CN104007743A - 一种基于无线传感器网络的智能家居系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的智能家居系统，包括至少两个环境监测节点、至少两个设备监控节点、信息处理终端、数据远程传输模块和远程用户管理端，至少两个环境监测节点、至少两个设备监控节点均与信息处理终端连接，信息处理终端与数据远程传输模块连接，数据远程传输模块与远程用户管理端通信连接，信息处理终端包括用于处理接收和发送数据的第一微处理器单元、用于将第一微处理器单元处理得到的数据进行显示和用户触摸信号输入的TFT彩屏显示模块、用于与环境监测节点和设备监控节点相互通信的第一无线通信单元、用于串口通信和烧录程序的第一串口单元、以及第一供电单元。本发明灵活性良好、维护维修方便、扩展功能较高、智能化程度良好。

Description

一种基于无线传感器网络的智能家居系统

技术领域

本发明属于无线传感器网络与智能家居的交叉领域，涉及一种基于无线传感器网络的智能家居系统。

背景技术

随着国家经济的发展和科技的不断提高，人们对家居环境的要求越来越高。同时由于“低碳经济”成为热点话题，低碳、环保成为世界制造业的大势所趋，因此作为绿色建筑的核心部分——智能家居系统将降低家庭的能耗，改变人们的生活习惯，提高人们的生活质量，促使家庭实现生活的现代化，给人们的家居生活带来全新的感受。因此智能家居系统的开发和建设是未来国家经济发展的必然趋势。

传统智能家居系统往往采用被动模式，采用有线方式，需要专业人员施工，需要专门公司维护，而且其施工周期长，施工费用高，系统灵活性差，维护维修难，扩展功能低，建成后用户无法更新升级。还有安全保护、环境调节、照明管理、健康监测、家电控制等问题无法有效的解决。

发明内容

为了克服已有家居系统的灵活性较差、维护维修麻烦、扩展功能较低、智能化程度较低的不足，本发明提供了一种灵活性良好、维护维修方便、扩展功能较高、智能化程度良好的基于无线传感器网络的智能家居系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于无线传感器网络的智能家居系统，包括至少两个环境监测节点、至少两个设备监控节点、信息处理终端、数据远程传输模块和远程用户管理端，所述至少两个环境监测节点、至少两个设备监控节点均与所述信息处理终端连接，所述信息处理终端与所述数据远程传输模块连接，所述数据远程传输模块与所述远程用户管理端通信连接，其中，所述的信息处理终端包括用于处理接收和发送数据的第一微处理器单元、用于将第一微处理器单元处理得到的数据进行显示和用户触摸信号输入的TFT彩屏显示模块、用于信息处理终端与环境监测节点和设备监控节点相互通信的第一无线通信单元、用于串口通信和烧录程序的第一串口单元、以及用于为第一微处理器单元、第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块供电的第一供电单元，所述第一微处理器单元、第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块均与第一供电单元连接，第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块均与第一微处理器单元连接。

进一步，所述的环境监测节点包括用于采集家居室内环境信息的传感器模块、用于处理传感器模块的采集信息的第二微处理器单元、用于与信息处理终端之间相互通信的第二无线通信单元、用于串口通信和烧录程序的第二串口单元、以及用于为第二微处理器单元、第二无线通信单元、第二串口单元和传感器模块供电的第二供电单元，所述第二微处理器单元、第二无线通信单元、第二串口单元和传感器模块均与第二供电单元连接，所述传感器模块、第二无线通信单元和第二串口单元均与第二微处理器单元连接，所述第二无线通信单元与第一无线通信单元无线连接。

再进一步，所述的传感器模块为以下一种或至少两种以上组合：(1)用于采集室内温湿度信息的温湿度传感器；(2)用于采集室内光照强度信息的光敏传感器；(3)用于采集室内空气质量的灰尘传感器；(4)用于采集烟雾浓度的烟雾传感器；(5)用于采集火焰强度的火焰传感器。也可以采用其他类型的传感器。

更进一步，所述的设备监控节点包括用于处理控制命令和被控设备的工作状态信息的第三处理器单元、用于与信息处理终端之间相互通信的第三无线通信单元、用于串口通信和烧录程序的第三串口单元、用于被控设备的控制模块、以及用于为第三微处理器单元、第三无线通信单元、第三串口单元和被控设备的控制模块供电的第三供电单元，所述第三微处理器单元、第三无线通信单元、第三串口单元和被控设备的控制模块均与第三供电单元连接，所述被控设备的控制模块、第三无线通信单元和第三串口单元均与第三微处理器单元连接，所述第三无线通信单元与第一无线通信单元无线连接。

所述的被控设备的控制模块包括LED灯控制电路、红外监控报警电路和电控锁控制电路，也可以包括其他控制模块。

本发明的有益效果主要表现在：本发明将无线传感器网络技术运用到智能家居系统中，采用低功耗、低成本、多功能和部署简易的环境监测节点和设备监控节点，让所有节点自组织成一个无线传感器网络，并提供远程数据传输和设备控制功能，最终实现对室内环境信息的采集、处理和传输，实现对室内设备的检测和控制。本发明可有效解决传统家居存在的问题，具有无需布线、扩展灵活、不占空间、低能耗、高效率、绿色环保等特点，为智能家居系统提供一种全新的解决手段，可优化人们的生活方式和居住环境，满足人们对生活环境智能、舒适、安全要求。

