智能家居监控系统设计与实现.docx

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智能家居监控系统设计与实现

北京理工大学第十二届“世纪杯”学生参赛作品

智能家居监控系统的设计与实现

摘要

智能家居作为家庭信息化的实现方式，已经成为社会信息化发展的重要组成部分，物联网因其巨大的应用前景，将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口，对智能家居的产业发展具有重大意义。

目前我国国内基于无线网络技术的智能家居监控系统还不是很成熟。

本文提出的智能家居监控系统是对家居高度自动化、智能化提出的一种新的解决方式。

本系统主要由蓝牙系统，ZIGBEE系统，人脸识别系统三大子系统构成，蓝牙系统主要是用户通过安卓手机或者计算机上的客户端管理系统，以蓝牙方式与家居设备相连接，可以控制设备的状态，比如灯的亮灭等。

ZIGBEE系统主要通过构建ZIGBEE无线传感器网络，采集室内环境参数，并且实时显示，实现家居控制、参数检测的自动化，智能化。

人脸识别系统主要基于OPENCV编程，从摄像头实时采集数据，系统根据不同的人自己独特的喜好预先设定好模式，自动完成模式的转换。

关键词：

物联网智能家居ZIGBEE人脸识别蓝牙传感器

Abstract

IntelligentHomehasbeenanimportantpartofthesocialinformatizationasarealizationofhomeinformatization.Sinceitshugeapplicationprospect,theInternetofthingswillbeanactualbreakthroughofIntelligentHomeindustry.Nowadays,thereisnotanymatureIntelligentHomemonitoringsysteminChina.Theschemeproposedinthispaperisasolutionforhighdegreeofautomationandintelligent.

ThesystemconsistsofBluetooth,ZIGBEEandFacerecognition.Bluetoothconnectsfurnishingtocontrolitsstatus,likelightonandoff,throughAndroidmobilephoneorPCClient.ZIGBEEbuildsawirelesssensornetworktomonitortheenvironmentinsideanddisplayrealtime.Facerecognition,basedonOPENCV,collectdatafromcameraandswitchthepreferredsettingsaccordingtodifferentpeopleautomatically.

Keywords:

Internetofthings,IntelligentHome,ZIGBEE,Facerecognition,Bluetooth,sensor

第一章绪论

1.1智能家居概述

智能家居,又称智能住宅,在国外常用SmartHome表示。

与智能家居含义近似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（EleetronieHome·E一home）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、智能家庭（xntelligentHome/Building），在我国香港和台湾等地区,还有数码家庭、数码家居等称法。

智能家居是以家庭为平台,通过网络通信技术手段实现对家居电器等的智能控制,创造兼备建筑、自动化、智能化于一体的高效、安全、舒适、便利的家居环境。

1.2项目研究背景

1.2.1国内外智能家居的发展现状

从20世纪后期开始,采用电子技术的家用电器大规模投入市场催生了住宅电子化。

到80年代中期,通信设备、安防设备与家用电器一起走入家居生活,于是提出了住宅自动化的概念（HA,HomeAutomation）。

上世纪末,通信技术与信息技术迅猛发展,在美国出现了集成家中各种通信、家电及安防设备的商用系统,系统通过总线技术对这些设备进行控制与管理,是现代常说的智能家居的原型。

1984年美国出现首栋“智能型建筑”。

这个建筑是由美国联合科技公司出的,它将建筑设备信息化、建筑功能整合化概念应用在康乃迪克州哈特佛市,全世界建造智能家居的序幕由此开启。

其后加拿大、欧洲和东南亚等经济比较发达的国家也相继提出了各种智能家居方案,并在该国得到了一定应用。

近年来,美国为其四万多户家庭推广了家庭智能化系统,新加坡也为国内近5000户的家庭安装了智能家居系统。

其中新加坡模式主要包括三表抄送、家电控制、安防报警及可视对讲等功能,提供有线电视接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板等。

韩国三星从2003年始开部署中韩两国的智能家居市场,通过机顶盒和有线电视网络,将家电自动控制、家电信息交互、智能安防以及娱乐信息中心这四部分集成为一个全面的家居控制网络。

