CN105204455A - 基于物联网的智能家居系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于物联网的智能家居系统。本发明由远程客户端、智能路由器系统、家庭无线个域网（WPAN）三个部分组成。家庭设备之间通过微控制器组建无线个域网，提出了一种新型的工作在2.4g（ISM频段）的射频芯片NRF24L01组合MSP430系列微处理器设计网络节点，构建微型家庭无线个域网的解决方案。并通过搭载Linux系统的智能路由，通过网络封包转串口与互联网相连接，用户通过网页等远程的方式操控。实现安防和智能服务一体化，有良好的发展前景。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式技术领域，具体涉及一种基于智能路由的智能家居系统。
背景技术
新时代的发展让广大业主对掌握家里的实时情况、控制家庭设备提出了新的要求。但我国目前市场上的大部分产品只停留在家庭小范围内通过Zigbee、蓝牙等技术组建的无线个域网（WPAN）控制的水平，没有连接互联网，各产品技术标准也不统一；智能化的家庭监护、远程提醒等还远远没有实现。
在此背景下，急需一个兼容性好的平台来融合互联网和家庭无线个域网（WPAN）。相比于传统路由器，智能路由器具有独立的操作系统，用户可以自主选择安装应用，具有应用市场的支持。它功能的扩展有多种方式，可随时通过WIFI、串口等多种方式共享数据文件，操控家庭设备，实现家庭设备的网络化和智能化。以此为基础的物联网化的智能家居系统具有良好的兼容性和应用前景，正是市场所需要的。兼容性、扩展性极佳的智能家居方案在市场上还是一片空白。
发明内容
本发明提供了一种基于物联网技术的智能家居系统，旨在通过物联网让在外的人员能得到家里的实时情况，控制家中门窗、空调和热水器等设备。并能查看家庭的实时监控视频，获取家中有害气体、室温等参数，拥有异常情况警告功能。
本发明由远程客户端、智能路由器系统、家庭无线个域网（WPAN）三个部分组成。家庭设备之间通过微控制器组建无线个域网，提出了一种新型的工作在2.4g（ISM频段）的射频芯片NRF24L01组合MSP430系列微处理器设计网络节点，构建微型家庭无线个域网的解决方案。并通过搭载Linux系统的智能路由，通过网络封包转串口与互联网相连接，用户通过网页等远程的方式操控。实现安防和智能服务一体化，有良好的发展前景。
所述的家庭无线个域网（WPAN）指的是能在便携式消费电器和通信设备之间进行短距离特别连接的自组织网络，其覆盖范围一般在10米半径以内，网络中的数据传输速率一般在1Mbps以内，这里的特别连接含有两层意思：（1）设备可以承担主控功能，又可以承担被控功能；（2）设备可以很容易地加入或者离开现有网络。现有的个域网技术主要包括：蓝牙、Zigbee、红外、家庭射频（HomeRF）、超宽带（UWB）等。在发明中，无线个域网将主要采用工作在2.4G（ISM频段）的射频芯片NRF24L01结合MSP430系列微处理器设计网络节点，构建微型家庭无线个域网。其具有经济可靠、功耗低、扩展性强的优良特点。
所述的智能路由系统实质上是Linux内核的开源OpenWRT系统，除满足一般的上网功能外，在此Linux平台上还可自主开发各种应用模块，如本发明中的TCP/UDP封包转串口、DDNS软件模块、网络摄像头软件模块等等，这一块的技术点主要是结合各类算法设计贴合智能家居的软件模块。其扩展性能良好，管理起来十分轻松，系统升级也十分方便。
基于本套系统，本发明同时也提供了一种物联网家居系统的操作方法：
步骤一：用户通过网页端从外网对固定域名发送对应信息；
用户通过网页端进行身份信息的确认，确认通过后用户可以通过网页端各各菜单中选择对家居系统的信息获取，并通过架设的智能路由的固定域名向路由发送信息。
步骤二：路由对接受的信息进行抓包处理，将信息转换成串口数据；
智能路由为路由器系统的一部分，路由部分就是用来实现将外网发送来的TCP/UDP协议的信息包转化成串口的数据。智能路由搭载OpenWRT操作系统，无需自己编写程序，可选择性能稳定的TCP/UDP封包转串口软件。安装的抓包软件可以实现TCP/UDP信息转为串口信息；串口信息生成后通过路由上的串口线传递给家庭的移动终端；
步骤三：移动终端接受信息并通过星形网络将信息发送给各功能组；
所述的移动终端是32位单片机搭载了实时操作系统uc/cosII系统，uc/cosII系统是一个可视化并提供触屏功能的片上操作系统。经过人性化的设计，屏幕上有六个鲜明的功能分别对应控制六个从设备。32位终端可以通过接收来自路由的串口数据来对家居进行操作，同样也可以由用户直接通过32位移动终端来进行操作控制。32位终端与从设备间使用的是2.4g模块的星形组网方式，SPI方式的通信方式。32位终端通过2.4g模块将用户的指令信息发送给对应的从设备接收模块。