附图说明

图1是本发明的智能家居系统的工作状态示意图；

图2是本发明的信息处理终端的结构示意图；

图3是本发明的环境监测节点的结构示意图；

图4是本发明的设备监控节点的结构示意图；

图5是本发明的TFT彩屏显示模块的电路原理图；

图6是本发明的第一无线通信单元的电路原理图；

图7是本发明的第一串口单元的电路原理图；

图8是本发明的第一供电单元的电路原理图；

图9是本发明的第一微处理器单元的电路原理图；

图10是本发明的传感器模块的电路原理图；

图11是本发明的第二无线通信单元的电路原理图；

图12是本发明的第二串口单元的电路原理图；

图13是本发明的第二供电单元的电路原理图；

图14是本发明的第二微处理器单元的电路原理图；

图15是本发明的LED灯控制电路的电路原理图；

图16是本发明的红外监控报警电路的电路原理图；

图17是本发明的电控锁控制电路的电路原理图；

图18是本发明的第三无线通信单元的电路原理图；

图19是本发明的第三串口单元的电路原理图；

图20是本发明的第三供电单元的电路原理图；

图21是本发明的第三微处理器单元的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图21，一种基于无线传感器网络的智能家居系统，包括至少两个环境监测节点1、至少两个设备监控节点2、信息处理终端3、数据远程传输模块4和远程用户管理端5，所述至少两个环境监测节点、至少两个设备监控节点均与所述信息处理终端连接，所述信息处理终端与所述数据远程传输模块连接，所述数据远程传输模块与所述远程用户管理端通信连接。

如图2所示，所述的信息处理终端3：包括用于处理接收和发送数据的第一微处理器单元；

用于将第一微处理器单元处理得到的数据进行显示和用户触摸信号输入的TFT彩屏显示模块；

用于信息处理终端与环境监测节点、设备监控节点相互通信的第一无线通信单元；

用于串口通信和烧录程序的第一串口单元；

用于为第一微处理器单元、第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块供电的第一供电单元。

所述第一微处理器单元、第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块均与第一供电单元连接，第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块均与第一微处理器单元连接。

如图3所示，所述的环境监测节点1：包括用于采集家居室内环境的传感器模块；

用于处理传感器模块的采集信息的第二微处理器单元；

用于与信息处理终端之间相互通信的第二无线通信单元；

用于串口通信和烧录程序的第二串口单元；

用于为第二微处理器单元、第二无线通信单元、第二串口单元和传感器模块供电的第二供电单元。

所述第二微处理器单元、第二无线通信单元、第二串口单元和传感器模块均与第二供电单元连接，所述传感器模块、第二无线通信单元和第二串口单元均与第二微处理器单元连接。

所述的传感器模块：包括用于采集室内温湿度信息的温湿度传感器；

用于采集室内光照强度的光敏传感器；

用于采集室内空气质量的灰尘传感器；

用于采集烟雾浓度的烟雾传感器；

用于采集火焰强度的火焰传感器。

当然，也可以包括其他类型的传感器。

如图4所示，设备监控节点2：包括用于处理控制命令和被控设备的工作状态信息的第三处理器单元；

用于与信息处理终端之间相互通信的第三无线通信单元；

用于串口通信和烧录程序的第三串口单元；

用于被控设备的控制模块；

用于为第三微处理器单元、第三无线通信单元、第三串口单元和被控设备的控制模块供电的第三供电单元。

所述第三微处理器单元、第三无线通信单元、第三串口单元和被控设备的控制模块均与第三供电单元连接，所述被控设备的控制模块、第三无线通信单元和第三串口单元均与第三微处理器单元连接，所述第二无线通信单元、第三无线通信单元均与第一无线通信单元无线连接。

所述的被控设备的控制模块包括LED灯控制电路、红外监控报警电路和电控锁控制电路。当然，也可以包括其他控制模块。

如图5所示，所述的TFT彩屏显示模块电路：TFT彩屏显示模块接口U6_1的1脚与+3.3V直流电源电压连接，2脚接地，3～7脚分别与单片机U4_1的40～44脚连接，8～10脚分别与单片机U4_1的1～3脚连接，11～18脚分别与单片机U4_1的30～37脚连接，19～27脚分别与单片机U4_1的9脚、10脚、27脚、29脚、39脚、26脚、24脚、28脚和25脚连接，29脚、31脚分别与单片机U4_1的7脚和8脚连接，28脚、30脚和32脚悬空。

如图6所示，所述的第一无线通信单元电路：无线通信模块U7_1的1～4脚分别与指示灯D2_1～D5_1的阴极连接，5～8脚分别与拨码开关S3_1的5～8脚连接，9脚悬空，10脚经电容C17_1后接地，10脚经电阻R10_1后与+5V直流电源电压连接，14脚接地，15脚与单片机U4_1的18脚连接，16脚与单片机U4_1的19脚连接，17脚与+5V直流电源电压连接，18脚接地，11～13脚悬空。拨码开关S3_1的1～4脚分别与电阻R16_1～R19_1的一端连接。电阻R16_1～R19_1的另一端均接地。指示灯D2_1～D5_1的阳极分别与电阻R11_1～R14_1的一端连接，电阻R11_1～R14_1的另一端与+3.3V直流电源电压连接。

如图7所示，所述的第一串口单元电路：串口模块J2_1的5脚接地，2脚与电平转换芯片U5_1的14脚连接，3脚与电平转换芯片U5_1的13脚连接，1脚、4脚和6脚～9脚悬空；串口模块J3_1的5脚接地，2脚与电平转换芯片U5_1的7脚连接，3脚与电平转换芯片U5_1的8脚连接，1脚、4脚和6脚～9脚悬空；电平转换芯片U5_1的1脚经电容C16_1后与其3脚连接，4脚经电容C15_1后与其5脚连接，2脚经电容C13_1后与+5V直流电源电压连接，6脚经电容C12_1后接地，15脚接地，15脚与电容C14_1的一端连接，16脚与+5V直流电源电压连接，16脚与电容C14_1的另一端连接，11脚与单片机U4_1的19脚连接，12脚与单片机U4_1的18脚连接，9脚与接单片机U4_1的4脚连接，10脚与单片机U4_1的5脚连接。

