智能家居云管家

桂林電子科技大學信息科技學院 陳永威 馮必慶 范春鵬 趙 雪 陳光磊

本文介紹了設計一個智能家居云管家讓它去幫助人們管理家中一切事物的智能設備，如:通過互聯(lián)網(wǎng)，對電視、音響、門禁、安防、監(jiān)控、照明、遠程家電控制、背景音樂等用電器統(tǒng)一管理，創(chuàng)造了高效、舒適、安全、便捷、環(huán)保的居住環(huán)境。

通過對市場上大多數(shù)智能家居產(chǎn)品的了解，發(fā)現(xiàn)市場上出售的產(chǎn)品都是通過改變對家居的控制方法達到所謂的“智能”，絕大部分這樣的工作還需要人去完成。所以智能家居云管家勵志為用戶解決家中“后顧之憂”，讓家居能在用戶出差或出游時代為打理家中的一切，包括室內(nèi)溫濕度控制，家電開關(guān)狀況等，也能在深夜熟睡時代替用戶看家護院，甚至為年老用戶自動提供適合老年人的家居環(huán)境，并能將溫濕度，紅外警報，煙霧警報，門窗狀態(tài)在第一時間通過云端發(fā)送到用戶的手機上。

引言：幾年前，“智能家居”還是一個遙不可及、純粹想象的概念。而如今，隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，數(shù)碼屋、抗菌開關(guān)、光化照明、智能開關(guān)、智能家居系統(tǒng)，這些日趨熟悉與親切的字眼，讓我們發(fā)現(xiàn)：智能家居新時代來臨了！國內(nèi)的華為、小米等廠商都加入了智能家居這個領域的爭奪，智能家居的市場百花齊放，令用戶眼花繚亂。各式各樣的APP充斥著用戶的手機，在眾多APP的切換中用戶苦不堪言。由此引發(fā)設想，設計一個超級終端，能管理家中所有的智能設備，令智能家居真正的褪繁從簡，引入陀螺儀傳感器實現(xiàn)姿態(tài)控制給用戶帶來前所未有的操作快感。

1 系統(tǒng)方案

1.1 主控選擇

在從成本，功耗，環(huán)境，性能等多方面考慮我們最終選取了STM32F103“增強型”系列。STM32F1系列屬于中低端32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，增強型系列時鐘頻率達到72MHz，工作溫度范圍：-40℃至+85℃，保證了在極端環(huán)境正常運行。由此選用該款芯片為主控。

1.2 通信協(xié)議選擇

由圖1-1可知ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡言之，ZigBee就是一種便宜，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。在發(fā)射功率為0dBm的情況下，藍牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能達到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到400米(TI CC2530不加功率放大)。所以ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術(shù)。因此通過該款Zigbee傳感器來完成我們對物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。

1.3 系統(tǒng)選擇

每個電子設備都擁有一個嵌入式系統(tǒng)來完成各個部分的任務。如圖1-2可知uC/OS-III(Micro C OS Three 微型的C 語言編寫操作系統(tǒng)第3版)是一個可升級的，可固化的，基于優(yōu)先級的實時內(nèi)核。它對任務的個數(shù)無限制。uC/OS-III 是一個第3 代的系統(tǒng)內(nèi)核，支持現(xiàn)代實時內(nèi)核所期待的大部分功能。例如資源管理，同步，任務間的通信等。然而，uC/OS-III 提供的特色功能在其它的實時內(nèi)核中是找不到的，比如說完備的運行時間測量性能，直接地發(fā)送信號或者消息到任務，任務可以同時等待多個內(nèi)核對象等。而且uC/OS-III最主要的目標是提供一流的實時內(nèi)核以適應更新很快的嵌入式產(chǎn)品。使用像uC/OS-III 那樣具有雄厚基礎和穩(wěn)定框架的商業(yè)實時內(nèi)核，能夠幫助設計師們處理日益復雜的嵌入式設計。