我国居住模式以住宅小区多、人口密度高等特点区别于发达国家,智能家居这项工作在国内起初以智能小区建设为主。

随着对智能家居的了解和认识,对支撑智能家居各项技术的深入研究,上世纪末一些企业开始引入国外的智能家居技术和产品在国内推广。

虽起步较晚,但我国智能家居市场发展大有雨后春笋之势。

一些大企业已经推出了各具特点的智能家居产品,如清华同方推出的“e.Home数字家园”,是基于家庭自动化和建筑自动化技术,配合计算机技术、软件技术、网络技术,为家庭及社区提供全方位数字化服务的方案；科龙集团研制的“智能网络家居系统”,该系统按开放服务网关标准系统规范设计,能与国际信息家电平台标准接轨；海尔集体的“智能家居”,以嵌入式U—home系统为平台,结合有线与无线网络,把所有设备通过信息传感设备与网络连接。

2005年4月深圳“红树西岸”掀起了我国智能化小区建设的新一轮高潮。

红树西岸的智能系统包括安全防范系统、智能家居系统、信息服务系统、物业管理系统等有二十多个子系统。

它以霍尼韦尔的“家庭网关”为系统核心,整合了空调控制系统、信息家电控制系统、安防系统、煤气阀控制系统、灯光控制系统、窗帘控制系统、场景联动控制系统、可视对讲系统、物业管理以及远程通讯系统等。

1.2.2智能家居的发展前景

根据十一五规划纲要的要求，国家着重强调了住宅建设要做好节能减排、绿色建筑、智能建筑的要求，中央也不断加大了财政与政策支持，提出了“到2010中国大中城市60%的住宅要实现智能化”这一发展目标。

因此，住宅智能化必然会是未来住宅建设发展的趋势，而住宅的智能化即意味着家庭的智能化。

同时，随着人民生活水平的不断提高，人们生活质量也越来越好，人们追求高品质住房的要求也不断提高，而家居智能化概念的普及，智能化装修的观念必将深入人心，家居智能化装修的选择必将是大势所趋。

那时，家居智能化必然是生活中一个最基本的要求，智能家居有未来，而且一定会很好的服务中国人民。

1.3蓝牙技术简介

蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。

能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等之间进行无线信息交换。

利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效。

蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。

其数据速率为1Mbps。

采用时分双工传输方案实现全双工传输。

1.4ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

1.5OpenCV简介

OpenCV的全称是：

OpenSourceComputerVisionLibrary。

OpenCV是一个基于（开源）发行的跨平台计算机视觉库，可以运行在Linux、Windows和MacOS操作系统上。

它轻量级而且高效——由一系列C函数和少量C++类构成，同时提供了Python、Ruby、MATLAB等语言的接口，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

OpenCV提供的视觉处理算法非常丰富，并且它部分以C语言编写，加上其开源的特性，处理得当，不需要添加新的外部支持也可以完整的编译链接生成执行程序，所以很多人用它来做算法的移植，OpenCV的代码经过适当改写可以正常的运行在DSP系统和单片机系统中。

第二章总体方案设计

2.1项目整体设计思想

2.1.1可控制

灯光、窗帘、吸尘器等家庭设备均可通过蓝牙由安卓手机或者计算机客户端管理系统控制，客户端由团队自主开发，每个设备对应客户端上的按键，连上蓝牙后，用户只要简单的点击界面上的按键便可控制灯光的亮灭，窗帘的开闭或者吸尘器的路线，方便而不失乐趣。

2.1.2可识别

人作为房间主体是可以被识别的，由于现实生活中，不同的人有不同的爱好，本系统主要区别不同的人，计算机通过摄像头判断人的身份，采用基于OpenCV的人脸识别系统，系统以MFC为基础，具体的体现方式为不同的人喜欢的音乐不同，当计算机区分出用户的同时，播放该用户喜欢的音乐。

2.1.3可实时查看

通过构建基于ZIGBEE的无线传感网络，将传感器数据上传至计算机，并且实时显示，用户可以实时查看传感器的数据，传感器主要由加速度传感器，温湿度传感器，光照度传感器，烟雾传感器，RFID射频模块，人体红外传感器。

