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
Intelligent Home has been an important part of the social
informatization as a realization of home informatization. Since its huge application prospect, the Internet of things will be an actual breakthrough of Intelligent Home industry. Nowadays, there is not any mature Intelligent Home monitoring system in China. The scheme proposed in this paper is a solution for high degree of automation and intelligent.
The system consists of Bluetooth, ZIGBEE and Face recognition. Bluetooth connects furnishing to control its status, like light on and off, through Android mobile phone or PC Client. ZIGBEE builds a wireless sensor network to monitor the environment inside and display realtime. Face recognition, based on OPENCV, collect data from camera and switch the preferred settings according to different people automatically.
Keywords: Internet of things, Intelligent Home, ZIGBEE, Face recognition, Bluetooth, sensor
目录
第一章 绪论 ....................................................... 1
1.1智能家居概述 ................................................ 1 1.2项目研究背景 ................................................ 1
1.2.1国内外智能家居的发展现状 ............................... 1 1.2.2智能家居的发展前景 ..................................... 2 1.3蓝牙技术简介 ................................................ 2 1.4 ZigBee技术简介 ............................................. 3 1.5 OpenCV简介 ................................................. 3 第二章 总体方案设计 ................................................ 4
2.1项目整体设计思想 ............................................ 4
2.1.1可控制 ................................................. 4 2.1.2可识别 ................................................. 4 2.1.3可实时查看 ............................................. 4 2.1.4场景自动化 ............................................. 4 2.2项目整体结构 ................................................ 5 第三章 蓝牙子系统设计 .............................................. 6
3.1软件设计 .................................................... 6
3.1.1安卓手机客户端管理系统 ................................. 6 3.1.2 Labview客户端管理系统 ................................. 6 3.2硬件设计 .................................................... 6
3.2.1蓝牙设备的选型 ......................................... 7 3.2.2被控对象的选择与调试 ................................... 7 3.3场景自动化设计 .............................................. 8 第四章 ZIGBEE子系统设计 ........................................... 9
4.1 软件设计 .................................................... 9
4.1.1 JenNet协议栈特性 ...................................... 9 4.1.2 JenNet的应用函数接口 ................................. 10 4.1.3 ZigBee 网络结构 ...................................... 10 4.2 硬件设计 ................................................... 11
