基于“互聯(lián)網(wǎng)+”智能家居的遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)

許冰昕 蔣馨荷 韓克軍 李鵬萱 劉俊杰 沈行良

摘要：“互聯(lián)網(wǎng)+”是創(chuàng)新2.0下的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展新業(yè)態(tài)，即通過計算機網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸和存儲去實現(xiàn)智能化監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。將其應(yīng)用于傳統(tǒng)家居后，在一定程度上可以滿足用戶多樣化的需求和對高品質(zhì)生活的追求。應(yīng)用智能管理系統(tǒng)來實現(xiàn)家居的遠(yuǎn)程控制的設(shè)計采用單片機作為主控系統(tǒng)，根據(jù)軟件程序的設(shè)計可對傳感器收集并反饋給云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控并可以無線為媒介上傳數(shù)據(jù)到云端，軟硬件協(xié)調(diào)配合對系統(tǒng)完美運行有根本的保障，達(dá)到智能控制效果。

關(guān)鍵詞：云端服務(wù)器；智能家居；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

Design of smart home remote control based on the Internet plus

XU Bingxin ， JIANG Xinhe ，HAN Kejun ，LI Pengxuan，LIU Junjie ， SHEN Xingliang

（College of Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620，China）

Abstract： "Internet plus" is a new development form under the innovation Internet 2， which is a network to realize intelligent monitoring and management through data transmission and storage. If applied to the traditional home， it is to a certain exten could meet the diverse needs of users and the life pursuit of high quality. In this paper ，the remote control design applying intelligent management system uses microcontroller as host sysem， meanwhile according to the software design monitors the data information acquired by sensors and sent to the cloud， furtherly uploads data to the cloud through wireless media. It is conclued that the coordination of hardware and software is the fundamental guarantee for the system perfect operation，and intelligent control effect is ultimately achieved.

Key words： Cloud Server ； Smart Home ； Remote Control

0 引言

隨著科技的發(fā)展，人們對家居品質(zhì)追求日趨高端，重視增強，而智能家居以其舒適、安全、便利、智能等特點正逐漸進(jìn)入中國種種的視野選擇范疇。而且，時下的中國家庭小型化和核心化愈發(fā)明顯，光纖寬帶開始普及，遠(yuǎn)程控制已經(jīng)具備，加上中國制造業(yè)能力強，居住條件和家庭消費的改良升級即使得智能家居成為一個藍(lán)海項目，前景不可估量。本研究則以互聯(lián)網(wǎng)+、云服務(wù)器為背景再配以單片機為核心，而將各傳感器作為輔助設(shè)計提出了一套可以遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制室內(nèi)溫度/濕度、和人體感知而即時變換燈光顏色及強度的照明系統(tǒng)聯(lián)合組成的的現(xiàn)代智能家居。為此，本文探討了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”下的智能家居的開發(fā)與實現(xiàn)，分別從總體設(shè)計、功能模塊、設(shè)計原理多角度進(jìn)行了全面闡述與分析。

1總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以單片機為核心，云服務(wù)器連接手機端和家居終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和處理，以及功能模塊的加裝，可以實現(xiàn)對家中的濕度、溫度、空氣質(zhì)量等各數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測控制并傳輸?shù)皆品?wù)器形成大數(shù)據(jù)，用戶通過實時監(jiān)測、跟蹤研究對象在互聯(lián)網(wǎng)上產(chǎn)生的海量行為數(shù)據(jù)，利用挖掘分析，揭示出規(guī)律性的內(nèi)容實質(zhì)，提出研究結(jié)論和對策。不僅如此，在主人允許時，也可以經(jīng)由數(shù)據(jù)分析根據(jù)不同人群在家居設(shè)置上想要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)值通過傳感器檢測后將可自動轉(zhuǎn)換變溫、除濕、改善空氣質(zhì)量、改變室內(nèi)光線等操作。本文中，研究系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1所示。

MCU是智能家居核心，是智能家居控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)+下的智能家居的研究與設(shè)計可整體氛圍如下3個步驟：

1）安裝在家庭內(nèi)部的各個傳感器開始收集數(shù)據(jù)，搜集獲取的室內(nèi)溫濕度變化、空氣質(zhì)量等情況通過無線技術(shù)連接至云端并傳入云端服務(wù)器。

2）家用電器設(shè)備各分項傳送至云端后，再推送到用戶的智能終端上，使用手機遠(yuǎn)程控制家用電器的運行情況。即根據(jù)各個傳感器接收的傳感信號，由此觸發(fā)預(yù)設(shè)控制命令或者經(jīng)過用戶手動操縱對應(yīng)的智能設(shè)備來觸發(fā)或收回控制命令。