烟雾传感器一旦检测到烟雾火灾，向用户手机发送一条短信提醒用户。

2.1.4场景自动化

在客户端管理系统中，本系统设置了清晨模式，下班模式和夜间模式，可以自动完成场景的切换。

其中清晨模式内容是开冷色调的灯并且拉开窗帘，以达到提神的目的；下班模式为开暖色调的灯并且拉上窗帘，以达到放松人心情的作用；夜间模式为关上所有的灯并且拉上窗帘。

2.2项目整体结构

本项目结合光学，电学，编程学，控制学等多种理论，以蓝牙系统，人脸识别系统，ZIGBEE系统为基础，形成了一个高水平，多层次的实验体系。

整体项目结构图如图2-1所示：

图2-1项目整体结构图

第三章蓝牙子系统设计

3.1软件设计

3.1.1安卓手机客户端管理系统

采用ANDROID编程实现，如图3-1所示，软件小巧灵活，用户的手机连上设备的蓝牙后可随意控制其状态，方便不失乐趣。

图3-1安卓界面图3-2Labview界面

3.1.2Labview客户端管理系统

采用Labview编程，如图3-2所示，每个设备的状态对应窗口上的按键，用户可依据自身的需求选择相应的功能。

3.2硬件设计

3.2.1蓝牙设备的选型

本系统采用HC-06无线蓝牙串口模块，如图3-3所示，该模块配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议，但仅支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，这也是最常用的通信格式。

体积小巧，不影响家居布局的美观，空旷地有效距离10米，满足一般家庭使用范围。

图3-3HC-06实物图

3.2.2被控对象的选择与调试

按照项目实际情况，被控对象有灯，窗帘以及吸尘器，对照现实我们做了相应的简化处理，灯我们选择航模的LED灯带，窗帘用步进电机驱动，而吸尘器用智能小车等效代替。

如图3-4,3-5,3-6所示：

图3-4图3-5图3-6

项目所用LED灯要12V电压驱动，电池所提供的电压较低，不能满足驱动要求，所以，使用升压电路来产生12V驱动电压，为了简化设计，我们采用集成芯片LM2577做升压电路，它的输入电压是5V，输出为12V，这满足灯光驱动的要求。

升压原理如图3-7所示。

图3-7灯光升压驱动电路

为了使用单片机去控制LED灯。

我们采用三极管的共集放大电路来实现，电路如图3-7所示，LED灯两端接于P18口，当C0输出高电平时Q7导通LED两端加上12V电压，LED亮，否则LED灭。

步进电机采用24BYJ48型号，如图3-6所示，采用ULN2003驱动，使用方便。

优质步进电机，带齿轮减速，噪音极低，运转平稳。

12V即可驱动，方便单片机开发者使用。

开放性接口，也可用通过本板驱动其他步进电机。

适用于51/AVR/AVR/ARM等各种平台，机器人设计开发必备。

智能小车采用两个直流电机驱动，实物如图3-4所示，电机采取L298N驱动，PWM控制小车的行径。

通过蓝牙无线串口与客户端的连接，用户可以控制小车的前进后退等动作。

3.3场景自动化设计

场景自动化巧妙的利用了蓝牙子系统的特点，用户通过安卓手机或者计算机的客户端一键设定场景，完成场景的自动切换，无需用户频繁设置，本系统设置了清晨模式，下班模式和夜间模式，可以自动完成场景的切换。