如图8所示，所述的第一供电单元电路：包括第一+3.3V直流电源电压输出电路和第一+5V直流电源电压输出电路。

第一+3.3V直流电源电压输出电路：电源插座P1_1的1脚与电源管理芯片U1_1的1脚和5脚连接，2脚和3脚接地；电源管理芯片U1_1的2脚悬空，3脚和6脚与锁扣开关S1_1的2脚连接，4脚与锂电池BAT1的正极连接；电源管理芯片U2_1的1脚经电阻R2_1后与指示灯D1_1的阴极连接，2脚与锂电池BAT1的阴极连接且接地，3脚与锂电池BAT1的正极连接，4脚与电源插座P1_1的1脚连接，5脚经电阻R1_1后接地；指示灯D1_1的阳极与锁扣开关S1_1的2脚连接；锁扣开关S1_1的3脚悬空，2脚与电源管理芯片U1_1的6脚连接，1脚经电容C1_1后接地，1脚经电阻R7_1后与电源管理芯片U3_1的8脚连接，1脚经电阻R7_1和电容C3_1后接地；电源管理芯片U3_1的1脚经电阻R4_1后接地，2脚悬空，3脚经电感L1_1后与其4脚连接，5脚接地，6脚输出+3.3V直流电源电压，6脚经电阻R5_1和电阻R6_1后接地，6脚经电阻R5_1后与电源管理芯片U3_1的9脚连接，6脚均与电容C4_1、C5_1、C6_1的一端连接，7脚悬空，8脚经电容C3_1后接地，8脚经电阻R7_1后与锁扣开关S1_1的1脚连接，9脚经电阻R3_1和电容C2_1后与其10脚连接；电容C4_1、C5_1、C6_1的另一端均接地；电源指示灯D6_1阴极接地，阳极与电阻R15_1的一端连接。电阻R15_1的另一端与+3.3V直流电源电压连接。

第一+5V直流电源电压输出电路：电源管理芯片U9_1的1脚接地，2脚与二极管D7_1的阴极连接，2脚输出+5V直流电源电压，3脚与二极管D7_1的阳极连接，3脚与电感L2_1的一端连接；电感L2_1的另一端与锁扣开关S1_1的1脚连接，且经电容C18_1后接地。

如图9所示，所述的第一微处理器单元电路：单片机U4_1的11脚与晶振Y1_1的一端连接，12脚与晶振Y1_1的另一端连接，11脚和12脚分别经电容C7_1、电容C8_1接地，13脚与电阻R9_1的一端连接，电阻R9_1的另一端均与电容C9_1、电阻R8_1和按键S2_1的一端连接。电容C9_1的另一端和按键S2_1的另一端与+3.3V直流电源电压连接，电阻R8_1的另一端接地。单片机U4_1的14脚均与电容C10_1的一端和电解电容C11_1的阳极连接且与+3.3V直流电源电压连接，16脚均与电容C10_1的另一端和电解电容C11_1的阴极连接且接地，40～44脚与1～3脚分别与排阻J1_1的2～9脚连接，排阻J1_1的1脚与+3.3V直流电源电压连接。单片机U4_1的40～44脚、1～3脚和30～37脚分别与TFT彩屏显示模块接口U6_1的3～18脚连接，9脚、10脚、27脚、29脚、39脚、26脚、24脚、28脚和25脚分别与TFT彩屏显示模块接口U6_1的19～27脚连接，7脚和8脚分别与TFT彩屏显示模块接口U6_1的29脚、31脚连接，18脚、19脚分别与无线通信模块U7_1的15脚、16脚和电平转换芯片U5_1的12脚、11脚连接，4脚、5脚分别与电平转换芯片U5_1的9脚、10脚连接。

所述的单片机U4_1的芯片型号为STC15L2K60S2，实现环境监测节点1和设备监控节点2的数据接收、处理和显示，实现设备监控节点2的控制命令接收、处理和发送。所述的TFT彩屏显示模块U6_1为3.2寸TFT LCD，型号为SPC-S95160，实现信息处理终端的数据显示和用户触摸信号输入。所述的无线通信模块U7_1的型号为SZ05，所述的电平转换芯片U5_1的型号为MAX232，所述的电源管理芯片U1_1型号为FDDMA2P853，所述的电源管理芯片U2_1的型号为LTC4054，所述的电源管理芯片U3_1的型号为GS3406，所述的电源管理芯片U9_1的型号为ME2108A50PG。

如图10所示，所述的温湿度传感器J6_2的1脚接地，2脚与单片机U4_2的31脚连接，2脚经电阻R17_2后与+3.3V直流电源电压连接，3脚与单片机U4_2的30脚连接，4脚与+3.3V直流电源电压连接，4脚经电容C17_2后接地，5～8脚悬空。所述的光敏传感器J3_2的2脚与+3.3V直流电源电压连接，1脚与单片机U4_2的7脚连接，1脚经电阻R14_2后接地。所述的灰尘传感器J4_2的1脚经电容C19_2后接地，1脚经电阻R16_2后与+5V直流电源电压连接，2脚和4脚接地，2脚和4脚与晶体管Q1_2的集电极连接，3脚与晶体管Q1_2的发射极连接，5脚与单片机U4_2的10脚连接，6脚与+5V直流电源电压连接，晶体管Q1_2的基极与单片机U4_2的9脚连接。所述的火焰传感器J7_2的1脚与+3.3V直流电源电压连接，2脚与单片机U4_2的8脚连接，2脚经电阻R15_2后接地。所述的烟雾传感器J5_2的2脚、4脚和6脚与+5V直流电源电压连接，5脚接地，1脚和3脚与电位器R11_2的1脚连接，电位器R11_2的2脚接地，电位器R11_2的3脚均与单片机U4_2的4脚和运算放大器U7_2的3脚连接；运算放大器U7_2的1脚、5脚和8脚悬空，2脚经电阻R12_2后接地，2脚经电阻R13_2后与其6脚连接，3脚与单片机U4_2的4脚连接，运算放大器U7_2的4脚接地，7脚与+5V直流电源电压连接，7脚经电容C18_2后接地，6脚与单片机U4_2的5脚连接，6脚经电阻R13_2、R12_2后接地，6脚经电阻R13_2后与其2脚连接。