圖1-1 Zighee、Bluetooth、WiFi、傳輸標準對比

表1-2 主流嵌入式硬件支持對比

1.4 無線充電方案

電源充電部分我們采用當前最流行的無線充電技術(shù)，這種方式簡捷，方便，告別了原始線充帶來的種種障礙。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了各式各樣的無線充電模塊，我們只要設計出一個能將接收線圈轉(zhuǎn)換出來的電壓再進行充電的電路即可實現(xiàn)本功能，發(fā)射模塊原理圖如圖1-3所示。

圖1-3 無線充電發(fā)射原理圖

1.5 云端選擇

使用氦氪云來實現(xiàn)遠程距離的傳輸，氦氪云是屬于杭州氦氪科技，是做智能家居一體化解決方案的，可以理解成一站式。通俗點說氦氪就是幫助客戶解決產(chǎn)品改造的要求，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成本都很透明的，而氦氪云的優(yōu)勢就在于性價比。

1.6 外觀設計

如圖1-4所示外觀整體采用3打印技術(shù)制作，顏色為整潔的乳白色。尺寸設計符合人體工程學，長寬高分別為：6.5cm*6.5cm*6.5cm，適合一手操控。蜂鳴器以及麥克風位于機身左側(cè)，1.44寸TFT屏位于機身前端。

圖1-4 智能家居云管家外觀設計圖

1.7 整體方案

圖1-5為整體框架圖，通過Zigbee將家中所有可控設備經(jīng)傳感器，數(shù)據(jù)通過Zigbee發(fā)送至智能家居云管家中，我們的“管家”通過處理這些數(shù)據(jù)開啟相應的任務，對家庭進行管理。同時會將家中的狀況時時通過WIFI傳送至云端，云端再將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機APP，方便用戶查看。

同時用戶忙碌時也能通過語音模塊進行操作，或者通過姿態(tài)進行手動控制，而且在“管家”的底部還裝載了無線充電線圈，方便用戶隨時隨地的快捷充電。

圖1-5 整體框架圖

2 實現(xiàn)原理

2.1 硬件部分

2.1.1 主板電路實現(xiàn)

主板硬件款圖如圖2-1所示：主控STM32F103單片機的3個串口分別控制Zigbee，WIFI以及語音的通信，并且通過IO口模擬SPI通信協(xié)議對顯示屏操作，顯示對應的控制畫面，同時也是采用IO口模擬SPI通信協(xié)議對MPU-6050陀螺儀進行姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取。

對溫濕度的采集是通過IIC通信協(xié)議對DHT11溫濕度模塊獲取溫濕度的數(shù)據(jù)。

整體設計為模塊化可拆卸設計，方面調(diào)試與維護。

圖2-1 主板硬件款圖

2.1.2 無線充電的實現(xiàn)

采用標準電流的工作方式進行充電，依據(jù)法拉第的電生磁原理，在發(fā)射線圈部分設計了出一塊適合普通安卓線連接的電路結(jié)構(gòu)圖，使接收線圈與之感應。在接收線圈部分通過接收線圈和T3168芯片轉(zhuǎn)換出來的5V的額定電壓經(jīng)過升壓模塊將升到12V輸入到充電電路中，由于我們是給7.4v的鋰電池充電的，考慮到安全性方面我們采用的是一款工作電壓為12V～9V專門給鋰電池充電的SUN4004S功能芯片。

2.2 軟件部分

2.2.1 uC/OS-III的任務管理實現(xiàn)

圖2-2 任務的處理流程圖

任務的處理流程如圖2-2所示：在我們的智能家居云管家中，搭載ucosiii的最大好處就是提供多線程，在實時操作系統(tǒng)uCos里，多線程被稱為多任務(Task)。多任務并不是CPU能真正同時運行多個程序，實際是靠CPU在多個任務之間轉(zhuǎn)換切換實現(xiàn)的，CPU輪番的服務于一系列的任務，這樣CPU在宏觀上好像在同時執(zhí)行多個任務，實際在微觀上CPU絕對是“單任務”的。這里要注意區(qū)別多線程和多核，如果系統(tǒng)里是有多個CPU，則可以實現(xiàn)真正的多線程了。

