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燕山大学
《物联网技术与应用》结课报告
学院（系）：电气工程学院
年级专业：17级控制工程
学号：S17085210004
学生姓名：张宏升
基于机智云的智能家居系统
一、应用背景与意义
1.1应用背景
20世纪60年代初到80年代初，国外住宅电子化开始出现；80年代中期，形成了住宅自动化概念；国内90年代初，出现了通过总线技术对
住宅中各种通信/家电/安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国被称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。
基于机智云的智能家居系统依托河北省自动化研究所现有的“国家中小企业公共服务示范平台”、“河北省中小企业公共服务示范平台”、“河北
省中小企业产业集群技术服务中心”、“河北省中小企业技术创新公共服务示范机构”先后承担科研课题140余项，其中获省厅级以上各种奖励70多项，成果转化率达90％以上，为本项目的成果转化提供了有力的保障。1.2应用意义
从目前的发展趋势来看，在未来几年里，家庭安防、智能家居行业将成为中国的主流行业之一，其市场的发展前景是非常广阔的。预计今后几年内全世界将有近亿的家庭构建家庭网络。
二、设计方案
基于机智云的智能家居系统最终要实现可以在手机应用程序上远程控制家里的电灯、插座、红外遥控电器的开关以及他们的定时时间，也可以在住宅内的智能网关控制系统上，通过网关携带的图形化人机交互界面设置电灯控制模块、插座控制模块、红外电器遥控模块、门窗开合警报模块、语音模块的所有功能以及监控来自云端的实时遥控命令。
因为采用了“机智云”的物联网技术方案，使手机应用程序端能与智能网关保持快速数据通信。智能网关是整个设计的核心，能起到承上启下的作用，所以设计了STM32主控芯片、高清彩色触控屏、WIFI模块加双发
无线通信模块这一方案。STM32主控芯片负责处理来自WIFI模块、触控
屏和无线通信模块的数据，并把数据重新打包分发出去，触控屏独立负责
人机交互界面，WiFi模块负责与路由器通信，两个无线通信模块负责与下属的子模块进行数据交互。电灯控制模块负责实际开关电灯，插座控制模块负责实际通断插座电源，红外电器遥控模块负责操控红外遥控的电器，门窗开合警报模块负责检测门窗的状态，语音模块负责提供语音警报和播放歌曲，所有的子模块均与智能网关保持无线通信，除门窗开合警报模块外均由220伏市电提供电源。
所以整个系统分为手机控制端、智能网关控制器、电灯控制模块、插座控制模块、红外电器遥控模块、门窗开合警报模块、语音模块七部分。
三、产品与技术
3.1实施方案
基于机智云的智能家居系统最终要实现可以在手机应用程序上远程控制家里的电灯、插座、红外遥控电器的开关以及他们的定时时间，也可以在住宅内的智能网关控制系统上，通过网关携带的图形化人机交互界面设置电灯控制模块、插座控制模块、红外电器遥控模块、门窗开合警报模块、语音模块的所有功能以及监控来自云端的实时遥控命令。
因为采用了“机智云”的物联网技术方案，使手机应用程序端能与智能网关保持快速数据通信。智能网关是整个设计的核心，能起到承上启下的作用，所以设计了STM32主控芯片、高清彩色触控屏、WIFI模块加双发
无线通信模块这一方案。STM32主控芯片负责处理来自WIFI模块、触控
屏和无线通信模块的数据，并把数据重新打包分发出去，触控屏独立负责人机交互界面，WiFi模块负责与路由器通信，两个无线通信模块负责与下属的子模块进行数据交互。电灯控制模块负责实际开关电灯，插座控制模块负责实际通断插座电源，红外电器遥控模块负责操控红外遥控的电器，门窗开合警报模块负责检测门窗的状态，语音模块负责提供语音警报和播放歌曲，所有的子模块均与智能网关保持无线通信，除门窗开合警报模块外均由220伏市电提供电源。
所以整个系统分为手机控制端、智能网关控制器、电灯控制模块、插座控制模块、红外电器遥控模块、门窗开合警报模块、语音模块七部分。
3.2技术优势
系统总体示意图见图3.1。
手机控制端
WIFI、移
动网络
机智云
（Gizwits）
WIFI
电灯控制模块
2.4G
语音模块
2.4G
智能网关控制
插座控制模块
2.4G
器
2.4G
红外电器遥控模块
2.4G
门窗开合报警模块
图3.1系统总体示意图基于机智云的智能家居控制系统由七个独立的小系统组成，他们之间通过无线通信的方式组成一个大系统。把七个小系统的电源接通后，小系
3
间都把自己的状态通过WiFi模块上传到云端上，然后从云端把手机控制
端的数据点下载下来保存到STM32的数据库中。STM32还要与串口HMI
保持通信，每个程序周期内要都把STM32的数据库通过串口的方式更新
到HMI中，用以保持人界界面数据的实时性。同时还要检测用户有没有操
控人机界面，一旦检测到数据变化就把人机界面的数据更新到STM32的
数据库。STM32还要读取DS1302时钟模块中的时间。STM32通过以上
