处理器的应用将带来新的活力，嵌入式开发，可以更高端产品中的应用。本设计系统采用的ARM9处理器，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。ARM9系列处理器可为要求苛刻、成本敏感的嵌入式应用提供可靠的高性能和灵活性。丰富的DSP扩展使SoC设计不再需要单独的DSP。ARM9系列包括三种处理器：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM968E-S。ARM968E-S面积最小、包含DSP增强功能的ARM9处理器，针对低功耗、数据密集型、嵌入式实时应用，是众多实时类型应用的理想之选。AR
14、M946E-S具有MPU的DSP增强型高速缓存处理器，针对运行RTOS的实时应用一种具有可选高速缓存接口以及完整的内存保护单元的实时处理器。对于大部分代码位于主存储器的应用，该处理器非常有用，它按需加载到高速缓存中，同时关键的异常处理代码和数据仍本地保留在紧密耦合内存中。ARM926EJ-S具有Java加速、DSP扩展和MMU的应用处理器，针对基于操作系统的应用ARM926EJ-S处理器为入门级处理器，可支持完全版操作系统，其中包括Linux、Windows CE 和Symbian。因此此处理器是众多需要完整图形用户界面的应用的理想之选。3.2 GSM模块该智能家居系统设计中的GSM模块选择的
15、是西门子公司推出的一款双频900/1800MH高度集成的TC35。在GSM网络日趋完善的今天，它易于集成，在开发新产品方面用时比较短，成本更低。在远程监控和无线通话以及无线POS终端等领域大家都能看到TC35无线模块的作用。本系统使用TC35作为对家电进行远程监控，以下是TC35的主要特征：（1）信息传送内容：语音和数据。 （2）电源：单电源 3V5V 。（3）频段：双频GSM 900MHz 和 DCS 1800 MHz。（4）SIM 卡连接方式：外接 。（5）天线：由天线连接器连接外部天线 。（6）短信息：支持MT, MO, CB ，PDU 模式 。（7）音频接口：模拟信号。（8）通讯接口：
16、RS232（指令和数据可以进行双向传送）。（9）模块复位：使用AT指令或停电复位 。（10）串口通讯波特率：300bps115kbps 。主要是通过开发板的串口发送AT指令，经MAX232把TTL电平转换成RS232电平并处理TC35反馈回来的信息来实现发短信或语音功能的。3.3 温度传感器该系统选用DALLAS公司推出的DS18B20温度传感器进行研究。DS18B20因其体积超小、硬件开销超低，耐磨耐碰，便于使用，封装形式多种多样，而适用于各种空间较小的设备数字测温和控制领域。DS18B20的引脚封装原理图如图3-2所示：图3-2 DS18B20引脚封装原理图DS18B20引脚具体功能说明如
17、下：（1）DQ是数字信号的输入/输出端。（2）GND是电源接地。（3）VDD是外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20的主要特征有以下几点： （1） 全数字转换及输出。（2）先进的单总线数据通信（3）测量的结果以912位数字量的形式串行传送（4）不需要外围任何元件（5）测温范围为-55+125，固定测温分辨率为0.5（6）工作电压：35V（7）PVC电缆直接出线,连接其它电器设备更加方便DS18B20和ARM处理器的接口十分简单，只需要将DS18B20的信号线与控制线的一位双向端口连接即可。3.4 MQ-2烟雾传感器MQ-2气体传感器所利用的气体敏感材料是二氧化锡（SnO
18、2），它在清洁空气情况下电导率较低的。如果传感器所处环境中存在可燃性气体，气敏材料的电导率会随空气中可燃气体浓度的增加而增大。一个简单的电路就可以完成电导率的变化与该气体浓度相对应的输出信号的转换。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气很敏感，同时对天然气和其它可燃蒸汽的检测也有不错的灵敏度。该传感器可检测多种可燃气体，是一种可以适用于各种应用的低成本传感器。MQ-2的一些主要特征如下所示：（1）工作温度：-10+50 （2）报警范围：0.6515.5%FT （3）工作湿度：1090% （4）工作电源：912V （5）信号输出：常开/常闭 （6）安装方式：吸顶 （7）外壳：阻燃树脂 （8）产品
19、大小：半径径52.5mm 厚度32mm MQ-2引脚接线图如图3-3所示：图3-3 MQ-2 引脚接线图根据电路图和MQ-2的工作原理（其电导率随着气体浓度的增大而增大，其电阻是电导率的倒数，因此其电阻是随着烟雾浓度的增大而减小的），从而可以得到烟雾传感器的输出电压: （3-1）3.5 光电传感器 如今各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件就是光电传感器，它可以把光信号（红外、可见紫外光辐射）转变成为电信号。光电传感器是中的转换元件是光电器件。它能够用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强。本设计尝试光电传感器装在家里的保险箱或其他重要的属性，当小偷或其他非家族所有者试图关闭保险箱和其他重要
20、的属性会自动触发语音报警，从而达到防盗的目的。光电传感器的报警电路如图3-4所示：图3-4光电传感器的报警电路光电传感器的使用是简单和容易，只需正确的连接线路之后输入3.3V的高水平，当检测的障碍会输出一个低电平信号。我们将两个光电传感器的输出引脚连接到一个电压比较器上，比较后输出一个电压驱动蜂鸣器发出警报，如果有小偷接近保险柜或家居中其他重要财产时，系统就可以捕捉到这一信号并且做出反应。3.6 语音芯片语音芯片是语音报警模块的重要部分。该芯片中有多段语音在存储管理系统之中，这样可以保证在独立按键模式情况下进行多段语音录放。该芯片内有振荡器，能够通过外部电阻来调整其振荡频率，并且带自动增益控制
