基于WiFi的智能家居中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

引 言

智能家居[1]在具備傳統(tǒng)家居舒適、安全等特點(diǎn)的同時(shí)，還將家居環(huán)境變得更加智能化、人性化，可以實(shí)時(shí)地提供全方位的信息，便于家庭與外部保持信息交流，增強(qiáng)家居生活的安全性、舒適性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、實(shí)時(shí)監(jiān)測、合理控制各種能源的使用，從而優(yōu)化人們的生活方式，改善人們的生活條件。隨著社會(huì)信息化的不斷發(fā)展，人們的生活、工作、通信之間的關(guān)系變得日益密切[2-4]。

目前在智能家居市場上，大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)依然采用控制主機(jī)的方式。國內(nèi)的智能家居行業(yè)開始在全I(xiàn)P技術(shù)上做進(jìn)一步的研究，并且開發(fā)了功能更全面的智能家居系統(tǒng)[8-11]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用STM32F103作為核心處理器，對(duì)室內(nèi)環(huán)境各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以及通過WiFi模塊向終端設(shè)備發(fā)出命令執(zhí)行一系列的操作；外設(shè)電路包括電源電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、JTAG調(diào)試電路、復(fù)位電路等；數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、PM2.5、CO2濃度、光照、聲音、煤氣等室內(nèi)環(huán)境因子的采集；視頻采集端實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的安防功能；語音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)了用戶通過語音指令即可完成對(duì)室內(nèi)終端設(shè)備的操控功能[12]；執(zhí)行設(shè)備終端主要包括空調(diào)、電視機(jī)、電腦、燈、冰箱、窗簾、門等；溫濕度模糊控制器主要處理室內(nèi)空氣溫濕度，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)用4路繼電器自動(dòng)控制室內(nèi)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行升溫、降溫、加濕、除濕等操作；遠(yuǎn)程監(jiān)測端基于Android操作系統(tǒng)搭建客戶端，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境是否處于一個(gè)安全的狀態(tài)，出現(xiàn)問題時(shí)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控[13]。智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

圖3 HLK-RM04模塊電路圖設(shè)計(jì)

STM32F103片內(nèi)外設(shè)資源豐富，存儲(chǔ)容量較大，用戶開發(fā)環(huán)境較好；內(nèi)核是32位的ARM Cortex-M3控制器，片內(nèi)外資源豐富，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置大容量高速嵌入式存儲(chǔ)器，很輕易地容納智能家居系統(tǒng)所需要的空間；擁有2個(gè)I2C總線接口、2個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器、10個(gè)三通用16位定時(shí)器、1個(gè)PWM定時(shí)器、9個(gè)通信接口；1個(gè)WiFi WLAN無線寬帶網(wǎng)絡(luò)通信接口，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到1 μs。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)需要采集大量的外部數(shù)據(jù)，比如空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等，需要數(shù)據(jù)采集接口負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集接口為RS485信號(hào)類型。RS485采用差分信號(hào)邏輯，遵循MODBUS協(xié)議，實(shí)施簡單方便，支持的傳感器多，滿足了本設(shè)計(jì)的要求。RS485采集接口電路如圖2所示，UART2連接——MAX485芯片組成RS485接口，采用線控方式進(jìn)行控制。

圖2 RS485采集接口電路圖

2.3 PM2.5傳感器

本系統(tǒng)采用夏普公司推出的光學(xué)灰塵濃度檢測傳感器GP2Y1010AU0F。其技術(shù)參數(shù)如下：工作電壓為4.5～5.5 V；工作電流為10 mA；工作電流為最大20 mA；工作溫度為-10～65 ℃。

2.4 無線通信模塊

采用海凌科公司開發(fā)的HLK-RM04模塊作為WiFi無線通信模塊[14]。該模塊基于802.11n/g/b無線標(biāo)準(zhǔn)，無線傳輸速率最高可達(dá)150 Mbps；模塊支持WEP、WPA/WPA2安全加密機(jī)制，支持無線安全功能開關(guān)，支持AP/Router工作模式；支持WiFi協(xié)議、TCP/IP協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)接口之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置；模塊內(nèi)集成串口轉(zhuǎn)無線TCP/UDP傳輸功能，最大連接數(shù)超過20個(gè)；在網(wǎng)絡(luò)管理方面可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程Web管理；增加3個(gè)0603封裝的LED指示燈顯示電源(POWER)、WLAN、WiFi三者的工作狀態(tài)。WiFi模塊電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.5 視頻采集模塊