如图11所示，所述的第二无线通信单元电路：无线通信模块U5_2的1～4脚分别与指示灯D1_2～D4_2的阴极连接，5～8脚分别与拨码开关S1_2的5～8脚连接，9脚、11脚、12脚和13脚悬空，10脚经电容C11_2后接地，10脚经电阻R10_2后与+5V直流电源电压连接，14脚接地，15脚和16脚分别与单片机U4_2的18脚和19脚连接，17脚与+5V直流电源电压连接，18脚接地。拨码开关S1_2的1～4脚分别与电阻R6_2～R9_2的一端连接，电阻R6_2～R9_2的另一端均接地。指示灯D1_2～D4_2的阳极分别与电阻R1_2～R4_2的一端连接，电阻R1_2～R4_2的另一端与+3.3V直流电源电压连接。

如图12所示，所述的第二串口单元电路：串口模块J2_2的5脚接地，2脚与电平转换芯片U3_2的14脚连接，3脚与电平转换芯片U3_2的13脚连接，4脚和6～9脚悬空；电平转换芯片U3_2的1脚经电容C9_2后与其3脚连接，4脚经电容C10_2后与其5脚连接，2脚经电容C7_2后与+5V直流电源电压连接，6脚经电容C6_2后接地，15脚与电容C8_2的一端连接且接地，16脚与电容C8_2的另一端连接且与+5V直流电源电压连接，11脚、12脚分别与单片机的19脚和18脚连接，7脚、8脚、9脚和10脚悬空。

如图13所示，所述的第二供电单元电路：包括第二+5V直流电源电压输出电路和第二+3.3V直流电源电压输出电路。

第二+5V直流电源电压输出电路：电源电压降压模块U1_2的1脚与电源插座J1_2的2脚连接，2脚与电源插座J1_2的1脚连接，3脚输出+5V直流电源电压，3脚与电源管理芯片U2_2的3脚连接且与电解电容C2_2的阳极和电容C3_2的一端连接，4脚接地；电解电容C2_2的阴极和电容C3_2的另一端接地；电源插座J1_2的1脚与220V交流电源电压的火线连接，电源插座J1_2的2脚与220V交流电源电压的零线连接。

第二+3.3V直流电源电压输出电路：电源管理芯片U2_2的1脚接地，2脚输出+3.3V直流电源电压，3脚与电源电压降压模块U1_2的3脚连接，2脚与电解电容C4_2的阳极和电容C5_2的一端连接。电解电容C4_2的阴极和电容C5_2的另一端接地。电源指示灯D5_2的阴极接地，阳极与电阻R5_2的一端连接。电阻R5_2的另一端与+3.3V直流电源电压连接。

如图14所示，所述的第二微处理器单元电路：单片机U4_2的11脚与晶振Y1_2的一端连接，12脚与晶振Y1_2另一端连接，11脚和12脚分别经电容C12_2、电容C13_2后接地，13脚与电阻R9_2的一端连接，电阻R9_2的另一端均与电容C14_2、电阻R18_2和按键S2_2的一端连接。电容C14_2的另一端和按键S2_2的另一端与+3.3V直流电源电压连接，电阻R18_2的另一端接地。单片机U4_2的14脚均与电容C15_2的一端和电解电容C16_2的阳极连接且与+3.3V直流电源电压连接，16脚与电容C15_2的另一端和电解电容C16_2的阴极连接且接地，40～44脚与1～3脚分别与排阻J8_2的2～9脚连接，排阻J8_2的1脚与+3.3V直流电源电压连接，4脚与运算放大器U7_2的3脚连接，5脚与运算放大器U7_2的6脚连接，7脚与光敏传感器J3_2的1脚连接，8脚与火焰传感器J7_2的2脚连接，9脚与晶体管Q1_2的基极连接，10脚与灰尘传感器J4_2的5脚连接，18脚均与电平转换芯片U3_2的12脚和无线通信模块U5_2的15脚连接，19脚均与电平转换芯片U3_2的11脚和无线通信模块U5_2的16脚连接，30脚与温湿度传感器J6_2的3脚连接，31脚与温湿度传感器J6_2的2脚连接。

所述的单片机U4_2的芯片型号为STC15L2K60S2，实现传感器模块信息的采集、处理和发送。所述的无线通信模块U5_2的型号为SZ05，所述的电平转换芯片U3_2的型号为MAX232，所述的电源管理芯片U1_2的型号为APV-12-5，所述的电源管理芯片U2_2的型号为AMS1117-3.3，所述的温湿度传感器J6_2的型号为SHT11，所述的灰尘传感器J4_2的型号为GP2Y1010AU0F，所述的火焰传感器J7_2的型号为JNHB1004，所述的烟雾传感器J5_2的型号为MQ-2，所述的光敏传感器J3_2的型号为普通光敏电阻。

如图15所示，所述的LED灯控制电路：LED灯驱动芯片U7_3的1脚与单片机U5_3的4脚连接，2脚与+5V直流电源电压连接，3脚接地，4脚经电阻R20_3后接地，5脚与LED灯接口J2_3的2脚连接；继电器U8_3的4脚悬空，3脚与LED灯接口J2_3的1脚连接，5脚与+12V直流电源电压连接，2脚与+5V直流电源电压连接，1脚与晶体管Q1_3的发射极连接；晶体管Q1_3的集电极接地，发射极与继电器U8_3的1脚连接，基极经R12_3后与+5V直流电源电压连接，基极与光电耦合器U9_3的4脚连接；光电耦合器U9_3的1脚与晶体管Q2_3的集电极连接，2脚和3脚接地，4脚与晶体管Q1_3的基极连接；晶体管Q2_3的基极与单片机U5_3的30脚连接，集电极与光电耦合器U9_3的1脚连接，发射极经电阻R11_3后与+3.3V直流电源电压连接；LED灯接口J2_3的1脚与继电器U8_3的3脚连接，1脚经电容C18_3后接地，2脚与LED驱动芯片U7_3的5脚连接。