4.2.1总体方案设计 .......................................... 12 4.2.2控制器的选择 .......................................... 12 4.2.3无线传输模块 .......................................... 13 4.2.4 协调器节点硬件设计 ................................... 16 4.2.5 路由器和终端节点硬件设计 ............................. 17 4.3传感器介绍 ................................................. 20
4.3.1光照度传感器 .......................................... 20 4.3.2温湿度传感器 .......................................... 21 4.2.3烟雾传感器 ............................................ 23 4.2.4 RFID射频模块 ......................................... 24 4.2.5加速度计 .............................................. 25 4.2.6人体红外传感器 ........................................ 26 4.2.7 GSM模块 .............................................. 26
第五章 人脸识别子系统设计 ......................................... 27
5.1总体设计思路 ............................................... 27 5.2人脸检测算法设计 ........................................... 27
5.2.1 AdaBoost算法简介 ..................................... 27 5.2.2 Haar分类器 ........................................... 28 5.3基于直方图的人脸匹配 ....................................... 29 5.4实际效果图 ................................................. 30 第六章 总结与展望 ................................................. 31
6.1项目工作总结 ............................................... 31 6.2项目前景展望 ............................................... 31 第七章 参考文献................................................... 33
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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。
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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
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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2.4GHz ISM（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。
1.4 ZigBee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。
1.5 OpenCV简介
OpenCV的全称是：Open Source Computer Vision Library。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Mac OS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。
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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。
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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：
场景自动化 图2-1项目整体结构图
智能家居系统 蓝牙系统 人脸识别系统 ZIGBEE系统
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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3-2 Labview界面
3.1.2 Labview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
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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3-3 HC-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
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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。
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第四章 ZIGBEE子系统设计
4.1 软件设计