安防是智能家居系統(tǒng)最重要的功能之一，確保用戶在外出時(shí)室內(nèi)安全，遭到不明入侵時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警并處理。傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)控容易遭到不良人員的損壞，而且用戶只能回到家調(diào)取視頻監(jiān)控錄像，不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題并解決。本文結(jié)合WiFi技術(shù)設(shè)計(jì)了一款可遠(yuǎn)程登錄、實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)，可提高智能家居系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

本系統(tǒng)采用具有圖像采集和處理功能的OV2640攝像頭完成室內(nèi)的采集工作[15]。

OV2640攝像頭體積小、工作電壓低、兼容I2C總線接口，即使在低照度的環(huán)境下仍能保持高靈敏度。數(shù)據(jù)輸出方式設(shè)置為多種格式的圖片，在保證圖像質(zhì)量的前提下，減小對(duì)網(wǎng)絡(luò)寬帶的占用。OV2640通過SCCB總線接口和STM32F103微控制器連接通信。OV2640攝像頭需要2.8 V及1.3 V兩個(gè)供電電壓，在本設(shè)計(jì)中，選用RT9193-2.8電源芯片和XC6219B132MR電源芯片分別提供2.8 V和1.3 V電壓。設(shè)計(jì)的OV2640攝像頭電路及其外圍電路如圖4所示。

圖4 OV2640攝像頭電路設(shè)計(jì)

2.6 語音識(shí)別模塊

為了提高語音模塊的靈敏度，設(shè)計(jì)了相關(guān)的輔助電路。喇叭音量外部控制電路如圖5所示，R6和R2的阻值分別為33 kΩ、15 kΩ，聲音被放大了2倍，若想實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)音量，可以將R6設(shè)計(jì)成滑動(dòng)變阻器。本文設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)偏置輔助電路如圖6所示，其中引腳12是麥克風(fēng)偏置，為了確保給麥克風(fēng)輸入一個(gè)浮動(dòng)的電壓,需要接一個(gè)RC電路。

圖5 喇叭音量外部控制電路設(shè)計(jì)

圖6 麥克風(fēng)偏置輔助電路設(shè)計(jì)

2.7 繼電器模塊

采用SLA-12VDC-SL型6腳轉(zhuǎn)換型繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)終端設(shè)備的控制[16]。如圖7所示，通過P12接口使用跳線帽來實(shí)現(xiàn)常開和常閉的轉(zhuǎn)換。用跳線帽連接P12中2、3引腳實(shí)現(xiàn)常開，通過PE10引腳給出高電平，三極管Q16導(dǎo)通，繼電器磁鐵吸合，使得繼電器輸入RLY1_IN與RLY1_OUT導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)供電，通過PE10引腳給出低電平來實(shí)現(xiàn)斷電。

圖7 繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)主要是對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測以及自我調(diào)節(jié)，對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行智能化控制。軟件設(shè)計(jì)方案包括WiFi無線通信模塊、視頻采集模塊、語音識(shí)別模塊、繼電器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、模糊控制算法模塊、遠(yuǎn)程客戶端的軟件設(shè)計(jì)[17]。

系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程為：系統(tǒng)進(jìn)行上電初始化，包括時(shí)鐘初始化、輸入/輸出端口初始化、子模塊初始化。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊開始工作并顯示采集到的部分信息，中央處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)部分如溫濕度等對(duì)室內(nèi)環(huán)境影響較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊控制算法分析，與室內(nèi)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，輸出控制指令，完成對(duì)室內(nèi)終端設(shè)備的相應(yīng)操作?？傮w軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。

3.2 WiFi模塊軟件設(shè)計(jì)

為了減少電量的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在WiFi模塊沒有信號(hào)需要發(fā)送時(shí)，設(shè)置其進(jìn)入休眠狀態(tài)，使其節(jié)能環(huán)保，優(yōu)化智能家居系統(tǒng)。當(dāng)控制器發(fā)來信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)處于休眠狀態(tài)的WiFi模塊開啟接收指令，WiFi模塊將接收到的指令發(fā)送到終端設(shè)備端口，通過終端設(shè)備上的節(jié)點(diǎn)完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作。設(shè)備端工作流程如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

