基于物联网优化APP的智能家居控制平台设计

吴俊杰，谢碧玲

(泉州信息工程学院，福建 泉州 362000)

0 引言

随着物联网技术的发展，以物联网技术为基础的智能家居控制技术得到快速发展，智能家居通过物联网接入到互联网系统中，实现对家居家电设备的智慧化控制和监控报警，通过智能家居控制，在APP平台设计，满足人们的智慧化生活需求，提供舒适温馨、高效安全的高品位生活环境[1].在智能家居控制平台下，通过对家居的智慧化灵动控制，将一个被动静止的居住环境提升为一个有一定智慧协助能力的体贴的生活帮手，进一步优化住户的生活质量.基于物联网技术和移动互联技术发展，设计基于物联网优化技术和APP的智能家居控制平台，实现智能家居系统的控制，构建智能家居的核心控制系统，设计的控制平台主要由AD信息采集模块、总线控制模块、上位机通信模块、集成控制模块、信息集成处理模块以及人机交互模块构成，该系统能有效为住户控制好空气的湿度、温度、检查空气和操作各种家用电子设备等提供更便捷，更高效、更能为家庭的日常活动节约能耗，实现绿色环保的家居生活.

1 总体设计构架和开发环境描述

1.1 控制平台总体设计构架

为了实现对智能家居控制平台的APP开发设计，基于物联网环境构建智能家居控制平台的总体结构模型，控制平台主要由AD信息采集模块、总线控制模块、上位机通信模块、集成控制模块、信息集成处理模块以及人机交互模块构成[2]，其中AD模块实现对智能家居控制的温度、湿度以及家居家电控制信息的采集和数模转换控制，在数字转换器中实现对智能家居控制信息的集成信息处理，采用ARM Cortex-M0 处理器内核实现智能家居控制平台的APP开发，在ZigBee物联网组网模块设计，构建嵌入式智能家居控制平台开发环境，采用RS5485总线监测方法进行智能家居APP控制，设计电源状态监控器进行智能家居控制的输入能量管理.家居智能化系统将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过有线或无线的方式连接起来，采用智能家居控制平台进行集中或异地的监控，实现对智能家居信息管理和家居集成控制，在操作系统层和应用软件层分别配置智能家居APP控制系统的人机交互控制协议，在MCU控制单元进行智能家居APP控制.采用ADSP21160作为核心处理器，进行智能家居控制系统的集成信息处理，在后端控制显示单元进行交叉编译和人机交互模块设计，根据上述总体设计构架，得到本文设计的基于物联网优化APP的智能家居控制平台的总体结构图如图1所示.

图1 平台的总体结构图

根据图1所示的总体设计构架，系统采用嵌入式设计技术进行智能家居APP控制平台设计，结合传感器分布式检测技术进行智能家居APP控制状态测试，对智能家居APP控制平台进行三层体系结构构架，智能家居控制平台的三层体系构架分为感知控制层、网传输层、应用服务层，其中，感知控制层采用传感器进行湿度、温度信息采集，采集的感知信息作为整个家居平台的底层数据，结合系统信息处理模块进行网络输出控制[3].在网络传输层中，采用物联网和ZigBee组网技术，进行家居控制的网络组网设计，在应用服务层实现家电控制和家居远程控制，智能家居控制平台的三层体系结构如图2所示.

图2 家居控制平台的三层体系结构

1.2 平台的开发环境及功能模块分析

设计的智能家居控制系统建立在物联网开发环境下，以ARM Cortex-M0 处理器内核构建智能家居控制系统的传感基阵，在传感器模块进行智能家居控制系统的原始数据信息采集，通过AD转换控制模块进行智能家居控制系统的信息转换控制，假设设计的智能家居控制系统的D/A转换速率>200K Hz，采用单5X供电，自动控制增益的输入范围为3 Vpp，家居控制系统的输出功耗30 W，实现对智能家居的低功耗控制.AD输入电压满足：

图3 智能家居控制平台功能结构模块

智能家居APP控制平台的AD转换器采样通道为8通道同步，构建VIX触发总线进行智能家居控制过程中的温湿度监控、智能报警以及家电人机交互控制，在APP终端设计人机交互接口，根据上述设计技术指标，进行控制模块的射频控制和总线传输控制，采用物联网技术进行智能家居控制的组网设计，结合ZigBee组网方案构架智能家居控制的网络通信协议.采用嵌入式的交叉编译技术进行APP控制指令的加载和读写，设计家居控制平台的采样时钟≥150 Hz，根据上述设计原理，构建智能家居控制平台功能结构模块如图3所示.

2 控制平台的设计与实现

结合物联网技术和嵌入式技术进行的智能家居控制平台开发设计，采用VIX总线控制技术实现智能家居控制平台的总线集成控制和信息调度，构建智能家居控制平台的集成信息处理器[4]，在嵌入式控制平台中进行智能家居控制平台的人机交互设计.以DSP为信息处理器进行智能家居控制平台的硬件开发，在ISA/EISA/Micro Channel扩充总线下进行智能家居控制的无线通信设计，本文设计的控制平台主要由AD信息采集模块、总线控制模块、上位机通信模块、集成控制模块、信息集成处理模块以及人机交互模块构成，对各个模块进行硬件模块化设计[5].