其中清晨模式内容是开冷色调的灯并且拉开窗帘，以达到提神的目的；下班模式为开暖色调的灯并且拉上窗帘，以达到放松人心情的作用；夜间模式为关上所有的灯并且拉上窗帘。

第四章ZIGBEE子系统设计

4.1软件设计

4.1.1JenNet协议栈特性

JenNet协议栈是JENNIC公司开发的协议栈，该协议栈集成大量的库函数，用户在使用的时候只要调用库函数，就可以达到预期目的。

●私有协议栈，支持星型、树状、链状网络。

●在树状网络中最多支持250节点，在链状网络中最多支持1,000个节点。

●稳定与健壮的通讯，点对点传输都会有一个数据发送后返回的确认。

●终端设备可以使用电池长时间工作。

●128128--bitAES数据加密。

图4-1ZigBee协议四层结构图

图4-2JenNet协议栈示意图

4.1.2JenNet的应用函数接口

在ZigBee节点上实现复杂的应用和服务是通过准确调用一系列API函数完成的，相关的函数在安装的库文件中。

其主要分为3大类：

（1）集成外设的API函数：

实现与外设进行数据交换，如A/D、D/A、GPIO、SPI、串口等。

直接调用这些API可以设置DIO的输入输出功能；进行定时器的设置与使能；串口设置；SPI、IIC、IIS智能总线配置等。

（2）网络服务的API：

网络服务的API函数主要是用来实现网络的发现、网路的管理和远程服务发现等功能。

分为网络连接函数（包括网络协议初始化、网路发起、节点加入、节点绑定和加入权限等函数）、网络安全函数（包括安全密钥初始化、信任中心和移除节点等函数）、地址功能函数（包括16位短地址的获取、IEEE地址的获取和端点的地址绑定等）、路由函数（本地路由请求和多对一路由的请求）和节点句柄函数（包括Mac层句柄、网络层句柄、应用层句柄和节点路由链路表的获取等）。

（3）应用架构的API：

应用层的API函数主要完成数据报文的传输服务（ZDP）、协议栈数据管理单元（PDUM）、基本数据管理单元（PDM）和电源管理（PWRM）等功能。

其中数据报文的传输包括与之前的ZigBee版本有所改进，在单播和广播的基础上，增加了组播机制。

本文中子节点向协调器的数据服务主要是应用了单播和组播的模式，而协调器节点向子节点应用的是单播和广播的模式。

地址机制都采用的是16位短地址的方式。

针对多节点间数据通信，协议栈数据管理单元能够有效的管理网络层和应用层间的数据交换服务。

通过在RAM中开辟一段FIFO存储区来发送连续的大量数据，增加数据传输的连续性。

基本数据管理单元可以用来保存应用层中的常用参数和变量数据等，在程序运行时可以直接调用。

4.1.3ZigBee网络结构

ZigBee网络结构主要分为三种：

星状结构、树状结构和网状结构（如图4-3）。

●星状结构：

节点之间只有一条路由途径，即路由节点或者终端设备都只能直接和协调节点通信。

●树状结构：

信息沿着树的路径进行上传到协调器节点。

●网状结构：

网状结构是一种最为复杂的网络结构，其可自动生成路径并维护，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络规模。

图4-3ZigBee网络结构

对于上文所述的几种网络结构，本方案结合在项目制作过程中的具体情况分析采取树状网络结构。

分析如下：

树状网络和星状网络相比，能够实现更远距离的传输，数据信息可以通过多条路径，经多个路由器传递，使得协调器能够接收到数据而显示在上位机软件上。

理论而言，其数据传输的距离可达到无穷远。

树状结构和网状结构相比又有其简洁性。

随着路由器数量的增加，不可避免会造成数据的冗余。

其中一个较好的解决方案便是控制路由器的数量。

考虑到本文所述解决方案的具体应用背景，笔者认为没有必要使用大规模的网状结构，树状结构足以解决问题，同时也能减少数据冗余，降低方案开发成本。

4.2硬件设计

4.2.1总体方案设计

构建一个传感网络，网络节点由路由器，终端设备组成。

路由器的功能包括获取自身数据并发送以及传递其他节点数据，终端设备的功能则为发送自身采集的数据。

发送的数据经由协调器接收通过串口发送给上位机软件，数据经分析处理后显示在上位机界面上。

传感器由加速度计，温湿度传感器，烟雾传感器，RFID射频模块，光照度传感器组成。

总体的电路设计思想是以协调器节点作为中心节点连接到PC上位机，其连接方式采用USB接口方式，并利用USB接口的+5V电压作为协调器节点的供电电源。

因为常用PC的USB最大输出功率为500mW左右，完全能够满足协调器节点的单点工作需求（如图4-4所示）。

路由器节点和终端节点的硬件电路完全相同，分为数据采集单元、电源管理单元、板上存储单元和ZigBee无线传输单元。

其中，数据采集单元采用PIC18F4520单片机为MCU核心，电源管理部分采用电池供电和USB供电可选两种，板上存储单元来存储离线采集的数据，ZigBee模块把采集的数据（经过MCU的UART1传输到JN5148的UART1）发送到协调器节点。

图4-4系统总体设计方案示意图

4.2.2控制器的选择

本项目采用MicroChip单片机——PIC18F4520（引脚和实物图如图2-2所示）；MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和18C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，分别仅有33,35,58条指令，采用Harvard双总线结构，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积。