步骤四：各功能组包括六个从设备，分别控制LED灯、用电器开关、电机、温度传感器、气体传感器、红外控制；
从机使用的是MSP430G2553微控制器，通过2.4g模块接受用户发送的调整信息。从设备不仅可以接受来自步骤三中移动终端的数据，也可以同时将实时采集的数据传递给移动终端，实现数据的反馈。
本发明中的：
系统核心智能路由器搭载OpenWRT开源操作系统，能够方便地管理文件、安装驱动和应用软件，将来自网络的TCP/UTP封包转化为串口输出，控制下级的家庭个域网络。在家庭无线个域网络方面，提出了一种新型的以工作在2.4G（ISM频段）的射频芯片NRF24L01组合MSP430系列微处理器设计网络节点，构建微型家庭无线个域网的解决方案。
远程客户端主要有三种形式，可以是网页、安卓APP或者是PC上的客户端，负责将用户指令传输到智能路由器，并处理返回的数据。
智能路由系统包含了摄像头图像采集及处理、TCP/UDP封包转串口、动态域名（DDNS）服务三个主要软件模块。能够处理来自远程客户端的数据请求并且向下级家庭无线个域网络传达控制命令。
家庭无线个域网络（WPAN）采用星型网络拓扑结构，由MSP430、STM32微控制器组合射频芯片NRF24L01构建网络节点。共包含了1个主控设备，6个从设备，主控设备负责解析智能路由传达的网络命令，并且根据指令内容操控对应的从设备执行动作。从设备执行完指令后，会返回相应数据。
本发明通过物联网让在外人员随时掌控家里的实时情况，实现远程、智能化的家庭服务。
附图说明
图1是家庭无线个域网的主机模块的转接板原理图；
图2是家庭无线个域网的红外接收主机模块的原理图；
图3是家庭无线个域网的LED控制从机模块的转接板原理图；
图4是家庭无线个域网的Motor控制从机模块的转接板原理图；
图5是家庭无线个域网的温度获取从机模块的转接板的原理图；
图6是家庭无线个域网的继电器控制从机模块的转接板的原理图；
图7是家庭无线个域网的烟雾传感器从机模块的转接板的原理图；
图8是家庭无线个域网的红外接收从机模块的转接板的原理图；
图9是本发明的系统框图；
图10是数据传输渠道图；
图11是家庭控制网络系统框图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益的效果更加清楚明白，以下结合附图以及具体的实施方式，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是一种物联网家居系统，包括远程客户端系统、智能路由器系统、家庭无线个域网系统。
所述的远程客户端系统包括三种形式，分别为网页、安卓APP、PC机客户端。
所述的智能路由器系统，包括输入模块、输出模块、路由处理器模块和交换开关模块；
所述的智能路由器系统的输入模块为网线接口端，该端口与服务器相连；所述的输出模块为串口端，该端口包括1、2、3、4四个脚。这四个脚分别与STM32转接板模块的P6的1、2、3、4脚相连。
所述的家庭无线个域网，包括主机模块、红外接收主机模块、LED控制从机模块、Motor控制从机模块、温度获取从机模块、继电器控制从机模块、烟雾传感器从机模块、红外接收从机模块；
如图1所示，家庭无线个域网的主机模块包括主控处理芯片STM32F103ZET6与转接板；
家庭无线个域网的主机模块的转接板包括P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10十个接线端；
如图2所示，家庭无线个域网的红外接收主机模块包括P1、P2接线端，三极管BJT1，发光二极管D1，电阻R11；
家庭无线个域网的红外接收主机模块的P1的2脚与三极管BJT1的B极相连，其余1脚、3脚、4脚悬空；
家庭无线个域网的红外接收主机模块的P2的1脚、3脚、5脚均接地，2脚、4脚、6脚接主机模块的VCC电源端；
家庭无线个域网的红外接收主机模块的三极管BJT1的E极接地，C极接发光二极管的负极；
家庭无线个域网的红外接收主机模块的电阻R11的一端接发光二极管的正极另一端接主机模块的VCC电源端。
如图3所示，家庭无线个域网的LED控制从机模块包括处理芯片MSP430G2553与转接板；
家庭无线个域网的LED控制从机模块的转接板包括P1、P2、P3接线端，电阻R13、R14、R15与LED灯D2、D3、D4；
