基于物联网的智能家居控制系统的制作方法

基于物联网的智能家居控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于物联网的智能家居控制系统，控制系统包括基于RS-485总线的物联网通信模块，负责RS-485总线接入设备和ARM处理器之间的通讯任务；以太网远程控制模块，负责接收用户从互联网发送的控制命令，用户实现对智能家居远程控制；基于GPRS的报警和控制模块，负责接收智能家居中安防报警系统的各种报警信息并发送故障报告到用户的手机；人机交互模块，用于和用户之间进行信息传输；设备接口部分，用于连接各种设备。本发明利用多接口将家中所有电器设备统一联网、集中控制的设想，以及利用一个智能控制终端实现整体控制。
【专利说明】基于物联网的智能家居控制系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及物联网领域，具体涉及一种基于物联网的智能家居控制系统。

【背景技术】
[0002]自动化技术和信息技术的发展，推动了智能家居的不断发展。也不断改变人们的 工作和生活，人们对生活质量提高需求日渐加大。目前市场上的智能家居控制系统已经有 一个比较完整的体系和功能。基于消费者对智能家居的需求，主要功能应包括家用设备控 制，智能灯光控制，安防报警，门禁，红外线监控，远程服务。随着智能家居行业的发展，更多 的新东西会逐渐成为智能家居控制系统的重要组成部分。智能家居控制系统，改变了人们 的生活方式，使人们的生活质量发生了巨大变化，让人们享受了新奇，好玩，时尚的生活。智 能家居从人们认识到慢慢接受到需要，未来人们的生活或许离不开智能家居。智能家居控 制系统会将不同的家庭智能设备连接在一起，通过各种总线技术，构建成一个功能齐全，安 全可靠，聪明绝顶的现代化智能系统。它可以调动人的主观能动性，促进人与生活环境之间 的协调，使人们更自由地向往能够控制生活环境。从消费者的角度出发，智能家居控制系统 应具备多种类型的家用设备互联的控制功能，各种远程监控系统功能，可靠的系统报警功 能以及和谐的互动功能。
[0003] 智能家居设备互联控制是智能家居控制系统的一个基本特征。在智能家居而言， 对家电、电脑、光源控制、互联网和智能设备常常使用分散控制、分散管理等方式，它的明显 缺点是，各种家用设备不能联网，用户不能统一控制。在这种情况下，开发出一套具有多电 器接口，并将家中所有电器设备统一联网，集中控制的装置具有重要的意义。通过智能控制 终端，无论在家里还是外地都可以自由控制各种家用电气设备，不能因为设备的类型多种 多样而难以控制。即使家用电器的控制参数是多种多样，也有一些共同的特征。例如，所有 设备都有控制开关，这样你就可以使用二进制〇和1来表示这两种状态。对于某些设备的 齿轮控制，灯光的亮度调节、空调温度控制等这些设备，本文通过添加控制参数，在控制命 令添加中控制字段来控制这些设备。因此，对于智能家居的电气控制，控制参数的问题考虑 是很重要的。


【发明内容】

[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种基于物联网的智能家居控制系统，利用多接 口将家中所有电器设备统一联网、集中控制的设想，以及利用一个智能控制终端实现整体 控制。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] 一种基于物联网的智能家居控制系统，控制系统包括：
[0007] 基于RS-485总线的物联网通信模块，负责RS-485总线接入设备和ARM处理器之 间的通讯任务；ARM处理器通过检测电路，以确定所述接入设备的生命周期中。同时有序 的轮询总线上家用电器的运行状态，通过发送一个查询或控制命令来监视或控制设备的运 行。并接收任何一台家用设备的反馈信息。主要的任务分类包括：接入设备检测任务，接受 任务总线，总线发送任务。
[0008] 以太网远程控制模块，负责接收用户从互联网发送的控制命令，用户实现对智能 家居远程控制；在使用时，我们必须首先验证用户是否有权限来控制家居系统，如果系统收 到了正确的用户控制指令，ARM处理器将通过RS-485总线直接向相应的智能家电发送控制 命令进行控制。主要的任务包括以太网数据传输的发送任务和以太网数据接收任务。