如图16所示，所述的红外监控报警电路：热释电红外传感器J3_3的1脚经电阻R19_3后与单片机U5_3的32脚连接，1脚经电阻R19_3、R18_3后接地，2脚与+3.3V直流电源电压连接，3脚接地；音乐集成芯片U6_3的1脚与+3.3V直流电源电压连接，2脚悬空，3脚与晶体管Q6_3的基极连接，4脚和5脚均与晶体管Q5_3的集电极连接，6脚经电阻R17_3后与其7脚连接；晶体管Q5_3的基极经电阻R15_3后与单片机U5_3的31脚连接，发射极接地，集电极与音乐集成芯片U6_3的5脚连接，集电极经电阻R16_3后与+3.3V直流电源电压连接；晶体管Q6_3的基极与音乐集成芯片U6_3的3脚连接，发射极与+3.3V直流电源电压连接，集电极与扬声器SPEAKER的一端连接，扬声器SPEAKER的另一端接地。

如图17所示，所述的电控锁控制电路：继电器U11_3的4脚悬空，3脚与电控锁接口J6_3的2脚连接，5脚与+12V直流电源电压连接，2脚与+5V直流电源电压连接，1脚与晶体管Q4_3的发射极连接；晶体管Q4_3的集电极接地，发射极与继电器U11_3的1脚连接，基极经R14_3后与+5V直流电源电压连接，基极与光电耦合器U10_3的4脚连接；光电耦合器U10_3的1脚与晶体管Q3_3的集电极连接，2脚和3脚接地，4脚与晶体管Q4_3的基极连接；晶体管Q3_3的基极与单片机U5_3的33脚连接，集电极与光电耦合器U10_3的1脚连接，发射极经电阻R13_3后与+3.3V直流电源电压连接；电控锁接口J6_3的1脚与+12V直流电源电压连接，2脚与继电器U11_3的4脚连接，电控锁接口J5_3的3脚和4脚接地。

如图18所示，所述的第三无线通信单元电路：无线通信模块U12_3的1～4脚分别与指示灯D1_3～D4_3的阴极连接，5～8脚分别与拨码开关S1_3的5～8脚连接，9脚、11脚、12脚和13脚悬空，10脚经电容C17_3后接地，10脚经电阻R10_3后与+5V直流电源电压连接，14脚接地，15脚和16脚分别与单片机U5_3的18脚和19脚连接，17脚与+5V直流电源电压连接，18脚接地。拨码开关S1_3的1～4脚分别与电阻R6_3～R9_3的一端连接，电阻R6_3～R9_3的另一端均接地。指示灯D1_3～D4_3的阳极分别与电阻R1_3～R4_3的一端连接，电阻R1_3～R4_3的另一端与+3.3V直流电源电压连接。

如图19所示：所述的第三串口通信单元电路：串口模块J1_3的5脚接地，2脚与电平转换芯片U4_3的14脚连接，3脚与电平转换芯片U4_3的13脚连接，4脚和6～9脚悬空；电平转换芯片U4_3的1脚经电容C11_3后与其3脚连接，4脚经电容C10_3后与其5脚连接，2脚经电容C7_3后与+5V直流电源电压连接，6脚经电容C8_3后接地，15脚与电容C9_3的一端连接且接地，16脚与电容C9_3的另一端连接且与+5V直流电源电压连接，11脚、12脚分别与单片机U5_3的19脚、18脚连接，7脚、8脚、9脚和10脚悬空。

如图20所示，所述的第三供电单元电路：包括+12V电压输出电路、第三+5V直流电源电压输出电路和第三+3.3V直流电源电压输出电路。

+12V电压输出电路：电源电压降压模块U1_3的1脚与电源插座J4_3的2脚连接，2脚与电源插座J4_3的1脚连接，3脚输出+12V直流电源电压，3脚均与电解电容C1_3的阳极和电容C2_3的一端连接，4脚接地。电解电容C1_3的阴极和电容C2_3的另一端均接地。

第三+5V直流电源电压输出电路：电源管理芯片U2_3的1脚与电源电压降压模块U1_3的3脚连接，3脚和5脚接地，2脚经电感L1_3后输出+5V直流电源电压，2脚经电感L1_3后与其4脚连接，2脚经电感L1_3和电解电容C4_3的阳极后接地，2脚与二极管D6_3的阴极连接，4脚经电解电容C4_3的阳极后接地；二极管D6_3的阳极接地。

第三+3.3V直流电源电压输出电路：电源管理芯片U3_3的3脚与第三+5V直流电源电压连接，1脚接地，2脚输出+3.3V直流电源电压，2脚与电解电容C5_3的阳极和电容C6_3的一端连接。电解电容C5_3的阴极和电容C6_3的另一端接地。电源指示灯D5_3的阴极接地，阳极与电阻R5_3的一端连接；电阻R5_3的另一端与+3.3V直流电源电压连接。

如图21所示，所述的第三微处理器单元电路：单片机U5_3的11脚与晶振Y1_3的一端连接，12脚与晶振Y1_3的另一端连接，11脚和12脚分别经电容C12_3、电容C13_3后接地，13脚与电阻R22_3的一端连接，电阻R22_3的另一端均与电容C14_3、电阻R21_3和按键S2_3的一端连接。电容C14_3的另一端和按键S2_3的另一端与+3.3V直流电源电压连接，电阻R21_3的另一端接地。单片机U5_3的14脚均与电容C15_3的一端和电解电容C16_3的阳极连接且与+3.3V直流电源电压连接，16脚与电容C15_3的另一端和电解电容C16_3的阴极连接且接地，40～44脚与1～3脚分别与排阻J5_3的2～9脚连接，排阻J5_3的1脚与+3.3V直流电源电压连接。单片机U5_3的4脚与LED灯驱动芯片U7_3的1脚连接，18脚和19脚分别与电平转换芯片U4_3的12脚和11脚连接，18脚和19脚分别与无线通信模块U12_3的15和16脚连接，30脚与晶体管Q2_3的基极连接，31脚经电阻R15_3后与晶体管Q5_3的基极连接，32脚经电阻R19_3与热释电红外传感器J3_3的1脚连接，33脚与晶体管Q3_3的基极连接。