家庭无线个域网的LED控制从机模块的转接板的P1的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、12脚、13脚、14脚分别与MSP430G2553的地、XIN、XOUT、TEST、RST、P1.7脚、P1.6脚、P2.5脚、P2.4脚、P2.3脚、地、地、VCC电源端相连接，P1的11脚悬空；
家庭无线个域网的LED控制从机模块的转接板的P2的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚分别与MSP430G2553的VCC电源端、P1.0脚、P1.1脚、P1.2脚、P1.3脚、P1.4脚、P1.5脚、P2.0脚、P2.1脚、P2.2脚相连；
家庭无线个域网的LED控制从机模块的转接板的P3的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚分别与MSP430G2553的地、VCC电源端、P2.0脚、P2.3脚、P1，4脚、P1.5脚、P2.2脚、P2.5脚相连；
家庭无线个域网的LED控制从机模块的转接板的电阻R13的一端与MSP430G2553的P1.6脚相连，另一端与LED灯D2的正极相连，电阻R14的一端与MSP430G2553的P2.1相连，另一端与LED灯D3的正极相连，电阻R15的一端与MSP430G2553的P2.4相连，另一端与LED灯D4的正极相连，LED灯D2、D3、D4的负极均接地。
如图4所示，家庭无线个域网的Motor控制从机模块包括处理芯片MSP430G2553与转接板；
家庭无线个域网的Motor控制从机模块的转接板包括P1、P2、P3、P4接线端。
家庭无线个域网的Motor控制从机模块的转接板的P1的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、12脚、13脚、14脚分别与MSP430G2553的地、XIN、XOUT、TEST、RST、P1.7脚、P1.6脚、P2.5脚、P2.4脚、P2.3脚、地、地、VCC电源端相连接，P1的11脚悬空；
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家庭无线个域网的Motor控制从机模块的转接板的P4的1脚、2脚、3脚、4脚分别与MSP430G2553的P1.6脚、P2.4脚、VCC电源端、地相连。
如图5所示，家庭无线个域网的温度获取从机模块包括处理芯片MSP430G2553与转接板；
家庭无线个域网的温度获取从机模块的。转接板包括P1、P2、P3、P4接线端。
家庭无线个域网的温度获取从机模块的转接板的P1的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、12脚、13脚、14脚分别与MSP430G2553的地、XIN、XOUT、TEST、RST、P1.7脚、P1.6脚、P2.5脚、P2.4脚、P2.3脚、地、地、VCC电源端相连接，P1的11脚悬空；
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如图6所示，家庭无线个域网的继电器控制从机模块包括处理芯片MSP430G2553与转接板；
家庭无线个域网的继电器控制从机模块的转接板包括P1、P2、P3、P4接线端，电阻R5，三极管Q1，继电器U2与二极管D3；
家庭无线个域网的继电器控制从机模块的转接板的P1的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、12脚、13脚、14脚分别与MSP430G2553的地、XIN、XOUT、TEST、RST、P1.7脚、P1.6脚、P2.5脚、P2.4脚、P2.3脚、地、地、VCC电源端相连接，P1的11脚悬空；
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家庭无线个域网的继电器控制从机模块的转接板的P3的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚分别与MSP430G2553的地、VCC电源端、P2.0脚、P2.3脚、P2.1脚、P2.4脚、P2.2脚、P2.5脚相连；
家庭无线个域网的继电器控制从机模块的转接板的P3的1脚、2脚、3脚分别与继电器2脚、继电器1脚、继电器3脚相连；
家庭无线个域网的继电器控制从机模块4的转接板的电阻的一端与MSP430G2553的P1.6相连，另一端与三极管Q1的B极相连；
家庭无线个域网的继电器控制从机模块的转接板的三极管Q1的E极与MSP430G2553的VCC端相连，C极与继电器U2的5脚相连；