[0009] 基于GPRS的报警和控制模块，负责接收智能家居中安防报警系统的各种报警信 息并发送故障报告到用户的手机；
[0010] 此外，用户可以远程查询和控制家居设备的运行状态。其远程控制功能和以太网 控制功能相同，当系统接收到用户控制短消息后，ARM处理器将通过RS-485总线直接向相 应的智能家电发送控制命令进行控制。主要的任务包括短消息发送任务和短消息接收任 务。
[0011] 人机交互模块，用于和用户之间进行信息传输。必须经过人机交互模块作为桥梁 才能完成。用户可以设置系统参数，包括工作模式的设置，报警号码的权限设置等等。主要 的任务包括液晶屏菜单显示任务、按键处理任务和语音提示任务。
[0012] 设备接口部分，用于连接各种设备。
[0013] 其中，所述设备接口部分包括：
[0014] 常用电器接口，用于连接家用电器；
[0015] 安防设备接口，用于连接安防设备；
[0016] 监控设备接口，用于连接监控设备；
[0017] 其中，所述人机互换部分包括液晶显示屏，用于显示菜单并提示用户信息和操作 说明；
[0018] 接收控制按钮模块，用于控制系统；
[0019] 实时时钟，用于显示准确的时间和作为闹钟使用；
[0020] 存储器，用于保存系统参数和系统状态信息；
[0021] 语音提示模块，用于进行语音报警。
[0022] 其中，所述系统使用的核心处理器为LPC2378ARM处理器。
[0023] 本发明的有益效果如下：利用多接口将家中所有电器设备统一联网、集中控制的 设想，以及利用一个智能控制终端实现整体控制。

【专利附图】

【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统的框架图。
[0025] 图2为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中LPC237所带外设的汇总 图。
[0026] 图3为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中RS-485网络结构图。
[0027] 图4为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中以太网结构图。
[0028] 图5为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中MAX232芯片接口原理图。
[0029] 图6为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中人机交互部分结构图。
[0030] 图7为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中主机轮询从机的工作流 程。
[0031] 图8为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中从机应答的工作流程图。
[0032] 图9为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中DP83848I接收数据的流 程图。
[0033] 图10为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中DP83848I发送数据的流 程图。
[0034] 图11为本发明实施例基于物联网的智能家居控制系统中GPRS报警控制模块的短 消息任务工作流程图。

【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0036] 如图1所示，本发明实施例提供了一种基于物联网的智能家居控制系统，控制系 统包括
[0037] 基于RS-485总线的物联网通信模块，负责RS-485总线接入设备和ARM处理器之 间的通讯任务；ARM处理器通过检测电路，以确定所述接入设备的生命周期中。同时有序 的轮询总线上家用电器的运行状态，通过发送一个查询或控制命令来监视或控制设备的运 行。并接收任何一台家用设备的反馈信息。主要的任务分类包括：接入设备检测任务，接受 任务总线，总线发送任务。