所述的U5_3的芯片型号为STC15L2K60S2，实现控制命令的接收、处理和反馈和设备状态数据的采集、处理和发送。所述的电源管理芯片U3_3的型号为AMS1117-3.3V，所述的电源管理芯片U2_3的型号为LM2576-5.0，所述的电源电压降压模块U1_3的型号为APV-12-12，所述的电平转换芯U4_3的型号为MAX232，所述的无线通信模块U12_3的型号为SZ05，所述的LED灯驱动芯片U7_3的型号为CAT4101，所述的光电耦合器U9_3和U10_3的型号均为PC817，所述的继电器U8_3和U11_3的型号均为OVR-SH-205L，所述的音乐集成芯片U6_3的型号为KD-9561。

如图1所示，使用本发明时，将环境监测节点1安装在室内大厅或房间内，将设备监控节点2安装在被控设备的附近。环境监测节点1采集室内温度、湿度、光照强度、灰尘浓度、烟雾浓度、火焰强度等信息，通过环境监测节点1的第二无线通信单元与信息处理终端3的第一无线通信单元通信，将其采集的环境信息上报到信息处理终端3。信息处理终端3接收和显示环境监测节点1采集的室内环境数据。信息处理终端3接收和分析用户的控制命令，将其第一无线通信单元与设备监控节点2的第三无线通信单元通信，无线发送控制命令到设备监控节点2和接收设备监控节点2的被控设备的工作状态信息。设备监控节点2接收控制命令，通过被控设备的控制模块改变被控设备的工作状态，反馈被控设备的工作状态信息。室内用户可直接通过信息处理终端3获取室内家居的环境信息和监控室内的设备。使用本发明时，可将信息处理终端3的第一串口单元与数据传输远程模块4连接，将远程用户管理端5与数据远程传输模块4的3G传输单元通信。室外用户可通过远程用户管理端获取室内家居的环境信息和监控室内的设备。

本发明的具体工作过程如下：

用户可通过本发明在室外和室内获取室内环境信息和被控设备的工作状态信息，控制被控设备。其具体工作可分成信息上报和命令发送两部分。信息上报的具体工作过程如下：首先，环境监测节点1的第二微控制器单元每间隔0.5h时间通过传感器模块获取温度、湿度、光照强度、灰尘浓度等信息，每间隔7s时间通过传感器模块获取火焰强度、烟雾浓度等信息。设备监控节点2的第三微控制器单元每间隔7s时间通过被控设备的控制模块获取LED灯、电控锁、红外监控报警电路等被控设备的工作状态信息。然后，环境监测节点1通过第二无线通信单元和设备监控节点2通过第三无线通信单元发送信息包(如1319YYYYYYYWXXXXXXX，13代表数据包头，19代表数据长度，YYYYYYY代表环境监测节点1或设备监控节点2的地址，W代表上报信息类型，XXXXXXX代表有效数据信息)到信息处理终端3。接着，信息处理终端3通过第一无线通信单元接收来自第二无线通信单元和第三无线通信单元的信息包，在TFT彩屏显示模块上显示。其次，信息处理终端3可通过第一串口单元转发信息包到数据远程传输端4。最后，数据远程传输端4通过公网将信息包传输到远程用户管理端5。命令发送的具体工作过程如下：首先，室外用户可通过远程用户管理端5发送控制命令(如1514YYYYYYYDXX，其中15代表命令头，14代表命令位数，YYYYYYY代表设备监控节点2的地址，D代表设备监控节点2所连接的被控设备类型，XX代表被控设备的工作状态)，并通过公网传输给数据远程传输端4。数据远程传输端4接收控制命令后，通过第一串口单元转发给信息处理终端3。其次，信息处理终端3通过第一串口单元接收控制命令，也可通过TFT彩屏显示模块分析室内用户的触摸信号，并通过第一无线通信单元将对应的控制命令发送给设备监控节点2。设备监控节点2接收和分析控制命令，对被控设备执行操作。

第一供电单元为信息处理终端3提供电源，如图8所示，P1_1为外接电源接口，外接电源的输入电源电压为+5V直流电源电压。当供电电源为P1_1外接输入+5V直流电源电压时，通过电源管理芯片U1_1输出+5V直流电源电压，电源指示灯D1_1点亮，通过电源管理芯片U1_1和U2_1为3.7V锂电池BAT1充电。当供电电源不为P1_1外接输入+5V直流电源电压时，锂电池BAT1通过电源管理芯片U1_1输出3.7V电源电压。U3_1电源管理芯片GS3406(理论输入电压范围为1.8V-5.5V)、电感L1_1、电阻R4_1、R3_1、R5_1、R6_1、R7_1、电容C2_1、C3_1、C4_1、C5_1、C6_1连接成稳压电路，将5V或3.7V直流电源电压降压后输出+3.3V直流电源电压，最大输出电流为600mA，发光二极管D6_1点亮。U9_1电源管理芯片ME2108A50PG(理论输入电压范围为0.9V-8V)、电感L2_1、电容C18_1、C19_1、C20_1、二极管D7_1连接成稳压电路，将直流电源电压升压到5V直流电源电压，最大输出电流为400mA。

第一串口单元为信息处理终端3提供串口通信接口和数据传输远程端接口，如图7所示，U5_1电平转换芯片MAX232是单电源双RS-232收发芯片，采用单一+5V直流电源电压供电，与电容C12_1、C13_1、C14_1、C15_1、C16_1连接成标准的RS-232通信接口，实现单片机U4_1的TTL电平与计算机的RS-232电平之间的转换。数据传输远程端4与串口模块J3_1连接，实现串口数据转IP数据的功能。