4.1.1 JenNet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--bit AES 数据加密。
图4-1 ZigBee协议四层结构图
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图4-2 JenNet协议栈示意图
4.1.2 JenNet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。 4.1.3 ZigBee 网络结构
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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4-3 ZigBee 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
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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。
网状传感器网络终端子节点协调器节点路由器子节点监测中心USB连接线
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PIC 16C系列和18C系列8位单片机，CPU采用
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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4-5 PIC18F4520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。
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图4-6 JN5148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、ZigBee 2004、JenNet、ZigBee PRO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：
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图4-7 JN5148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4-8 JN5148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4-9 zigbee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
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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Altium Designer 6.9设计开发。Altium Designer 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4-10 zigbeePCB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：
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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AMS1117-3.3V，输入接刚才介绍的5V输出，输出送到单片机电源输入端、Zigbee电源输入端、以及后面将要介绍的串口电平转换芯片MAX3232。原理图如下：
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图4-13 AMS1117-3.3V供电原理图
串行通信电路设计
系统使用Zigbee模块的串行数据传输功能，传感器采集数据，经过MCU的
处理，通过TX和RX引脚输出串行数据。调试时，短接P1的中间两个跳线帽，数据从串口DB1输出，可以通过一条USB转串口线连接到PC，并使用串口助手查看输出的数据是否正确。在Zigbee模块接入之后，将P1中间的跳线帽去掉，并接到两侧，这时数据将传入Zigbee，成功组网之后将数据发送到终端。
在串行数据线上使用MAX3232芯片提供RS232电平标准，MAX3232具有二路
接收器和二路驱动器，提供1uA关断模式，有效降低功效并延迟便携式产品的电池使用寿命。关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗1uA电源电流。即使工作在高数据速率下，MAX3232仍然能保持RS232标准要求的正负5.0V最小发送器输出电压。整个串行网络的原理图如图4-14所示：
图4-14串行网络的原理图
其中用到两个0欧电阻，可以起到良好的滤波效果，提高信号抗干扰性能。
下载电路设计
采用外置的PICKit2下载器，通过与板上的P3口连接，可以将程序下到MCU中。实现电路如下：
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图4-15下载电路
2) PCB设计
完整的PCB图如下：
图4-16主板PCB
完整实物图如图4-17所示：
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图4-17 主板实物图
4.3传感器介绍
本项目采用的传感器有五种：光照度传感器，温湿度传感器，烟雾传感器，RFID射频卡，加速度计。下面分别简要介绍各传感器的功能。 4.3.1光照度传感器 光照度传感器概述：
项目采用的光照度传感器为BH1750FVI模块，采用I2C通信方式，在ZIGBEE网络中负责采集室内光照信息，电机的转速将根据光照信息做出调整。其引脚图和实物图如图4-18所示：
图4-18光照度传感器引脚图和实物图
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各引脚的功能如下：