3）對于紅外線家電的控制，將控制信號通過紅外線輸入模塊轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的紅外指令，也可達(dá)到預(yù)設(shè)效果。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

智能家居遠(yuǎn)程控制包括： DHT11溫濕度檢測模塊、EMW3162 wifi無線通信模塊、智能空氣質(zhì)量檢測模塊TPM-300E、單片機STM32 F103、可變色led?？蓪崿F(xiàn)的主要設(shè)計功能有：

1）遠(yuǎn)程手機控制。用戶根據(jù)需要發(fā)送具體控制指令。

2）無線通信模塊。近距離通信，為分模塊與主模塊提供互動聯(lián)系，主模塊則綜合處理分模塊通過無線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3）無線紅外。控制家居系統(tǒng)狀態(tài)或設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。

4）溫濕度模塊、空氣檢測模塊。可以實時了解家中狀況，便于指定是否修改的命令決策。

5） 單片機STM32 F103。作為主控芯片，高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計，編程導(dǎo)入后可獲得所需功能的控制設(shè)計。

6）可變色led。每盞燈都與智能系統(tǒng)互聯(lián)，利用針對性的動態(tài)光，營造氛圍，并生成設(shè)計所需的最佳照明。

智能家居的設(shè)計過程中，主要由核心控制器、Android studio語言編寫的app軟件、SQlite輕型數(shù)據(jù)庫構(gòu)造交接、并協(xié)同組成。智能家居系統(tǒng)的體系架構(gòu)示意如圖2所示。

1.3實現(xiàn)智能家居操作模式

智能家居系統(tǒng)的核心重點在于通訊機制，包含抓取、分析、執(zhí)行、反饋等4個步驟。手機終端、無線模塊、MCU和云端的通訊機制可詳述如下：

手機終端與wifi模塊以UDP、TCP協(xié)議達(dá)成互通模式，以串口通信協(xié)議與MCU相通，而手機終端與wifi模塊均以sub、pub協(xié)議與云端相連。首先，給定設(shè)備聯(lián)網(wǎng)配置，用戶將觸發(fā)傳感模塊進(jìn)入無線模式，再手動切換至系統(tǒng)設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)界面配置到同一wifi下，此時用戶向手機輸入wifi網(wǎng)絡(luò)的身份驗證，手機會自動向模塊發(fā)送驗證信息作為入網(wǎng)配置，模塊成功回應(yīng)后手機會提示用戶配置成功。配置過程后模塊即會向手機自行發(fā)送數(shù)據(jù)幀，更新用戶手機內(nèi)設(shè)備列表，成為用戶選擇是否支配設(shè)備的依據(jù)。其次，簽訂安全控制協(xié)議，設(shè)備和用戶應(yīng)分別注冊并綁定關(guān)聯(lián)，用戶在設(shè)備中會發(fā)現(xiàn)可用控制界面且觸發(fā)模塊，在一定時間內(nèi)可獲取密保綁定手機，手機、模塊會自動進(jìn)行密保的獲取和回復(fù)，手機收到響應(yīng)后會向云端發(fā)送綁定手機用戶的請求，云端則將操作結(jié)果返回用戶。若用戶對空調(diào)進(jìn)行控制，手機會與溫濕度模塊建立TCP連接，并同時發(fā)送登錄指令，只有模塊回復(fù)結(jié)果后手機端才會進(jìn)入控制界面。

2 智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵部分設(shè)計

2.1數(shù)據(jù)信息傳輸

智能家居系統(tǒng)主要是通過互聯(lián)網(wǎng)對傳感器采集到房間內(nèi)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將重要指定的信號轉(zhuǎn)換成電信號，再利用A/D單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入MCU采集分析，其結(jié)果數(shù)據(jù)則與每個用戶配置的不同的Product key 一起打包遠(yuǎn)傳至云端，云端就能根據(jù)匯集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)展開分析、處理和存儲，同時這些數(shù)據(jù)還可有效輔助設(shè)計智能響應(yīng)與決策，云端會根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)實時改變室內(nèi)溫濕度變化，并調(diào)整光照的強弱，從而調(diào)試出適合用戶的工作光線；而且，設(shè)置一鍵智能后，若空調(diào)使用時間過長導(dǎo)致室內(nèi)干燥將可自動調(diào)節(jié)適宜的濕度，用戶手動調(diào)整溫濕度的數(shù)據(jù)也存入云端，用于日后的智能化調(diào)整。