圖9 設(shè)備端工作流程圖

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)方便，本文所采用的傳感器均使用RS485總線通信。軟件設(shè)計(jì)開始初始化，然后主控制器給傳感器配置參數(shù)，包括傳感器地址、存儲(chǔ)地址等。傳感器一直等待主機(jī)幀發(fā)送過來，有幀發(fā)送至傳感器時(shí)，傳感器首先查看地址是否正確。若地址不正確，則丟棄此幀重新等待主機(jī)幀的到來；地址正確，則傳感器接收主機(jī)幀進(jìn)行CRC16校驗(yàn)，查看數(shù)據(jù)是否正確，數(shù)據(jù)不正確則丟棄此幀數(shù)據(jù)，校驗(yàn)正確則查看功能碼判斷進(jìn)行哪種命令操作。當(dāng)設(shè)置傳感器地址時(shí)則重設(shè)地址值，當(dāng)查詢傳感器采集數(shù)據(jù)值時(shí)則根據(jù)數(shù)據(jù)流中寄存器長度要求采集傳感器數(shù)據(jù)。之后將重設(shè)地址，或?qū)?shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)流中將返回幀發(fā)送回去，若都不是則丟棄此幀重新等待主機(jī)幀。

3.4 視頻采集模塊軟件設(shè)計(jì)

視頻采集模塊的軟件設(shè)計(jì)流程首先是OV2640模塊、WiFi模塊的初始化以及TCP協(xié)議棧的初始化，OV2640模塊獲得圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，調(diào)用TCP協(xié)議棧接口，WiFi模塊的路由功能以TCP客戶端方式連接服務(wù)器。軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖10所示。

服務(wù)器將視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成JPEG圖片，在PictureBox控件上實(shí)時(shí)更新顯示，形成視頻，通過手機(jī)客戶端登錄服務(wù)器實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。

圖10 視頻采集流程圖

3.5 語音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

該模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括：主控板程序和語音識(shí)別程序，其核心就是實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別程序設(shè)計(jì)。本軟件設(shè)計(jì)中采用中斷方式，首先是系統(tǒng)程序的初始化，包括通用初始化、語音識(shí)別初始化，主要完成芯片軟復(fù)位、模式設(shè)定、時(shí)鐘頻率等相關(guān)操作；其次是識(shí)別寫入，主要完成對(duì)寄存器的設(shè)置。最后是響應(yīng)中斷，當(dāng)麥克風(fēng)采集到聲音就會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，中斷程序根據(jù)寄存器的值進(jìn)行分析結(jié)果(BA寄存器的值為候選識(shí)別個(gè)數(shù)，C5寄存器的值為識(shí)別出的最佳結(jié)果)。語音識(shí)別主程序流程如圖11所示。

圖11 語音識(shí)別主程序流程圖

3.6 繼電器模塊軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)涉及對(duì)終端設(shè)備啟停的控制，使用繼電器完成對(duì)終端設(shè)備的開啟與關(guān)閉功能。繼電器控制方式包括兩種：一種是人工控制，是在用戶主觀意愿下對(duì)家電啟停做出的操作；另一種是控制器對(duì)室內(nèi)環(huán)境的智能調(diào)節(jié)發(fā)出的指令操作。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)“開”和“關(guān)”的邏輯，為了提高程序的通用性，便于開發(fā)人員進(jìn)行后期修改，采用宏定義替代簡單的函數(shù)。將高電平定義為繼電器開，低電平定義為繼電器關(guān)，繼電器工作流程圖如圖12所示。

圖12 繼電器工作流程圖

3.7 客戶端界面設(shè)計(jì)

移動(dòng)端界面是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的主要方式。從用戶界面出發(fā)，用直觀的、簡易性的功能以及監(jiān)測界面加以展現(xiàn)。界面采用身份驗(yàn)證的方式，需要輸入用戶名和密碼才能登錄系統(tǒng)，軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖13所示。若用戶之前未注冊賬號(hào)，可以根據(jù)系統(tǒng)提示完成注冊，并返回主頁面進(jìn)行登錄。

13 客戶端登錄流程圖

用戶成功登錄后，客戶端會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)功能圖。功能界面主要分為4個(gè)板塊：環(huán)境監(jiān)測、能耗監(jiān)控、視頻監(jiān)控、功能設(shè)置后期維護(hù)及需求建議。其中，環(huán)境監(jiān)測板塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測；能耗監(jiān)控板塊可以查詢室內(nèi)家電設(shè)備所處的開啟狀態(tài)；視頻監(jiān)控可以實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)的安全狀況；功能設(shè)置板塊可以對(duì)客戶端的個(gè)性化界面調(diào)整。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果