家庭无线个域网的继电器控制从机模块的转接板的二极管D3的正极接地，负极与继电器U2的5脚相连；
家庭无线个域网的继电器控制从机模块的转接板的继电器的4脚接地。
如图7所示，家庭无线个域网的烟雾传感器从机模块包括处理芯片MSP430G2553与转接板；
家庭无线个域网的烟雾传感器从机模块的转接板包括P1、P2、P3、P4接线端；
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如图8所示，家庭无线个域网的红外接收从机模块包括处理芯片MSP430G2553与转接板；
家庭无线个域网的红外接收从机模块的转接板包括P1、P2、P3接线端，电阻R13、R1，发光二极管D2,电容C1；
家庭无线个域网的红外接收从机模块的转接板的P1的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、12脚、13脚、14脚分别与MSP430G2553的地、XIN、XOUT、TEST、RST、P1.7脚、P1.6脚、P2.5脚、P2.4脚、P2.3脚、地、地、VCC电源端相连接，P1的11脚悬空；
家庭无线个域网的红外接收从机模块的转接板的P2的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚分别与MSP430G2553的VCC电源端、P1.0脚、P1.1脚、P1.2脚、P1.3脚、P1.4脚、P1.5脚、P2.0脚、P2.1脚、P2.2脚相连；
家庭无线个域网的红外接收从机模块的转接板的P3的1脚、2脚分别与MSP430G2553的P1.5脚、地相连，P3的3脚与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；
家庭无线个域网的红外接收从机模块的转接板的电阻R1一端与P3的3脚相连，另一端接VCC电源端；
家庭无线个域网的红外接收从机模块的转接板的电阻R31一端与MSP430G2553的P1.7脚相连，另一端与发光二极管的正极相连，发光二极管的负极接地。
整个系统的总结框架如下，参见图9：
远程客户端
远程客户端有三种实现方式：网页、安卓客户端、PC客户端。通过这三种方式，无论用户身处何地，只要能够接入互联网，便能够随意操控家里的设备，获取实时的监控视频、与家庭智能路由间传输文件。
1.网页方式
为了支持跨平台服务，系统在广域网内架设一台单独的服务器来支持WEB网页客户端，登陆到网站的家庭设备管理界面需要帐户名和密码，具有高安全性。
用户登录以后，可以看到网页上各个家庭设备的可视化操作按钮，点击即可管理。用户也可在网站页面内获取到实时的监控视频，通过远程控制云台旋转，可实现360°的全方位监控。实时视频多种格式，完全不用担心浏览器的兼容性问题。
用户也可以通过该网站直接远程配置家庭的智能路由器，无需内网操作。
2.安卓手机客户端
安卓客户端能够保证在上述WEB网站在瘫痪或者其他无法使用的情况下仍然能够使用家庭远程控制服务。由于减少了服务器的消息中转，它可以更快捷地传输和获取数据文件。
3.PC客户端
如果用户身边缺少智能手机或者不习惯使用WEB方式，可以使用系统提供的PC客户端。
智能路由器系统
1.硬件平台
系统考虑采用的路由器硬件平台采用华为HG255D，该路由器网络硬件开源程度高，支持USB接口，在挂载摄像头，网卡，移动硬盘等设备有着不逊的表现。其CPU主频达到394MHz,内存32M，Flash达16M。满足移植OpenWRT系统的条件。
2.软件平台
智能路由上搭载移植后的OpenWRT系统，该系统是一款基于linux内核的开源的路由操作系统，具有良好的稳定性，外设扩展性强，符合我们的开发需求。在该智能路由系统上，包含了摄像头图像采集及处理、TCP/UDP封包转串口、动态域名（DDNS）服务三个主要软件模块。
3.摄像头图像采集及处理模块
该模块的硬件部分，摄像头采用普通USB摄像头，支持mjpg格式输出，采集到图像后，由编写的OpenWRT系统应用层视频处理软件进行处理，并得到jpeg格式的图片转发到HTTP服务器即可通过访问摄像头的网络端口看到摄像头传回的视频。
4.TCP/UDP封包转串口模块
该模块的任务是将来自远程客户端的TCP/UDP封包转化为串口数据，传达给下级家庭无线个域网（WPAN）。通过它便可实现外网数据与家庭控制网络的双向数据传输，从而实现远程客户端对家庭设备的控制。
数据传输渠道如图10所示。
动态域名（DDNS）服务