2.1 AD信息采集模块

AD信息采集模块实现对家居控制平台的原始信息采集功能，采集的家居控制信息主要有温度信息、湿度信息、家电参数指标信息、用电功耗信息等，采用CC2530芯片作为AD芯片，结合物联网组网和ZigBee协议，采用PXI触发总线进行智能家居信息的时钟采样控制，提高智能家居APP控制信息采集的完整性和可靠性，在ROM的中实现智能家居APP控制的人机交互接口设计[6]，采用132Mbps的远程控制总线进行智能家居信息的远程调度和传输控制，得到AD信息采集模块设计如图4所示.

2.2 总线控制模块

总线控制模块实现对智能家居APP控制的智能总线传输功能，采用5409A作为总线控制集成芯片，采用PCI总线协议实现数据读写，选用VCA810作为内部晶振，采用2个并行输入/输出控制接口进行智能家居APP控制智能家居控制平台的基线恢复，通过VME总线发送控制指令到上位机中，在状态监控器中实现智能家居信息到主寄存器中进行交叉编译[7]，得到总线控制模块设计如图5所示.

2.3 上位机通信模块

图4 AD信息采集模块图5 总线控制模块的结构图

2.4 信息集成处理模块

信息集成处理模块是整个智能家居控制平台的核心处理器，在信息集成处理模块中实现智能家居APP控制的集成信息处理，将智能家居APP控制信息通过基线恢复器恢复到人机交互单元中，给出输入为宽电压范围：12 V～20 V，信息集成处理模块的静态电流设定为1 000 mA，采用信号处理器(DSP)进行集成信息处理和DA转换控制，在程序交叉编译控制的基础上，进行智能家居APP控制智能家居控制平台的时钟复位控制，通过工业标准级的六线同步串口实现智能家居APP信息写入，通过附加总线实现智能家居APP控制的安全检查和报警.采用可编程逻辑处理芯片进行智能家居控制平台的处理器设计，采用ISA/EISA/Micro Channel扩充总线进行智能家居控制的指令加载，在嵌入式环境下进行智能家居控制平台的程序加载和交叉编译控制，得到信息集成处理模块如图7所示.

图6 上位机通信模块设计图7 信息集成处理模块设计

2.5 人机交互模块

人机交互模块作为整个智能家居控制平台的输出单元，采用人机交互接口进行智能家居控制平台的人机交互设计，设计可编程的FPGA和DSP逻辑过程控制程序，采用AD/DA转换器进行智能家居控制平台的脉冲信息采集转换，采用ADSP21160处理器系统实现智能家居控制平台的无线射频传感识别，在ARM嵌入式微处理器环境下进行智能家居控制平台的AD转换控制.基于物联网技术和移动互联技术，进行人机交互模块的输出接口设计，采用PCI总线进行智能家居控制平台的嵌入式开发，使用ADI公司的EE-NOTE68作为输出接口，进行智能家居控制平台的输出转换接口设计，根据用户的需求，同时智能家居控制系统也可以依据住户的使用体验调整方案，加强紧急处理，危机救护等控制.结合硬件设计原理，得到智能家居控制平台的人机交互设计如图8所示.

在上述进行了平台的硬件模块化设计的基础上，进行平台的输出接口设计，得到整个平台的输出接口集成设计如图9所示.

图8 人机交互模块设计图9 输出接口集成设计

3 实验测试分析

为了验证本文设计的智能家居控制平台的性能，对各个模块进行电路调试和性能分析，采用嵌入式ARM寻址技术进行智能家居控制无线通信控制的集成信息采样和总线调度，使用UNIX类操作进行智能家居控制平台的接口程序编译，在类文件MinePressureCollectionC.nc里完成智能家居控制的无线通信传输和输出指令分析，实验中智能家居APP控制模式设定为SPI和PSI两种工况模式，设定SCPI标准命令集作为控制指令集，控制指令的读写速率设定为2.5 Mbyte/s，内部系统内部时钟采样频率为10 MHz，得到控制输出如图10所示.

图10 控制性能测试

分析图10得知，设计的智能家居控制平台稳定性较好，人机交互能力较强，控制性能曲线的收敛性较好.

4 结语

本文设计基于物联网优化APP的智能家居控制平台.设计控制平台主要由AD信息采集模块、总线控制模块、上位机通信模块、集成控制模块、信息集成处理模块以及人机交互模块构成，对智能家居APP控制平台进行三层体系结构构架，智能家居控制平台的三层体系构架分为感知控制层、网传输层、应用服务层，采用物联网技术进行智能家居控制的组网设计，结合ZigBee组网方案构架智能家居控制的网络通信协议.采用VIX总线控制技术实现智能家居控制平台的总线集成控制和信息调度，结合嵌入式的设计方案，实现控制平台的硬件模块化设计.研究果表明，设计的智能家居控制平台稳定性较好，人机交互能力较强，具有很好的应用性能.