4.1 測試方案

本系統(tǒng)的測試主要分為硬件部分和軟件部分，首先將各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)測試，在各個(gè)模塊功能穩(wěn)定的情況下再進(jìn)行總體測試，為了保證系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性，測試之前要考量各個(gè)模塊之間的兼容性。系統(tǒng)的硬件測試主要是電路的測試；軟件測試主要包括功能性按鍵、人機(jī)交互界面、WiFi無線模塊的通信功能。讓系統(tǒng)保持上電狀態(tài)，觀察系統(tǒng)長時(shí)間下的運(yùn)行狀態(tài)是否穩(wěn)定。通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境的模擬，對(duì)WiFi組網(wǎng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證WiFi網(wǎng)絡(luò)的可行性、可靠性及穩(wěn)定性。另外，對(duì)無線模塊可傳輸距離及丟包率進(jìn)行定性測試。最后完成對(duì)遠(yuǎn)程登錄、移動(dòng)端實(shí)時(shí)監(jiān)測等其他模塊的功能測試。進(jìn)行系統(tǒng)測試要用到如下幾個(gè)部分：WiFi無線傳輸模塊、主控制板、PC機(jī)、手機(jī)移動(dòng)端APP、TCP調(diào)試助手。

4.2 WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測試

用TCP調(diào)試助手對(duì)無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通道測試，用戶筆記本在無線網(wǎng)絡(luò)上連接到無線模塊之后，設(shè)置模式為UDP；設(shè)置遠(yuǎn)程主機(jī)為：192.168.1.107；本地端口設(shè)為8081，遠(yuǎn)程端口設(shè)為8088；點(diǎn)擊“開啟UDP”按鈕，顯示綠燈。數(shù)據(jù)通道打通，可以交互數(shù)據(jù)，為確保傳輸數(shù)據(jù)的完整性，平衡接收與發(fā)送兩端的“速率壓力”平衡，故采取TCP方式向WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

由于本系統(tǒng)的適用范圍僅限于室內(nèi)，所以測試的環(huán)境可以改變的條件也相對(duì)有限。對(duì)WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率的測試，可以將影響因素設(shè)置為無墻和有墻。測試平臺(tái)由WiFi模塊(終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))和兩臺(tái)PC機(jī)組成。

選取學(xué)校實(shí)驗(yàn)室作為測試地點(diǎn)，選取了具有代表性的6個(gè)值作為測試距離，得到的測試數(shù)據(jù)如表1、表2所列。

表1 實(shí)驗(yàn)室無障礙情況下的丟包率測試結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)室有障礙情況下的丟包率測試結(jié)果

從表1中的測試數(shù)據(jù)可以看出，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無障礙物的情況下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率在0.2%以下。從表2中可以看出，在實(shí)驗(yàn)室有障礙物的情況下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率雖然比無障礙有所增加，但仍能控制在0.4%以下。為了克服這種情況的發(fā)生，可以通過調(diào)整組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和改變節(jié)點(diǎn)方位的方法進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)利用軟件校驗(yàn)的方法降低丟包率。

4.3 語音模塊準(zhǔn)確度測試

對(duì)語音模塊功能的測試主要分為在安靜環(huán)境和嘈雜環(huán)境下進(jìn)行，考慮到男女音色的不同，所有測試環(huán)境分為以下4種：安靜環(huán)境下男性、安靜環(huán)境下女性、嘈雜環(huán)境下男性、嘈雜環(huán)境下女性。由于本設(shè)計(jì)主要針對(duì)室內(nèi)語音控制，所以不再做距離上的測試，故測試距離均選取5 m。分別記錄不同情況下識(shí)別指令的準(zhǔn)確率,如表3所列。

表3 語音識(shí)別準(zhǔn)確率測試結(jié)果

可以看出，本文設(shè)計(jì)的語音控制模塊的識(shí)別準(zhǔn)確率在安靜狀態(tài)下可達(dá)92%，滿足了用戶需求，嘈雜環(huán)境對(duì)語音識(shí)別的準(zhǔn)確率造成了一定的影響。

4.4 客戶端測試

在智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制并監(jiān)測測試中，主要測試遠(yuǎn)程是否登錄穩(wěn)定并能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)室內(nèi)家電設(shè)備進(jìn)行控制，監(jiān)測室內(nèi)能量功耗、溫濕度情況。在移動(dòng)端APP中，信息界面實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測智能家居的網(wǎng)絡(luò)連接情況、終端節(jié)點(diǎn)信息查詢、修改設(shè)置等功能，針對(duì)以上功能對(duì)智能家居系統(tǒng)人機(jī)交互界面進(jìn)行測試[18]。

結(jié) 語