基于WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張凱達 趙延明 陳建勛

摘要：針對目前許多家庭的需求，深入分析無線通信的通信機制，比較各類通信方式的特點。系統(tǒng)采用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)組建智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，利用本地遙控器或遠程智能手機對室內(nèi)空調(diào)、窗戶窗簾、防盜探測器、有害氣體檢測器、視頻監(jiān)視器進行控制，對家庭燃?xì)鉂舛取熿F濃度及室內(nèi)溫度等進行實時監(jiān)測，并根據(jù)檢測結(jié)果采取自動開窗、智能通風(fēng)、打開防火設(shè)備等應(yīng)急處理措施，還可以在戶主外出期間通過視頻監(jiān)視器對家庭進行實時監(jiān)控，在家庭出現(xiàn)非法闖入者時實現(xiàn)自動報警，對實時狀況進行錄像以及對闖入者進行抓拍，從而為將來破案提供資料。

關(guān)鍵詞：WiFi；智能控制；智能家居；遠程監(jiān)控；報警系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.181360

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）010-0133-04

英文摘要Abstract：According to the needs of many families at present，the paper analyzes the communication mechanism of wireless communication and compares the characteristics of various communication methods.The system uses WiFi wireless network to set up intelligent home monitoring system.It uses local remote control or remote smart phone for indoor air conditioning，Anti-theft detectors，harmful gas detectors，video monitor，and monitor the home gas concentration，smoke concentration，indoor temperature etc. in real-time，and corresponding are take，such as opening window automatically，intelligent ventilation，switching on fire protection equipement，monitoring the house when no one is present through the video monitors，when the illegal intruder occurs in the house alarming automatically alarm，photographing the house real-time conditions and capturing videos of intruders，providing information for future cases.

英文關(guān)鍵詞Key Words：WiFi；intelligent control；intelligent home；remote monitoring；alarm system

0 引言

隨著社會的發(fā)展與經(jīng)濟水平的提高，科技不斷改變著人們的生活方式。對于家居生活而言，人們對家居智能化、舒適性與便捷性的要求越來越高。因此，智能家居應(yīng)運而生。傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)通過將綜合布線技術(shù)、設(shè)備自動化控制技術(shù)及智能安防技術(shù)相結(jié)合，形成一個可對家居電器進行智能化控制的便捷的管理系統(tǒng)[1]。目前，傳統(tǒng)的家居電器控制一般采取有線方式進行控制及相互通信，但有線控制方式具有以下缺點：①布線成本高；②安全隱患多；③可擴展性差。據(jù)公安部消防局網(wǎng)站公布的《2016年消防年鑒》數(shù)據(jù)顯示，2016年全國共發(fā)生電氣火災(zāi)31.2萬起，其中94 848起電氣火災(zāi)的直接起火原因為電氣線路故障，造成直接經(jīng)濟損失高達11.308 8億元[2]。由此可見，由電線老化造成的經(jīng)濟損失是十分巨大的。

隨著嵌入式技術(shù)及短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)取得了長足進步。目前市面上常見的智能家居系統(tǒng)有基于紅外、ZigBee與藍牙的系統(tǒng)。如李偉[3]以Eson A01藍牙模塊為通信基礎(chǔ)實現(xiàn)了藍牙通信；朱凱[4]采用ATmega8L作為處理器進行紅外控制，實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)；黃濤[5]采用MT8880與MCP2120實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)；李成大等[6]提出基于ZigBee無線通信技術(shù)，實現(xiàn)短距離控制家居電器的目的；趙奎兵、段富海[7]提出將ZigBee技術(shù)與語音識別技術(shù)相結(jié)合的方法，通過語音控制家居電器。

相關(guān)研究在一定程度上解決了有線網(wǎng)絡(luò)面臨的問題，但仍然存在不少缺陷：使用紅外系統(tǒng)會由于距離、障礙物等因素導(dǎo)致其在信號傳遞上受到干擾；使用藍牙系統(tǒng)通訊速率較低，而成本過高；使用Zigbee系統(tǒng)成本較高，通信距離短，且穿透性不強。

由于WiFi無線電波具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、無需布線且健康安全等優(yōu)點，本文提出一種基于WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，以改善傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的缺點，在方便安裝維護的同時，更可避免因線路老化漏電而引起災(zāi)害或能源浪費，以及避免因煤氣泄漏或家具及裝修材料中散發(fā)出有毒氣體而導(dǎo)致的意外事故發(fā)生，同時對家庭環(huán)境進行實時監(jiān)控，在保障生命財產(chǎn)安全等方面具有重要意義。