VCC——电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V SCL——I2C通信时钟引脚 SDA——I2C通信数据引脚
ADDR——模式转换引脚，高电平为高分辨率，低电平为低分辨率 GND——接地引脚
光照节点实物如图4-19所示：
图4-19光照节点实物图
4.3.2温湿度传感器 温湿度传感器概述：
项目采用的温湿度传感器为 DHT11数字湿温度传感器，采用单总线通信方式，在ZIGBEE网络中负责采集室内温度和湿度信息，其引脚图和实物图如图4-20所示：
温湿度传感器模块 VCC GND D0
图4-20温湿度传感器引脚图和实物图
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各引脚的功能如下：
VCC———电源引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压，一般取3.3V GND———接地引脚 D0———输出
DHT11的传输时序
DHT11通信方式为单总线通信，所以读取数据必须严格按照其传输时序，如图4-21所示：
图4-21 DHT11的传输时序
温湿度节点实物如图4-22所示：
图4-22温湿度节点实物图
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4.2.3烟雾传感器 烟雾传感器概述：
项目采用的烟雾传感器为 MQ-2烟雾传感器模块，，在ZIGBEE网络中负责采集室内烟雾信息，一旦烟雾值超过预定值，将触发蜂鸣器报警。其引脚图和实物图如图4-23所示：
烟雾传感器 模块 VCC GND D0 A0
图4-23烟雾传感器引脚图和实物图
引脚介绍：
VCC——电源正极 GND——电源地
D0——数字量输出口，检测到烟雾时输出高电平，否则为低电平 A0——模拟量输出口，输出模拟电压，电压越低，烟雾浓度越大
烟雾节点实物如图4-24所示：
图4-24烟雾节点实物图
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4.2.4 RFID射频模块 RFID射频模块概述：
项目采用的RFID射频模块为 Mifare522 Module，采用串口通信方式，在ZIGBEE网络中负责门禁刷卡及身份认证。其引脚图和实物图如图4-25所示：
RFID射频 模块 VCC GND TXD RXD
图4-25 RFID射频模块引脚图和实物图
引脚介绍：
VCC———电源正极 GND———电源地 TXD———串口发送 RXD———串口接收
RFID节点实物如图4-26所示：
图4-26 RFID节点实物图
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4.2.5加速度计 加速度计概述：
项目采用的加速度计为MMA7361三轴加速度计，单片机通过三路AD转换获取加速度值，在ZIGBEE网络中监测室内倾斜情况。其引脚图和实物图如图4-27所示：
图4-27加速度计引脚图和实物图
引脚介绍：
VCC——电源正极 GND——电源地 X——X方向通道 Y——Y方向通道 Z——Z方向通道
SL——睡眠模式，置高电平唤醒 加速度计节点实物如图4-28所示：
图4-28加速度计节点实物图
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4.2.6人体红外传感器
HC-SR501 人体红外感应模块 是基于红外线技术的自动控制产品。灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式。广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品.
在本项目中，该传感器安置于窗户，一旦陌生人靠近，触发蜂鸣器报警。
图4-29人体红外传感器实物图 图4-30 GSM模块实物图
4.2.7 GSM模块 GSM概述：
GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，实物如图4-30所示，当家中烟雾传感器检测到火情时，单片机控制器会向GSM模块发送报警消息的AT指令，完成报警短信发送。用户会即时收到报警消息，从而避免火灾造成的损失。 短信报警功能的实现：
使用标准的AT命令来控制GSM模块完成发送短信功能。适当的AT命令将由单片机控制器通过RS232发送给GSM模块。
AT命令发送短消息的过程如下：
(1)连接测试： 发：AT收：OK
(2)设置短消息发送格式： 发：AT+CMGF=1 收 ：OK (3)设置接收方号码发：AT+CMGS=13902433649收：>
(4)发送短信内容： 发：data→ //data 为发送内容，→为发送符（ctrl+z,十六进制0x1A）收：+CMGS: 54 OK
这样一条短信就发送成功了。
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第五章 人脸识别子系统设计
5.1总体设计思路
在本系统中，需要区分不同的人，具体的体现方式为下班后人们一般听音乐放松心情，不同的人有自己喜欢的音乐，为此我们设计了当检测到特定的人时，播放他喜欢的背景音乐已达到私人定制。
该子系统采用基于OpenCV的人脸识别来完成，分两个部分设计，第一部分为检测人脸，采用机器学习算法中Adaboost算法来完成，的第二部分为人脸匹配，采用基于直方图统计的方法与模板匹配，已达到身份认证的目的。系统基于MFC编程，大大提高了程序的灵活性。
5.2人脸检测算法设计
5.2.1 AdaBoost算法简介
Adaboost是一种迭代算法，其核心思想是针对同一个训练集训练不同的分类器(弱分类器)，然后把这些弱分类器集合起来，构成一个更强的最终分类器(强分类器)。其算法本身是通过改变数据分布来实现的，它根据每次训练集之中每个样本的分类是否正确，以及上次的总体分类的准确率，来确定每个样本的权值。将修改过权值的新数据集送给下层分类器进行训练，最后将每次训练得到的分类器最后融合起来，作为最后的决策分类器。图5-1给出了Adaboost人脸检测算法进行训练和检测的流程图。
训 练 过程 人脸 Adaboost训练 分类器 非人脸 检测结果 Adaboost检测 输入图像 图5-1 27 北京理工大学第十二届“世纪杯”学生参赛作品
5.2.2 Haar分类器