[0038] 以太网远程控制模块，负责接收用户从互联网发送的控制命令，用户实现对智能 家居远程控制；在使用时，我们必须首先验证用户是否有权限来控制家居系统，如果系统收 到了正确的用户控制指令，ARM处理器将通过RS-485总线直接向相应的智能家电发送控制 命令进行控制。主要的任务包括以太网数据传输的发送任务和以太网数据接收任务。
[0039] 基于GPRS的报警和控制模块，负责接收智能家居中安防报警系统的各种报警信 息并发送故障报告到用户的手机；
[0040] 此外，用户可以远程查询和控制家居设备的运行状态。其远程控制功能和以太网 控制功能相同，当系统接收到用户控制短消息后，ARM处理器将通过RS-485总线直接向相 应的智能家电发送控制命令进行控制。主要的任务包括短消息发送任务和短消息接收任 务。
[0041] 人机交互模块，用于和用户之间进行信息传输。
[0042] 必须经过人机交互模块作为桥梁才能完成。用户可以设置系统参数，包括工作模 式的设置，报警号码的权限设置等等。主要的任务包括液晶屏菜单显示任务、按键处理任务 和语首提不任务。
[0043] 所述设备接口部分包括：
[0044] 常用电器接口，用于连接家用电器；
[0045] 安防设备接口，用于连接安防设备；
[0046] 监控设备接口，用于连接监控设备；
[0047] 如图6所示，所述人机互换部分包括液晶显示屏，用于显示菜单并提示用户信息 和操作说明；
[0048] 接收控制按钮模块，用于控制系统；
[0049] 实时时钟，用于显示准确的时间和作为闹钟使用；
[0050] 存储器,用于保存系统参数和系统状态信息；
[0051] 语音提示模块，用于进行语音报警。
[0052] 其中，人机交互模块，作为控制系统设计的一个重要组成部分，人机交互是负责提 供友好的交互界面和功能，使人和机器和谐相处的部分，通过良好的人机交互界面设计，可 以增加用户依赖性。人机交互终端作为智能家居控制系统的组成部分，是一个人和设备进 行信息交互的平台，智能控制系统通过它和用户之间进行信息传输。其硬件组件应该包括 液晶显示屏，信息控制按钮，实时时钟，信息存储器，状态指示灯，语音提示。通过智能键查 询、设备状态显示和语音提示实现智能系统和用户的交流。如图6所示为人机交互部分的 结构采用DS1302芯片作为实时时钟芯片，DS1302芯片是美国DALLAS公司推出一个的高性 能、低功耗的实时时钟。带RAM数据存储，可以设置日期和时间。DS1302芯片接口电路简 单，价格便宜，使用方便，易于操作。实时时钟模块能够显示准确的时间，用户可以设置闹钟 功能。
[0053]内存模块是一种非易失性外部存储器模块，用于保存系统参数和系统状态信息， 如用户设置的报警中心号码。系统采用FM24C64A串行电可擦除只读存储器（EEPROM)，该模 块可串联具有高扩展性，被广泛用于低电压和低功耗的领域。
[0054] 接收控制按键模块是人机交互设计的重要输入接口部分，用户可以通过键盘控制 系统。系统设置了 16个按键，其中包括数字0-9,菜单（功能）键，确定键和四个方向键。
[0055] 液晶显示屏和菜单显示处理的人机交互设计的主要部分，用于显示菜单并提示用 户信息和操作说明。液晶显示屏为用户提供了极大的方便，用户可以随时了解每个家用电 器运行状态，以及当前出现的故障信息。用户可以通过设置菜单功能，实施供全方位的监控 和控制操作。因此菜单显示以及相应的信息处理模块也是需要工作量最大的模块。本系统 采用的液晶显示屏是0CM1264,自带中英文字库，方便的软件开发。通过按键操作，用户可以 设置系统，检查和控制各种家用电器。
[0056] 该模块系统与用户直接进行通信的通道。通过控制系统的设置功能，对家居环境 变量进行设置，系统就会提供相应的背景音乐。如果在家里的危险情况时，语音提示报警模 块。同时控制系统调用远程报警系统来通知用户，用户根据报警信息进行相应处理。系统 采用的是HMA-TTS语音合成模块，该模块是一种模块化的产品，是在嵌入式系统中移植国 语音合成软件SMA-TTS。体积小巧、合成音质好、功耗很低、易于使用，无需外部辅助电路。 加上电源和扬声器就可以通过UART串口控制使用。也可以按照用户的需要对合成控制接 口进行定制，以满足智能家居应用对语音合成要求。