适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。

在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用，PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高。

发展非常迅速。

图4-5PIC18F4520引脚和实物图

4.2.3无线传输模块

射频物理层芯片采用英国JENNIC公司的基于2.4GHZ的无线微控制器JN5148高功率模块，可以减少RF高频部分硬件电路设计的难度与工作量。

其实物图与引脚图如图4-6所示。

JN5148模块是JENNIC公司的第三代无线微控制器模块，可以在最低成本下实现IEEE802.15.4和ZIGBEE的无线系统，该模块可以提供开发无线传感器网络的丰富外围器件，可以减少RF射频设计和测试的漫长开发周期。

同时基于JenNet协议栈的Eclipse开发环境便于系统的开发，系统集成度高，功能齐全。

图4-6JN5148硬件实物图与引脚图

1）JN5148硬件资源

JN5148模块射频特性如下：

频率：

全球免费频段，2.4-2.483GHz，可分16个信道，信道带宽5MHz。

支持协议栈：

IEEE802.15.4、ZigBee2004、JenNet、ZigBeePRO等协议栈。

工作电压：

2.7-3.6V

发射电流：

110mA

接收电流：

23mA

发射功率：

+23dBm

接收灵敏度：

-98dBm

休眠电流：

2.6uA，带唤醒时钟。

温度范围：

-40到+85摄氏度。

速率：

250Kbps，支持500kbps/667kbps的高速模式。

调制方式：

QPSK

通讯距离：

100-1500米（和具体模块类型和使用的环境以及天线有关系）。

网络拓扑：

点对点、星型网络、树状网络、MESH（网状）网络、链状网络等。

串口模式：

波特率最高115200bps；7或8位数据位；奇/偶/无效验；1或2位停止位。

JN5148的模块硬件资源的框图如图4-7所示：

图4-7JN5148的硬件资源框架图

2）电路原理图设计

JN5148的编程接口如图，可以通过可以采用MISO管脚和复位管脚间的电平变化来确定其进入编程状态。

编程接口的电路如图4-8所示：

图4-8JN5148的编程接口

我们通过将DIO16和DIO17连接LED来表示JN5148的工作状态，并在DIO16和DIO17与LED间串入分压电阻进行分压来保护LED。

zigbee电路的全部原理图4-9所示：

图4-9zigbee电路原理图

由于Zigbee模块只进行信号的传输，不担任任何其他任务，所以出自经济方面考虑省去了一些不必要的模块，复位方面选择了手动复位而省略了看门狗定时器自动复位的功能。

3）PCB设计

本文所有原理图和PCB图均使用AltiumDesigner6.9设计开发。

AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统。

这套软件把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术高度集成，为PCB开发带来极大的方便。

完整的PCB图4-10所示：

图4-10zigbeePCB图

PCB布线过程中的注意事项：

由于JN5148的引脚集中在一侧，故将另一侧置于板外侧，可以节省空间，也便于通信。

由于主板将zigbee模块规定在右侧并留出一定空间，故将10*2转接头置于板的左侧，与主板进行连接，最大化使用空间。

4.2.4协调器节点硬件设计

协调器的功能是接受数据，并向串口发送数据，是zigbee网络中的大脑，协调器所要求功率大，所以使用博控公司的EK开发包中的协调器，原理图和实物图如下图4-11所示：

图4-11协调器原理图和实物图

4.2.5路由器和终端节点硬件设计

1）电路原理图设计

●电源设计

考虑到实际应用情况，其最终应用环境是在家居寓所中。

那么就要求本产品便于使用，易于维护，且要求耗电量低。

由于监测位置的不确定性，电池供电是主要供电方式；再考虑到现代化家庭很方便使用节能的USB接口，于是又集成了USB供电，这在另一方面也方便了调试工作的进行。

对于USB供电接口，可以直接供给板上传感器、LCD的电源插口。

对于电池供电，采用AMS1117-5V电平转换芯片，将两节电池电压转换为5V，然后提供其它元件使用。

这两种供电方式通过一个三向开关进行选择，整体原理图如4-12所示：

图4-12两种供电方式原理图

对于板上使用的PIC18F4520单片机和Zigbee等芯片，通常需要采用3.3V电压供电。

电平转换芯片采用AMS1