OpenCV实现了人脸检测技术的其中一个版本，它首先由Paul Viola和Michael Jones设计的，称为Viola-Jones检测器。OpenCV称这个检测器为“Haar分类器”，它建立了boost筛选式级联分类器，该分类器使用AdaBoost算法，把弱分类器节点组成筛选式级联。换句话说：第一组分类器是最优，能通过包含物体的图像区域，同时允许一些不包含物体的图像通过，第二组分类器次优分类器，也是有较低的拒绝率，以此类推。在测试模式下，只要图像区域通过了整个级联，则认为里面有物体。弱分类器是一个个多数情况下只有一层的决策树，一层决策树允许下面的形式的决策：判断特征f的值v是否大于某个阈值t;yes表示可能是人脸，no表示不是人脸：
−1,
f(i)={
+1,
v 分类器中用到的筛选式级联，每个节点都由多个boosting分类器组成，只要有人脸，它基本上都可以检测到，同时它只拒绝一小部分非人脸，但是到了最后一个节点，几乎所有的非人脸都被拒绝掉，只剩下人脸区域。如图5-2所示： 无人脸 无人脸 人脸 无人脸 F1 F2 Fn 图5-2 筛选式级联分类器搜索人脸示意图 28 北京理工大学第十二届“世纪杯”学生参赛作品 5.3基于直方图的人脸匹配 直方图(Histogram)又称柱状图、质量分布图，是一种统计报告图。直方图由一系列高度不等的纵向条纹或线段表示数据分布的情况。一般用横轴表示数据类型，纵轴表示分布情况。在图像处理上，直方图是图像信息统计的有力工具。通过标记帧与帧之间显著的边缘和颜色统计变化，直方图被用来检测视频中场景的变换。 图5-3 原图，灰度图和直方图 对于直方图来说，另一个不可或缺的工具是用某些具体的标准来比较两个直方图的相似度。这些工具首先由Swain和Ballar引入，后经Schiele推广。函数cvCompareHist()用于对比两个直方图的相似度。 double cvCompareHist( const CvHistogram* hist1, const CvHistogram* hist2, int method ); 在本系统中，用户提供的模板与摄像头采集的图像相比较,两者分别做直方图相匹配，得到相似度，比较的方法项目采用Bhattacharyya距离（method=CV_COMP_BHATTACHARYYA） 29 北京理工大学第十二届“世纪杯”学生参赛作品 d(H1,H2)=√1−∑ 𝑖 √𝐻1(𝑖)∗𝐻2(𝑖) ∑𝐻1(𝑖)∗∑𝐻2(𝑖) 对于Bhattacharyya匹配，低分数表示好匹配，而高分数表示坏匹配，完全匹配是0，完全不匹配是1。我们进行约定，若d<0.3，即相似度为70%时，默认匹配。 5.4实际效果图 整个系统以MFC为基础，实际效果如图5-4所示 图5-4 人脸识别系统实际效果图 30 北京理工大学第十二届“世纪杯”学生参赛作品 第六章 总结与展望 6.1项目工作总结 本项目通过分析国内外智能家居系统研究与应用现状，结合国内智能家居行业未来发展的广阔前景以及市场实际需求，提出并实现了智能家居监控网络的设计。 本文用形象的语言介绍了本项目从提出想法、设计流程、硬件制作到最终完成的全过程。本文的研究成果及主要完成的内容有： （一）控制器PIC单片机编程； （二）实现ZIGBEE模块的组网，并完成数据通讯，能按照要求的组网模式快速组网，且保证数据传输准确无误； （三）使用多种传感器完成室内外环境参数测量； （四）蓝牙无线技术用于手机客户端向智能家居发送命令； （五）OPENCV图像处理技术实现人脸识别，辨别来访人员是否住户； （六）使用Altium designer 6.9设计传感器模块和Zigbee模块，从原理图设计到PCB设计完全自主开发，具有完整知识产权； （七）开发了Android客户端，方便用户随时监控； （八）最终产品具有良好的稳定性，经测试适用于家庭环境，能顺利完成既定功能，节电且无污染，对人体无危害。 6.2项目前景展望 本项目研究了当前世界上最有发展前景的智能家居技术，并通过自主开发，实现了创新的智能家居监控系统。 智能家居结合物联网技术将成为二十一世纪发展最为迅猛的技术，这一点已经毋庸置疑。今后的世界一定会朝着更加人性化、舒适化的方向发展。而本项目正是这个大的发展前景下的一个产物，这些功能将在不久的将来出现在人们的生活中，并伴随人们一生。本文介绍的系统作为今后无穷无尽的智能家居产业的基石，也可以说做出了我们自己的一份贡献。那么循着智能家居的发展方向，笔者认为本项目仍可继续改进，体现在以下三个方面： （一）数据云备份。每个用户在云端服务器有一个账户，所有家居数据应实时上传到云服务器，这样用户可以使用移动客户端或PC浏览器实时查看家居数据。 31 北京理工大学第十二届“世纪杯”学生参赛作品 （二）该系统可作为小区物业保障业主生活质量的监督工具。比如本项目中的温湿度传感器，可以实时监测室内环境温度，如果供暖公司没有达到其所规定的温度要求，业主即可告知物业，维护自己的合法权益。这一用途随着人们生活水平的日渐增高一定会得到广泛使用。 （三）建立智能家居社区，分享使用智能家居时的场景、感想或心情，让家庭变得更温馨，让小区成为身边的朋友圈。 32 北京理工大学第十二届“世纪杯”学生参赛作品 第七章 参考文献 [1]吴却.智能家居系统研究[硕士论文].湖南：中南大学，2010.2 [2]李振汉.基于单片机的智能家居系统[J].厦门：厦门大学学报（自然科学版）.2012（51）[8] [3]路婷婷.基于ZigBee技术的在线监测系统的研究[硕士论文].北京：北京交通大学，2011.7 [4]李泉.ZigBee无线传感器网络及其在重大危险源监控系统中的应用研究[D].兰州:兰州理工大学.2010.6. [5]黄磊,基于ZigBee技术的智能家居方案研究[J],微计算机信息,2009 [6]刘经纬,关伟,郁建,基于DM642的智能家居保姆[C],电子工业出版社,2008:379-390 [7]毛建东 基于 LabVIEW 的单片机数据采集系统的设计 [J] 微计 算 机 信 息2006(8)． [8]黄明江. 基于ZigBee的桥梁监测自愈组网系统研究[硕士论文].北京：北京理工大学，2012.12 [9]周林，陈玉，冯婷婷.基于ZigBee的自愈组网与协议实现[J].通信技术，2012（04）45. [10] Gary Bradski&Adrian Kaebler,著.于仕琪,刘瑞祯 译，学习OpenCV.清华大学出版社,2009.10 [11]刘瑞祯，于仕琪编著. OpenCV教程（基础篇）.北京：北京航空航天大学出版社,2007.6 33 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容