在程序中我們構(gòu)建了四個任務，分別是：串口任務，用來管理MCU接收和發(fā)送三個串口。陀螺儀數(shù)據(jù)采集任務，用于實時獲取姿態(tài)信息。已經(jīng)主程序任務：用于實時顯示必要信息。最后還有個啟動任務的引導任務。經(jīng)過合理的調(diào)試保證了在上電狀態(tài)都至少有倆任務在線，保證最優(yōu)質(zhì)的服務。

2.2.2 安卓客戶端

當今社會是一個網(wǎng)絡化和信息化的社會，科技日漸發(fā)達，物質(zhì)生活日漸豐富，自然而然，社會競爭也日趨激烈。要在這樣的一個社會中及時獲得信息，正確并有效地分析。從目前獲得消息的各種渠道來分析，最為快捷方便的莫過于我們的智能手機了。它攜帶方便，能夠讓我們無論何時何地都能夠及時了解外界發(fā)生的一切。而Android系統(tǒng)又是所有智能操作系統(tǒng)中份額最大的，超過80%。它以開源免費的特色而深受廣大消費者和開發(fā)者的喜愛。無論是在國內(nèi)還是國外，一躍成為了份額最高的智能手機操作系統(tǒng)。研究它，了解它的各個組件使用原理是十分有意義的。

2.3 陀螺儀數(shù)據(jù)計算

陀螺儀芯片采用MPU6050，通過讀取陀螺儀芯片內(nèi)部寄存去獲取原始數(shù)據(jù)，再數(shù)字運動處理器，即DMP，并且，InvenSense提供了一個MPU6050的嵌入式運動驅(qū)動庫，結(jié)合MPU6050的DMP，可以將我們的原始數(shù)據(jù)，直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，而得到四元數(shù)之后，就可以很方便的計算出歐拉角，從而得到y(tǒng)aw、roll和pitch。使用內(nèi)置的DMP，可以大大簡化代碼設計，MCU不用進行姿態(tài)解算過程，大大降低了MCU的負擔，從而有更多的時間去處理其他事件，提高系統(tǒng)實時性。

在經(jīng)過多次的采樣數(shù)據(jù)計算出控制量與yaw、roll和pitch的關(guān)系。

表達式如下：

LED亮度：LED_degree = -yaw/3.1；

溫度：temperature_degree = -0.2*yaw-22；

音樂大?。簃usic_gree = -0.26*yaw-13.2；

計算出控制量，然后通過Zigbee發(fā)送給下位機執(zhí)行。

圖2-3 氦氪云整體流程圖

2.4 云端

如圖2-3所示選擇標準透傳固件模塊對接的開發(fā)者在設備開發(fā)中只需要關(guān)注MCU開發(fā)，設備配網(wǎng)、設備連接、消息收發(fā)等流程已在氦氪模塊中完成。

3 結(jié)論

隨著科技發(fā)達、時代的發(fā)展，智能家居也逐漸步入人們家庭中。智能云管家最基本的要求是操作簡單、使用方便、智能管理用電器。讓人們擺脫復雜繁瑣的傳統(tǒng)操作，提高生活效率。智能家居云管家具備聯(lián)網(wǎng)的功能：當連接上WIFI之后人們可以通過手機或者互聯(lián)網(wǎng)在任何地點、任何時候，進行查看和操控家中用電器的狀態(tài)，如：下班回家用手機遠程打開空調(diào)，有人入侵時自動打開攝像頭并將畫面?zhèn)魉偷交ヂ?lián)網(wǎng)上等各種功能。給人們生活的處所安裝一個智慧的“大腦”，使居住更舒適。讓科技使人們的生活變得更加的簡單化。