通信把数据保存到数据库中后就将这些数据进行整合分析，判断是否有开关灯、播放音乐、定时的控制指令。运算结束后就会把这些控制指令从新打包放到发送数据库中，通过发射模式的无线通信模块广播出去。插座、红外、电灯等模块接收到来自智能网关的数据包后就会根据通信协议提取出自己那部分的数据，然后保存到各自的数据库中。子模块会一直检测数据库中的控制指令参数是否改变，一旦有数据改变，就会执行动作，控制电灯点亮、空调调温、切换歌曲等。而门窗开合警报模块会一直向智能网关发送门窗的状态。
本系统的技术优势主要体现在一下几个方面：
1、远程控制
在上班途中，突然想起忘了关家里的灯或电器，通过手机APP就可以把家里想要关的灯和电器全部关掉。下班途中，通过手机APP先把家里的电饭煲和热水器启动，让电饭煲先煮饭，热水器先预热。等回到家马上就可以洗个热水澡，并可立即享用香喷喷的饭菜。若是在炎热的夏天，可以手机APP把家里的空调先开启，回家后就能享受丝丝凉意。在家里，同样可以通过手机APP控制家里所有的灯和电器。
2.家电控制
通过用智能电器插座、红外遥控电器开关、定时控制器、手机APP等智能产品的随意组合，无需对现有普通家用电器进行改造，就能轻松实现对家用电器的定时控制、无线遥控、集中控制、电话远程控制、场景控制、电脑控制等多种智能控制。
3.智能安防
室内防盗、防劫、防火、防燃气泄漏以及紧急救助等功能，全面集成声光报警，可以起到一定的安防作用。
4、协议加密
要想将智能家居推向未来市场，智能家居控制系统的安全性是一个不容忽视的问题，本系统我们针对无线信号发送端和接收端进行
定制传输协议，并给予DES（AES）256进行自加密自解密设计。并且进行了抗干扰性、数据完整性、可扩展性设计，并根据实际情况优化网络拓扑形式，不断优化传输效率。
5、使用的起的智能家居控制系统
智能家居可以说是未来发展的一个趋势，目前很多企业纷纷涉足智能家居的研发设计制造，但是这些企业的产品价格昂贵，定位的消费人群都是社会中上层；而我们这这款产品定位的消费人群是中下层人们。
3.3项目的创新性
智能家居云控制系统可以实现在手机应用程序上远程控制家里的电灯、插座、红外遥控电器的开关以及他们的定时时间，也可以在住宅内的智能网关控制系统上，通过网关携带的图形化人机交互界面设置电灯控制模块、插座控制模块、红外电器遥控模块、门窗开合警报模块、语音模块的所有功能以及监控来自云端的实时遥控命令。
本系统的创新点主要分为以下几个方面：
1、智能网关控制器
智能网关控制器它在本设计中起到数据汇集、承上启下的作用。他可以通过WIFI模组接收来自云端的控制命令，然后发送到MCU上，MCU
更新数据库和做出相应的处理后再根据不同的协议把控制指令通过无线
通信模块发送到子模块上。智能网关同时还要接收子模块、触控屏数据，MCU对数据进行相应的逻辑处理后再发送到云端或临时保存起来。
2、电灯控制模块
电灯控制模块的功能是通过无线通信模块接收来自智能网关的电灯控制指令，通过MCU对控制指令进行处理分析，MCU根据得到的结果再
去控制继电器的通断来控制电灯，MCU还要根据接收控制信号指示灯的
状态。最后还要防止继电器的电压对MCU产生干扰。
3、红外电器遥控模块
红外电器遥控模块的主要功能是通过无线通信模块接收来自智能网关的遥控指令，MCU把收到的遥控指令进行解释重组后通过红外发射模
块把遥控指令转发出去，进而控制空调、电视等。MCU还要控制通信状
态控制信号指示灯。
4、插座控制模块
智能网关把插座信息的控制指令发出后，插座的无线通信模块就会接收到数据并把数据发到MCU上进行处理分析。MCU根据得到的结果再去
控制继电器的通断来控制插座电源，MCU还要控制信号指示灯的状态。
最后还要对继电器的信号进行光电隔离。在考虑插座模块的具体应用场景后，还要为模块设定独立的电源开关，使用户在插座模块上也能控制电源通断。
5、语音模块
语音模块的主要功能是用无线通信模块接收来自智能网关的语音控制指令，MCU把收到的遥控指令进行解释重组后控制警报发生器做出反应。使警报发生器发出声音，起到阻吓贼人的作用。
6、门窗开合警报模块
门窗开合警报模块的主要功能是用模块上的干簧管检测门窗的开合状态，然后用无线通信模块把信号发送给智能网关进行处理。还要根据门的状态用MCU控制信号指示灯的颜色。最后要为粘贴在门窗上的警报模
块选择合适的供电方案。
四、总结与展望
创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。物联网及移动泛在技术的发展，使得技术创新形态发生转变，以用户为中心、以社会实践为舞台、以人为本的创新2.0形态正在显现，实际生活场景下的用户体验也被称为创新2.0模式的精髓。其中，政府是
创新基础设施的重要引导和推动者，比如欧盟通过政府搭台、PPP公私合作伙伴关系构建创新基础设施来服务用户，激发市场及社会的活力。用户是创新2.0模式的关键，也是物联网发展的关键，而用户的参与需要强大的创新基础设施来支撑。物联网的发展不仅将推动创新基础设施的构建，也将受益于创新基础设施的全面支撑。作为创新2.0时代的重要产业发展战略，物联网的发展必须实现从‘产学研’向‘政产学研用’，再向‘政用产学研’协同发展转变。
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