1 總體方案設(shè)計

針對目前智能家居監(jiān)控系統(tǒng)在通信方式、數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)控模式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴牟蛔悖疚奶岢鲆环N基于WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，總體方案如圖1所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由服務(wù)器、無線路由器（網(wǎng)關(guān)）、開關(guān)控制器、電機控制器/溫濕度檢測器、防盜探測器、有害氣體檢測器、視頻監(jiān)視器、遙控器、智能手機構(gòu)成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文硬件系統(tǒng)框架如圖2所示，包括：開關(guān)控制器、電機控制器、防盜探測器、有害氣體檢測器。4個終端模塊在功能上具有相同特點：數(shù)據(jù)量小、功能簡單、對數(shù)據(jù)傳輸速度要求低。因此，4個終端模塊直接采用ESP8266 WiFi模塊作為模塊控制器。

圖像監(jiān)視器與開關(guān)控制器、電機控制器、防盜探測器、有害氣體檢測器4個終端模塊不同，其采用MCU+WiFi模塊的設(shè)計方案。MCU采用STM32F103系統(tǒng)，由于ESP8266性能較差，不能很好地滿足圖像監(jiān)視器對WiFi模塊性能需求，因此圖像監(jiān)視器采用USR-C322高性能串口WiFi模塊。

開關(guān)控制器包括窗簾、燈具開關(guān)等，選用一個直流5V驅(qū)動的繼電器，通過控制GPIO口的高低電平實現(xiàn)繼電器通斷，進而控制開關(guān)狀態(tài)；電機控制器上還搭載了溫濕度傳感器與光照強度檢測器，溫濕度傳感器采用一個AM2320電容式溫濕度傳感器，該傳感器是一款溫濕度復(fù)合型傳感器，溫度數(shù)據(jù)可精確到0.1℃，濕度數(shù)據(jù)精確到0.1%RH。光照強度檢測器采用一個10KΩ光敏電阻與其它元件組成分壓電路，采用ESP8266內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換電壓；有害氣體檢測器上搭載的有害氣體傳感器選用MQ-2型煙霧傳感器，通過傳感器的電導(dǎo)率變化捕捉煙霧狀態(tài)；電源模塊采用Micro USB接口供電，該接口輸入電壓為5V，通過USB接口接入電路，為系統(tǒng)供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 硬件程序設(shè)計

開關(guān)控制器、電機控制器、防盜探測器、有害氣體檢測器采用NodeMCU開發(fā)方式，主要操作包括設(shè)置ESP8266工作在Station模式、設(shè)置目標(biāo)WiFi接入點的SSID（服務(wù)集標(biāo)識）與密碼、連接WiFi、等待連接WiFi完成。NodeMCU初始化程序流程如圖3所示。

電機控制器的功能較為復(fù)雜，全部功能可分為兩類：數(shù)據(jù)上傳、按照指令控制電機。電機控制器數(shù)據(jù)種類有4種：溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、光照強度數(shù)據(jù)與電機角度數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)都來自于AM2320溫濕度傳感器。NodeMCU固件提供了AM2320溫濕度傳感器的API，只需要兩行代碼即可完成AM2320數(shù)據(jù)讀取，具體代碼如下：

am2320.init（6，7） --初始化AM2320

rh，t=am2320.read（） --讀取AM2320傳感器數(shù)據(jù)

光照強度檢測NodeMCU提供了非常簡單的用于讀取ADC轉(zhuǎn)換值的API，只需一行代碼即可讀出數(shù)據(jù)，具體代碼如下：

li=adc.read（0） --讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果

電機控制的實現(xiàn)較為復(fù)雜。ESP8266輸出一路頻率為1KHz的PWM波，STM32F030利用TIM14的CH1的捕獲模式。獲得高電平時間，計算出高電平占一個周期的時間比，并根據(jù)占空比控制無線四相步進電機旋轉(zhuǎn)到指定角度。無線四相步進電機的控制命令用0～99之間的一個整數(shù)表示電機旋轉(zhuǎn)角度。PWM波占空比與該整數(shù)n的對應(yīng)關(guān)系如下：

占空比= （n×6+200）/102 4（1）

電機控制器程序流程如圖4所示。

防盜探測器將讀取紅外對射探測器信號的GPIO口設(shè)置為中斷觸發(fā)模式。一旦紅外對射探測器光路被遮擋，信號發(fā)生跳變，中斷會立即觸發(fā)，調(diào)用處理外部中斷信息的回調(diào)函數(shù)，立即上傳數(shù)據(jù)。程序流程如圖5所示。

有害氣體檢測器定時向服務(wù)器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，MQ-2氣體傳感器輸出一個范圍為0～4V的模擬電壓信號，ESP8266通過一路ADC將分壓電路分壓后的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并上傳數(shù)據(jù)。程序流程如圖6所示。