第一无线通信单元为信息处理终端3提供无线通信接口，如图6所示，SZ05无线通信模块接口U7_1与发光二极管D2_1、D3_1、D4_1、D5_1、电阻R11_1、R12_1、R13_1、R14_1连接成无线通信模块的工作指示灯电路，若节点建网成功，发光二极管D4_1点亮，若接收或发送一次数据，发光二极管D2_1闪烁一次，若系统正常运行，发光二极管D3_1间隔1秒闪烁，若系统异常，发光二极管D5_1点亮。SZ05无线通信模块接口U7_1与拨码开关S3_1、电阻R16_1、R17_1、R18_1、R19_1连接成无线通信模块的配置电路，该无线通信模块通过串口发送或接收数据。

第一微处理器单元是信息处理终端3的控制核心。首先开启第一供电单元，第一微处理器单元初始化TFT彩屏显示模块，在TFT彩屏显示模块上显示环境监测节点1和设备监控节点2的登陆主界面窗口。第一微处理器单元等待触摸信号，根据触摸信号进入环境监测节点1或设备监控节点2的子界面。若进入环境监测节点1的子界面，第一微处理器单元将对第一无线通信单元接收到的环境监测节点1数据进行分析和处理，并判断是否符合通信协议，如果是，将数据在TFT彩屏显示模块上显示室内环境的信息，如果不是，则丢弃该数据包，等待下次数据包的接收。若进入设备监控节点2的子界面，第一微处理器单元根据不同的触摸信号通过第一无线通信单元发送控制命令至设备监控节点2，同时，第一微处理器单元也对第一无线通信单元接收到的设备监控节点2数据进行处理和分析，并在TFT彩屏显示模块上显示设备监控节点2的工作状态。另外，主界面可以分别与环境监测节点1子界面和设备监控节点2子界面相互切换。

TFT彩屏显示模块主要实时显示环境监测节点1采集的温湿度数据、光照数据、灰尘浓度、火焰强度、烟雾浓度及设备监控节点2的工作状态和警告信息，接收用户的触摸信号输入。

第二供电单元为环境监测节点1提供电源，如图13所示，J1_2为外接电源接口，外接电源的输入电压为220V交流电压。U1_2电源电压降压模块APV-12-5(理论输入电压范围为90—264V交流电压)与电容C2_2、C3_2连接成稳压电路，该稳压电路将220V交流电压降压，输出+5V直流电源电压，最大输出电流为2A。U2_2电源管理芯片AMS1117-3.3(理论输入电压范围为4.75—12V)、电容C4_2、C5_2连接成稳压电路，该稳压电路将+5V直流电源电压降压，输出+3.3V直流电源电压，最大输出电流为1A，并点亮发光二极管D5_2。

第二串口单元为环境监测节点1提供串口通信接口，如图12所示，U3_2电平转换芯片MAX232是单电源双RS-232收发芯片，采用单一+5V直流电源电压供电，与电容C6_2、C7_2、C8_2、C9_2、C10_2连接成标准的RS-232通信接口，实现单片机U4_2的TTL电平与计算机的RS-232电平之间的转换。

第二无线通信单元为环境监测节点1提供无线通信接口，如图11所示，SZ05无线通信模块接口U5_2与发光二极管D1_2、D2_2、D3_2、D4_2、电阻R1_2、R2_2、R3_2、R4_2连接成无线通信模块的工作指示灯电路，若节点建网成功，发光二极管D3_2点亮，若接收或发送一次数据，发光二极管D1_2闪烁一次，若系统正常运行，发光二极管D2_2间隔1秒闪烁，若系统异常，发光二极管D4_2点亮。SZ05无线通信模块接口U5_2与拨码开关S1_2、电阻R6_2、R7_2、R8_2、R9_2连接成无线通信模块的配置电路，该无线通信模块通过串口发送或接收数据。

第二微处理器单元是环境监测节点1的控制核心，是传感器模块的信息处理中心。首先，第二微处理器单元初始化传感器模块；其次，通过串行数据线和串行时钟线(即I²C总线)与数字温湿度传感器传递信息，对采集的温湿度数据进行分析、校正和处理，通过温度校正相对湿度的非线性；同时，对灰尘传感器、烟雾传感器、光敏传感器和火焰传感器输出的模拟信号进行模数转换，获得灰尘浓度、光照强度和火焰强度，其中烟雾传感器可以通过电位器R11_2调节灵敏度，输出模拟电信号，模拟电信号经运算放大器U7_2信号放大后输出高低TTL电平。然后，对采集的所有环境信息进行处理，按照通信协议将环境信息的数据包通过第二无线通信单元发送至信息处理终端3。

第三供电单元为设备监控节点2提供电源，如图20所示，J4_3为外接电源接口，外接电源的输入电压为220V交流电压。U1_3电源电压降压模块APV-12-12(理论输入电压范围为90—264V交流电压)与电容C1_3、C2_3连接成稳压电路，该稳压电路将220V交流电压降压输出+12V直流电源电压，最大输出电流1A。电源管理芯片LM2576-5.0(理论输入电压范围为8—40V)、电感L1_3、二极管D6_3、电容C4_3连接成BUCK电路，该BUCK电路将+12V直流电源电压降压输出+5V直流电源电压，最大输出电流3A。U3_3电源管理芯片AMS1117-3.3(理论输入电压范围为4.75—12V)、电容C5_3、C6_3连接成线性稳压电路，该线性稳压电路将5V直流电源电压降压，输出+3.3V直流电源电压，最大输出电流为1A，并点亮发光二极管D5_3。

第三串口单元为设备监控节点2提供串口通信接口，如图19所示，U4_3电平转换芯片MAX232是单电源双RS-232收发芯片，采用单一+5V直流电源电压供电，与电容C7_3、C8_3、C9_3、C10_3、C11_3连接成标准的RS-232通信接口，实现单片机U5_3的TTL电平与计算机的RS-232电平之间的转换。