2.2遠(yuǎn)程控制設(shè)計

遠(yuǎn)程控制功能是在用戶允許下，向主模塊發(fā)送指令控制或監(jiān)測智能家居開啟或關(guān)閉變溫、除濕、改變光照強度等各種功能。也可以按照配置的標(biāo)準(zhǔn)定制改變運行狀態(tài)。設(shè)計過程將重點圍繞命令發(fā)射系統(tǒng)和命令執(zhí)行系統(tǒng)而展開。命令發(fā)射基本是以傳感器作為技術(shù)主題，傳感器在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，傳感器傳遞給單片機或傳送至云平臺，平臺則根據(jù)用戶的設(shè)置條件自動觸發(fā)控制。單片機可對數(shù)據(jù)開啟實時監(jiān)控，而當(dāng)其智能控制時就可以利用不同的燈光顏色而選擇不同操作判斷，使操作人員可以優(yōu)勢速度及時了解受控的信息。為了符合智能化要求，系統(tǒng)采用STM32F1作為中央處理器，手機控制端與主控系統(tǒng)由EMW3162 wifi無線通信模塊在wifi模式下連接在一起，實現(xiàn)互動控制以及數(shù)據(jù)傳遞，從而整合發(fā)展為用戶和主控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。在家居內(nèi)部，通過繼電器可建立家居與單片機的聯(lián)系，以便用戶控制電氣設(shè)備。本系統(tǒng)內(nèi)部還需要對各設(shè)備的紅外遙控信號進(jìn)行識別、儲存、還原和控制。通常，遙控編碼脈沖信號即由不同脈寬的高低電平組成，可標(biāo)志脈沖的開始，并且其高低電平將呈現(xiàn)不斷交替變化，可通過單片機的定時器測量脈沖寬度，進(jìn)行儲存或還原實現(xiàn)紅外線功能。

手機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是在系統(tǒng)中自動運行調(diào)節(jié)，因而具有自動離線、上線、復(fù)位功能，也就是命令執(zhí)行系統(tǒng)。命令執(zhí)行有2種運行狀態(tài)，即內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)。MCU中無線wifi模塊同時還加入了收發(fā)功能，在互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，手機終端可利用4G或wifi接收數(shù)據(jù)，并傳入到云端，完成數(shù)據(jù)傳輸過程。若處于無網(wǎng)狀態(tài)，wifi模塊將會自立為熱點，搭建內(nèi)網(wǎng)與系統(tǒng)內(nèi)部相連接。

2.3系統(tǒng)實現(xiàn)

在Andriod studio集成開發(fā)環(huán)境下使用Java語言來編寫制作APP軟件，用戶可以在APP上注冊賬戶，添加設(shè)備。因為本次設(shè)計目標(biāo)是嵌入式的，而SQLite在嵌入式設(shè)備中占用的資源非常低，即使得所有的用戶賬號信息、家居系統(tǒng)使用記錄都將存放在SQLite這個輕型數(shù)據(jù)庫中。硬件研究方面，先是規(guī)劃改進(jìn)控制家居系統(tǒng)的遙控器，為此選用帶有以太網(wǎng)模塊的STM32單片機作為核心控制器，用來接收移動通信終端發(fā)送的一切請求。安裝在wifi無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下STM32接收到控制命令后，將通過芯片輸出1（高電平）0（低電平）來控制引腳，不同的引腳則會連接到家居系統(tǒng)的不同家電遙控器的按鍵上，從而提供一對一的控制。然后遙控器通過物理方法控制家居開關(guān)，選擇模式，調(diào)制溫度升降等等功能。當(dāng)然，隨著科技進(jìn)步，還可以直接將STM32嵌入到家居系統(tǒng)中，通過遠(yuǎn)程移動通信終端直接對處在wifi無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的家電本身發(fā)出遠(yuǎn)程指令，此時，移動通信終端將可以完全取代遙控器，并且能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。程序流程如圖3所示。

3 結(jié)束語

信息時代，智能家居可使家庭生活飛速邁入智能化，不論身處何地都能實時監(jiān)控家中情況并提供個性化調(diào)整，不僅給人們帶來了極大的便利，更是對生活品質(zhì)的有效改良與提升。本文由整體到局部詳細(xì)而具體地對系統(tǒng)設(shè)計展開分析，完善了智能家居的遠(yuǎn)程控制。本文研究曾國不僅改變了傳統(tǒng)家居監(jiān)控分離的狀況，而且將大幅推動智能家居的功能質(zhì)量升級步伐，并在一定程度上產(chǎn)生可觀經(jīng)濟效益。

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