[0057] 如图2所示，所述系统使用的核心处理器为LPC2378ARM处理器。飞利浦生产的 LPC2378ARM处理器是一个合适的选择，性价比很高的LPC2378,具有丰富的接口，非常适合 网络协议转换，并且具备多设备接口的应用程序。它是基于32位实时仿真ARM7TDMI-S内 核结构，并拥有高速嵌入式的512KB闪存和58KB的SRAM，具有在系统编程（ISP)和应用编 程（IAP)的能力。芯片有4个UART，3个I2C，3个SPI/SSP等串行接口，带DMA的10/100M 以太网MAC接口，超过104通用IO接口。
[0058] 如图3所示，RS-485总线的电气特性是多点差分数据传输，通信接口允许多点双 向通信于简单的一对双绞线上，它具有噪声抑制，高数据传输速率和可靠数据传输等特性。 相对简单的硬件接口，在总线上家用设备同时只有一个处于发送状态，而其他设备则处于 接收状态下。在由多个单片机组合的串行通讯网络中，使用主从式体系结构：从机器只能被 动地发送命令或数据，当需要主动发送数据和命令时，由主机来控制。
[0059] 本文设计的RS-485总线接口部分，是直接与嵌入式处理器的串行端口0相连接， 并且通过TXDRXD两个引脚，以及一个电平转换器实现通信的。在并行传输模式下，RS-485 传输线上需要连接终结电阻。采用两种不同的接线方式时，可以实现不同的功能。如果采 用四条线的接线方法，只能实现一对多的数据通信。而使用两条线的接线方式，就能达到多 点的双向通信。本文中的嵌入式处理器就是主设备，而其他接入的家居设备说是从设备。
[0060] 如果家居设备需要接入RS-485网络时，必须通过微控制器、检测电路和电流调理 电路来实现。微控制器的一个引脚和RS-485的输出相连，通过对这个引脚电平的跳变进行 检测，决定智能电器接入状态的改变。信号调理电路的功能，是隔离智能电器的输出电平和 总线中的电信号。使用SN75176芯片可将单片机中的串行接口转变成RS-485接口，这样就 可以实现各个接入家居电器和嵌入式开发板的串口通信。
[0061] 本发明系统使用ARM处理器LPC2378中带DMA的10/100M以太网模块，大大提高 了数据包的发送和接收速率，提高了系统发送和接收数据的实时性，减少了微处理器的工 作量。ARM处理器中以太网模块的RMI接口芯片与以太网PHY芯片（DP83848I)连接。
[0062] 如图4所示，以太网模块的框图，由以下几部分组成：
[0063] 主机寄存器模块。用于设置以太网工作模式，可以通过读取状态寄存器，可以了解 以太网工作状况。
[0064] 总线接口是连接AHB总线和以太网DM的接口。使模块能及时的读取SRAM，来实 现读、写描述符，以及收发数据的缓冲区。
[0065] DMA发送和接收数据。负责数据缓冲区和数据总线的信息传输。发送DMA管理 器是把传输数据传输状态和描述符写入到存储器；模块可以重新发送该数据和处理异常终 止，并且控制数据的发送。接收管理器的功能是负责检测信息，同时对特定的数据帧进行过 滤，并存储有效数据。
[0066]RMII负责与DP83848进行实时数据传输。
[0067] 基于GPRS的远程报警网络设计的目的，主要是提高智能家居控制系统的安全性， 因此，远程报警需要具有高实时性和高可靠性。
[0068] 远程报警网络分为三个部分：现场采集终端，监控中心和GPRS服务中心。现场采 集终端包括RS-485总线上连接的家用电器，以及各种传感器（例如温度传感器，湿度传感 器等），实时将家庭安全信息数据采集并及时的传送到监控中心。监控中心将所接收的数据 进行处理并分析是否报警和故障信息。如果收到一个工作不正常的状态数据，远程报警系 统通过GPRS服务中心发送报警信息给用户，保证用户财产安全。
[0069] 系统GPRS模块采用SMCOM公司生产的SM300CZ模块。SM300CZ模块可以在三 频/四频GSM/GPRS设备工作，提供超过10级多时隙和级4编码能力。它结构紧凑，双列直 插式板对板连接器，结构紧凑，能满足各种工业应用对模块尺寸的苛刻要求；内嵌功能强大 的TCP/IP协议栈，功耗低；使用增强型AT命令集的通信协议，实现语言，短消息，GPRS数据 的高速传输。远程报警网络和RS-485总线网络结合设计起到远程报警和控制的功能。