21、（AGC）的话筒运放和模拟线路输入。3.7 继电器由于一般家电电器工作电压都是220V，而单片机工作电压却只有5V，因此需要引入继电器来监控家电。继电器是一种控制器件。它具有控制系统（又称为输入回路）和被控制系统（又称为输出回路）。一般在自动化的控制电路中使用，它是利用弱电流去控制强电流运作的一种“自动开关”。所以在电路中能够起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。每当收到指定的短信要把家用电器打开时，插座会被MCU通过打开继电器给上电，从而可以打开家电，每当需要关闭家电时，也需要通过继电器关闭家电。ARM是一种弱电型电子器件，一般他们大多工作在5V或低电压，驱动电流毫安级及以下，并使它用于高
22、功率应用的输出，如步进电机的控制，很显然是不可行的。因此，有必要设计一个环节来连接，这个连接环节就是“功率驱动”。最典型最简单的功率驱动环节就是继电器的驱动。这里，继电器驱动包含两层意思：一是继电器本身是由GPIO，因为手臂的继电器是一种功率器件；另一个就是由继电器去驱动其它负载，例如继电器能够驱动中间继电器，也能够直接驱动接触器，因此ARM与其它大功率负载的接口就是继电器驱动。ARM的I / O高电平输出电压为3.3V，直接连接继电器水平低，无法控制继电器的闭合。三极管拥有良好的信号放大能力，经过三极管放大后的信号，再接入继电器，可以完成对继电器的控制，最终得到对交流电路的控制图3-5继电器
23、原理图4 系统各模块的工作过程4.1 GSM模块TC35模块在前面的章节中已经简单介绍过了，TC35模块中的40个引脚需要通过一个零阻力插座连接器引出。这40个引脚可以分为5类型，分别为电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。在我们的开发中使用的是GSM集成模块，该模块把我们要使用的引脚都接了出来，只要提供电源和接上MAX232电路就可以进行开发了。因为开发板上输出的电平是TTL电平，但TC35模块输入输出的为RS232电平，因此需要自己外接MAX232电路进行电平转换之后才能进行开发。使TC35工作主要是通过开发板的串口发送TC35 AT指令和处理板的命令返回。英文短信和中文PDU短
24、信是GSM短信模块发送短信的两种主要格式，下面是发送英文短信的收发过程。发：AT /与AT35握手 收：OK AT+CMGF=1 /发送短信格式的选择 AT+CMGS=1521xxx9882 /要发送的手机号 data 54 /test 指发送内容，指发送符号知道了GSM英文短信的发送过程，只要把握好顺序用nbyte = write（fd,buffer,Length）；即可实现发送英文短信的功能。本设计中，用发送短信主要是为了实现家电远程监视的功能，当用户发送检测家电的请求时，系统通过发送英文短信向用户反馈家电的工作状态，从而达到检测家电的功能。要控制家电，首先系统要识别是什么用户向系统发送了
25、消息，而且系统还要识别受到消息的内容，从而对家电进行控制。系统首先保存用户的电话号码，当用户收到消息时，首先判断是否是智能家居系统对家电发送了消息，如果是系统的主人发送的控制命令，系统接着对短信进行解析，最后控制器对家电进行控制。若智能家居系统收到其他用户的短信请求，将不会对短信进行解析，也不会对短信进行监控。GSM短信模块远程监控家电过程如图4-1所示：图4-1 GSM模块的程序流程图4.2 温度采集模块 DS18B20温度传感器显示9位到12位（二进制）温度读数，从主机CPU到DS18B20仅需一条线（共地），就可以将指示器件的温度信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B2O送出，
26、DS18B20有两种供电方式可供选择，第一是数据总线供电方式，虽然可节省一根导线，但测量温度时间较长；第二是外部供电方式，由VDD引脚接入DS18B2O的工作电源，不需要将I/O线强上拉，也不会存在电源电流不足的问题，可以确保转换精度，虽然这样多用了一根导线，但测量速度较一来的快，而且多个DS18B20传感器可以挂接在总线上，共同组成多点测温系统，本设计选用了外部供电的方式，从而可以实现及时多点采集温度。DS18B20的测量范围从-55到+125，精确度值为0.5，可在短时间内把温度变换成数字，每个DS18B20在出厂时已确定了唯一的序号，在同一条单线总线上可以同时存放多个DS18B20，以完
27、成多路温度采集。在DSl8B20内部的ROM（只读存贮器）中存放了DS18B20的序号值，多路测量的同时DS18B20的ROM搜索命令会对对所有单线总线上的传感器进行搜索，然后初始化各DS18B20并且发送跳过ROM命令和RAM温度转换命令，在单线上各DS18B20完成温度转换后，就可确定某一个DS18B20，并通过匹配ROM命令和RAM温度来读取命令读取其数字温度值。ROM和RAM存储器操作命令分别如表4-1和表4-2所示：表4-1 ROM存储器操作命令ROM指令代码指令功能Read ROM33H读取DS18B20的64位器件序列号Match55H总线控制在单线上定位一只特定的DS18B20 Skip ROMCCH总线控制器不需发送器件序列号就可对存储器操作Search ROMF0H识别单线总线上各单线器件的序列号Alarm ROMECH对温度超过报警上、下限的器件做出警告搜索响应表4-2 RAM存储器操作命令RAM指令Write Scratchpad4EH写入数据到储存器字节2，3和字节4 Read ScratchpadBEH读暂存存储器Copy Scratchpad48H