本模块是用于解决路由器IP地址由于运营商的动态分配和变动导致远程客户端无法连接的问题。每次开机以后，路由系统自动运行DDNS的相关服务，将当前获取的动态IP解析到一个固定的域名上，用户每次远程访问该固定域名，都可以无差错地访问到家庭里的智能路由。
家庭控制网络
家庭无线个域网络（WPAN）的构建采用了星型网络拓扑结构，采用一主多从的组网模式。这种结构是目前在局域网中应用最为普遍的一种，具有易维护管理、配置灵活、故障易检修等诸多优点。在网络节点的设计上，提出了一种新型的以工作在2.4G（ISM频段）的射频芯片NRF24L01配合STM32、MSP430微处理器构成网络节点来组建无线家庭个域网的技术方案。
1.智能终端（主设备）
系统设置了一个以STM32为主控的终端，采用2.8寸TFT作为人机交互界面。移植多任务的实时操作系统uc/cosII系统，GUI的界面采用了uc/gui库设计。人机交互性友好。并且可以利用无线串口通信技术与路由器上的网络串口进行通信，能够大大增强了系统的实用性、便捷性。
2.从设备
从设备的设计则采用以MSP430为主控，他们是具有不同功能的设备模块。
设备1：主要演示控制LED灯的亮灭及其亮度，模拟三盏LED灯分别分布在家庭三个的不同房间的情况，我们可通过系统控制三盏灯呈现不同的亮度。
设备2：主要演示控制继电器的开合，其功能可扩展为控制各种家用电器的开关，如电饭锅煮饭、浴室热水器加热等等。
设备3：演示控制电机调速，其功能可扩展为控制窗帘等的收放、门窗的开合。
设备4：温度传感器18B20的使用，实时监测家庭环境温度，避免空调没关等情况，节约能源。
设备5：主要是气体传感器，主要用于对烟雾、甲烷及丁烷等气体的检测，以备实时监控家庭安全状况，遇非常态则会激活报警装置。
设备6：主要是红外控制，通过发射不同的红外信号，可以控制家庭内的电视机、空调、电冰箱等任何有红外接收装置的家庭设备。在我们的样机系统中以一盏高亮的LED作为演示。
除此之外，设计摄像头下加装一个活动云台，以方便实现360°远程的视频监控。
家庭控制网络系统框图如图11所示。
Claims (3)
1.基于物联网的智能家居系统，由远程客户端、智能路由器系统、家庭无线个域网，其特征在于：
所述的远程客户端负责将用户指令传输到智能路由器，并处理返回的数据；
所述的智能路由器搭载OpenWRT开源操作系统，能够方便地管理文件、安装驱动和应用软件，它将来自网络的TCP/UTP封包转化为串口输出，控制下级的家庭无线个域网络，它主要包含摄像头图像采集及处理单元、TCP/UDP封包转串口单元、动态域名服务单元；
所述的家庭无线个域网络采用星型网络拓扑结构，由MSP430、STM32微控制器组合射频芯片NRF24L01构建网络节点；共包含了一个主控设备，六个从设备，主控设备负责解析智能路由传达的网络命令，并且根据指令内容操控对应的从设备执行动作；从设备执行完指令后，返回相应数据；所述的家庭无线个域网络工作在2.4G频段。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的智能家居系统，其特征在于：远程客户端主要有三种形式，分别是网页、安卓APP或者是PC上的客户端。
3.一种如权利要求1所述系统的操作方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：用户通过网页端从外网对固定域名发送对应信息；
用户通过网页端进行身份信息的确认，确认通过后用户通过网页端各菜单中选择对家居系统的信息获取，并通过架设的智能路由器的固定域名向路由发送信息；
步骤二：智能路由器对接受的信息进行抓包处理，将信息转换成串口数据并传递给家庭的移动终端；
步骤三：移动终端接受信息并通过星形网络将信息发送给各功能组；
所述的移动终端是32位单片机搭载了实时操作系统uc/cosII系统，uc/cosII系统是一个可视化并提供触屏功能的片上操作系统；经过人性化的设计，屏幕上有六个鲜明的功能分别对应控制六个从设备；移动终端通过接收来自智能路由的串口数据来对家居进行操作，或者由用户直接通过移动终端来进行操作控制；移动终端与从设备间使用的是2.4g模块的星形组网方式，SPI方式的通信方式；移动终端通过2.4g模块将用户的指令信息发送给对应的从设备接收模块；
步骤四：各功能组包括六个从设备，分别控制LED灯、用电器开关、电机、温度传感器、气体传感器、红外控制；
从机使用的是MSP430G2553微控制器，通过2.4g模块接受用户发送的调整信息；从设备不仅接受来自步骤三中移动终端的数据，同时将实时采集的数据传递给移动终端，实现数据的反馈。
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