圖像監(jiān)視器啟動后，USR-C322WiFi模塊將自主完成連接指定WiFi的操作，并自動與指定服務(wù)器建立連接。單片機等待WiFi模塊完成自動連接操作，首先發(fā)送一個注冊數(shù)據(jù)幀。該數(shù)據(jù)幀通過WiFi模塊，經(jīng)過無線路由器被服務(wù)器接收，服務(wù)器根據(jù)該數(shù)據(jù)幀確認(rèn)圖像監(jiān)視器的設(shè)備身份。服務(wù)器發(fā)送的操作指令通過無線路由器、WiFi模塊被單片機接收，單片機對比指令并執(zhí)行對應(yīng)操作。程序流程如圖7所示。

開關(guān)控制器中，每隔10s軟件定時器調(diào)用其回調(diào)函數(shù)，查詢繼電器狀態(tài)相關(guān)標(biāo)識位，并按照通信協(xié)議將繼電器開關(guān)狀態(tài)發(fā)送給服務(wù)器?？刂浦噶畹慕邮胀ㄟ^NodeMCU固件中net類提供的數(shù)據(jù)接收方法實現(xiàn)，接收到的數(shù)據(jù)傳入該方法的回調(diào)函數(shù)。數(shù)據(jù)處理首先進行的是數(shù)據(jù)格式檢查，根據(jù)通信協(xié)議的規(guī)定檢查原始數(shù)據(jù)，排除錯誤信息，提取有效指令，并根據(jù)指令信息對繼電器進行開關(guān)操作。程序流程如圖8所示。

3.2 手機客戶端APP

智能終端APP包括3個頁面：登錄界面、顯示界面、實時圖片顯示頁面，如圖9所示。APP中的登錄界面主要用于用戶登錄；顯示界面是登錄系統(tǒng)后出現(xiàn)的界面，如圖10所示，主要用于顯示包括繼電器狀態(tài)、電機狀態(tài)、光照強度、溫濕度數(shù)據(jù)、防盜狀態(tài)、紅外對射狀態(tài)、氣體數(shù)據(jù)等信息，使用戶可以實時看到家中狀況；實時圖片顯示頁面只在按鍵獲取到實時圖片之后出現(xiàn)。

4 結(jié)語

本文提出一種基于WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)家居電器開關(guān)控制、室內(nèi)空調(diào)遙控、窗簾開關(guān)控制、防盜報警、有害氣體實時監(jiān)控與報警、空氣凈化器自動啟動、視頻動態(tài)監(jiān)視、照片抓拍、開關(guān)故障自診斷、本地與遠程監(jiān)控等功能，克服了傳統(tǒng)家居電器控制的埋線繁瑣、安全隱患多、可擴展性差的缺點，在方便安裝維護的同時，更可避免因線路老化漏電引起的災(zāi)害與能源浪費，以及因煤氣泄漏或家具及裝修材料中散發(fā)出有毒氣體而導(dǎo)致的意外事故發(fā)生，確保生命財產(chǎn)安全，營造一個安全、舒適、方便與高效的生活環(huán)境。該報警系統(tǒng)成本低、使用方便，可以廣泛應(yīng)用于家庭、住宅小區(qū)等。

參考文獻：

[1] SHERMAN M，JOSEPH P A.Smart home technologies[J].nclusive Housing in an Ageing Society，2001（3）：30-1055.

[2] 2016全國火災(zāi)情況分析[EB/OL].[2016-06-05].http：//www.119.gov.cn/xiaofang/nbnj/34601.html/.

[3] 李偉.基于藍牙通訊的智能家居紅外控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電氣傳動自動化，2011，33（2）：38-41.

[4] 朱凱.基于ATmega16L的智能照明系統(tǒng)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[5] 黃濤，褚淑杰.基于紅外通信的智能家居系統(tǒng)[J].微計算機信息，2005，21（1）：140-142.

[6] 李成大，張京，倪繼烈.基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].電訊技術(shù)，2007，47（5）：63-66.

[7] 趙奎兵，段富海.基于ZigBee節(jié)點的智能家居系統(tǒng)語音控制設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（20）：5-8.

[8] 蔣春利，李政林，羅文廣，等.智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化儀表，2017，38（11）：13-16，21.

[9] 楊彬彬.智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及軟件實現(xiàn)[D].濟南：山東大學(xué)，2008.

[10] 孫會民.基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊，2016，15（9）：97-99.

[11] 湖南科技大學(xué).基于WiFi無線通信的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)[P].CN201620245546.8，2016-10-05.

[12] 薛禮，陳利.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2016，15（1）：112-113.

[13] 倪偉，張粵.智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報，2009，18（5）：48-53.

[14] 劉艷艷.基于嵌入式的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子世界，2017（24）：112-113.

[15] 何文超，郭盼，王國健.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].科技資訊，2017，15（19）：1，3.

（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>