第三无线通信单元为设备监控节点2提供无线通信接口，如图18所示，SZ05无线通信模块接口U12_3与发光二极管D1_3、D2_3、D3_3、D4_3、电阻R1_3、R2_3、R3_3、R4_3连接成无线通信模块的工作指示灯电路，若节点建网成功，发光二极管D3_3点亮，若接收或发送一次数据，发光二极管D1_3闪烁一次，若系统正常运行，发光二极管D2_3间隔1秒闪烁，若系统异常，发光二极管D4_3点亮。SZ05无线通信模块接口U12_3与拨码开关S1_3、电阻R6_3、R7_3、R8_3、R9_3连接成无线通信模块的配置电路，该无线通信模块通过串口发送或接收数据。

第三微处理器单元是设备监控节点2的控制核心，是被控对象的控制模块的指令处理中心。首先，第三微处理器单元通过第三无线通信单元接收信息处理终端3的控制命令。分析接收到的控制命令，如果是LED灯的控制命令，则根据控制命令产生不同占空比的PWM波，并通过LED灯控制电路控制LED灯。LED灯控制电路通过晶体管Q2_3和光电耦合器U9_3进行电平转换(3.3V转5V)，保证光电耦合器两侧电路的电源相互独立，光电耦合器右侧是继电器电路，继电器电路控制LED灯电源的开启和断开，LED驱动芯片CAT4101根据产生的PWM波控制LED灯的亮度。如果是红外监控报警的控制命令，则通过红外监控报警电路控制报警器。红外监控报警电路通过热释电红外传感器检测人体信息。第三微处理器单元根据人体信息控制报警电路的工作状态，如果在监测模式下检测到有人，晶体管Q5_3、Q6_3、音乐集成芯片KD-9561、电阻R16_3、R17_3连接成的报警电路驱动扬声器SPEAKER声响。如果是电控锁控制命令，则通过电控锁控制电路控制电控锁。电控锁控制电路通过晶体管Q3_3和光电耦合器U4_3进行电平转换(3.3V转5V)，保证光电耦合器两侧电路的电源相互独立，光电耦合器右侧是继电器电路，继电器电路控制电控锁电源的开启和断开，电控锁接口包括两个电源引脚和两个锁扣引脚，两个电源引脚一端接+12V直流电源电压，另一端接地，两个锁扣引脚一个接地，另一个接继电器+12V直流电源电压，通过第三微处理器单元控制继电器电路的工作状态。其次，第三微处理器单元通过第三无线通信单元将被控对象的控制模块的工作状态发送至信息处理终端3，并等待接收下次的控制命令。

综述所述，本发明综合运用温湿度传感器、光照传感器、灰尘传感器、火焰传感器、烟雾传感器等多种环境信息的感知设备，实现室内的环境信息采集。系统配备LED灯、电控锁、热释电红外报警器等多种被控设备，实现室内的智能照明和安防监控。系统配备无线通信模块，实现信息处理终端3与环境监测节点1、设备监控节点2的信息交换。本发明可有效解决传统家居存在的问题，具有无需布线、扩展灵活、不占空间、低能耗、高效率、绿色环保等特点，为智能家居系统提供一种全新的解决手段，可优化人们的生活方式和居住环境，满足人们对生活环境智能、舒适、安全要求。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的智能家居系统，其特征在于：包括至少两个环境监测节点、至少两个设备监控节点、信息处理终端、数据远程传输模块和远程用户管理端，所述至少两个环境监测节点、至少两个设备监控节点均与所述信息处理终端连接，所述信息处理终端与所述数据远程传输模块连接，所述数据远程传输模块与所述远程用户管理端通信连接，其中，所述的信息处理终端包括用于处理接收和发送数据的第一微处理器单元、用于将第一微处理器单元处理得到的数据进行显示和用户触摸信号输入的TFT彩屏显示模块、用于信息处理终端与环境监测节点和设备监控节点相互通信的第一无线通信单元、用于串口通信和烧录程序的第一串口单元、以及用于为第一微处理器单元、第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块供电的第一供电单元，所述第一微处理器单元、第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块均与第一供电单元连接，第一无线通信单元、第一串口单元和TFT彩屏显示模块均与第一微处理器单元连接。

2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的智能家居系统，其特征在于：所述的环境监测节点包括用于采集家居室内环境信息的传感器模块、用于处理传感器模块的采集信息的第二微处理器单元、用于与信息处理终端之间相互通信的第二无线通信单元、用于串口通信和烧录程序的第二串口单元、以及用于为第二微处理器单元、第二无线通信单元、第二串口单元和传感器模块供电的第二供电单元，所述第二微处理器单元、第二无线通信单元、第二串口单元和传感器模块均与第二供电单元连接，所述传感器模块、第二无线通信单元和第二串口单元均与第二微处理器单元连接，所述第二无线通信单元与第一无线通信单元无线连接。

3.如权利要求书2所述的基于无线传感器网络的智能家居系统，其特征在于：所述的传感器模块为以下一种或至少两种以上组合：(1)用于采集室内温湿度信息的温湿度传感器；(2)用于采集室内光照强度信息的光敏传感器；(3)用于采集室内空气质量的灰尘传感器；(4)用于采集烟雾浓度的烟雾传感器；(5)用于采集火焰强度的火焰传感器。

4.如权利要求1～3之一所述的基于无线传感器网络的智能家居系统，其特征在于：所述的设备监控节点包括用于处理控制命令和被控设备的工作状态信息的第三处理器单元、用于与信息处理终端之间相互通信的第三无线通信单元、用于串口通信和烧录程序的第三串口单元、用于被控设备的控制模块、以及用于为第三微处理器单元、第三无线通信单元、第三串口单元和被控设备的控制模块供电的第三供电单元，所述第三微处理器单元、第三无线通信单元、第三串口单元和被控设备的控制模块均与第三供电单元连接，所述被控设备的控制模块、第三无线通信单元和第三串口单元均与第三微处理器单元连接，所述第三无线通信单元与第一无线通信单元无线连接。

5.如权利要求4所述的基于无线传感器网络的智能家居系统，其特征在于：所述的被控设备的控制模块包括LED灯控制电路、红外监控报警电路和电控锁控制电路。