[0070] 本文GPRS的远程报警控制部分的关键是：①采用嵌入式系统来发实现送和接收 短消息的功能；②现场采集终端采集异常信号进行理性分析处理，当检测到异常信息，诸如 发现火情应该立即打开自动灭火装置；③摄像头捕捉图像信息通过串行端口发送给无线通 信模块，然后通过GPRS发送给用户。
[0071] 如图5所示，控制系统和串行通信模块。通过使用继电器，对家用电气设备进行打 开和关闭操作。该设备的控制终端必须由ARM控制器的I/O引脚直接控制。连接到ARM处 理器的SM300通信模块需要进行电平转换。而MAX232是最常用的电平转换芯片。
[0072] 家居设备的即插即用通信协议
[0073]按照统一设备编号UDS对智能家电进行编码，UDS长度3个字节，不同智能家电具 有不同的电气设备号。系统家庭网络设备地址分为2个字节，即网络设备ID。第一个字节 代表一级地址，其中的2个位用于区分设备的种类；第二字节代表二级地址。为了方便访问 控制终端能够对每个设备进行查询和控制，将每个电器和控制终端连接。控制终端为每台 设备以自动方式或者手动方式分配物联网的ID，从而使每一个家居设备都有一个唯一的编 号，实现远程访问该设备的目的。编码方法是：当一个新的装置连接的智能控制终端，为保 留的家庭网络设备地址分配统一的设备序列号，这样就可以实现物联网设备ID与设备序 列号UDS的转换。考虑到家庭网络的一级地址保留位是bit2到bit7,可以将二级地址用来 表示家用电器的编号，通过一级地址编码可以区分设备类型。UDS结构定义：bit〇-bit7表 不设备编号，bit8_bit20表不厂商号，bit21_bit23表不版本号。
[0074]RS-485总线主从机通信协议
[0075] 总线中主从机通信的数据帧格式是这样定义的，数据帧组成包括帧头、设备地址、 命令（功能）、数据长度、数据、校验和帧尾等字段。其格式为帧头占1个字节、设备地址占 1个字节、命令（功能）占1个字节、数据长度占1个字节、数据占N个字节、校验和帧尾各 占1个字节。
[0076] 系统采用可靠的连接方式。主机每一次询问从机时，都要使用"握手"机制。主机 先向从机发送握手信号，如果从机在线，则从机向主机回发应答信号。从而在主机和从机之 间建立起可靠的连接，然后就可以安全地交换数据。交换数据结束后，再依次询问下一个从 机。只有当主机询问某从机时，该从机才给予应答。这种机制可以避免没有次序的数据通 信对整个总线网络数据传输的扰乱
[0077] 主机发送给从机的数据帧的帧格式如下：
[0078]

【权利要求】
1. 一种基于物联网的智能家居控制系统，其特征在于，控制系统包括： 基于RS-485总线的物联网通信模块，负责RS-485总线接入设备和ARM处理器之间的 通讯任务； 以太网远程控制模块，负责接收用户从互联网发送的控制命令，用户实现对智能家居 远程控制； 基于GPRS的报警和控制模块，负责接收智能家居中安防报警系统的各种报警信息并 发送故障报告到用户的手机； 人机交互模块，用于和用户之间进行信息传输； 设备接口部分，用于连接各种设备。
2. 根据权利要求1所述的基于物联网的智能家居控制系统，其特征在于，所述设备接 口部分包括： 常用电器接口，用于连接家用电器； 安防设备接口，用于连接安防设备； 监控设备接口，用于连接监控设备。
3. 根据权利要求1所述的基于物联网的智能家居控制系统，其特征在于： 所述人机互换部分包括液晶显示屏，用于显示菜单并提示用户信息和操作说明； 接收控制按钮模块，用于控制系统； 实时时钟，用于显示准确的时间和作为闹钟使用； 存储器，用于保存系统参数和系统状态信息； 语音提示模块，用于进行语音报警。
4. 根据权利要求1所述的基于物联网的智能家居控制系统，其特征在于，所述系统使 用的核心处理器为LPC2378 ARM处理器。
【文档编号】G05B15/02GK104317255SQ201410331291
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年7月6日 优先权日:2014年7月6日
【发明者】王东来, 许薇, 冯勰, 姜春风, 王晓援 申请人:吉林农业科技学院