基于云平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息學(xué)院 蔣開(kāi)偉 孫凌杰

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)家居環(huán)境也提出了更高的要求?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的進(jìn)步使得家居設(shè)備的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化控制成為可能，尤其是近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)“智能家居”的概念變成現(xiàn)實(shí)。智能家居(Smart Home)，利用各種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)施實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭的綜合性管理和控制，從而改善了人類(lèi)的居住環(huán)境。和普通的住宅相比，智能家居具有很多優(yōu)點(diǎn)，與人類(lèi)的生活密切相關(guān)。

智能家居為用戶(hù)提供更高效、快捷的控制方式，不僅提高用戶(hù)的生活樂(lè)趣,也為家庭日常生活減少一些不必要的能耗。在當(dāng)前大力提倡環(huán)保的背景下，智能家居能很好的踐行節(jié)能環(huán)保、低碳生活的倡導(dǎo)，伴隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，將智能家居應(yīng)用于家庭住宅中是時(shí)代發(fā)展的潮流，未來(lái)智能家居也將步入尋常百姓家中，由此可見(jiàn)開(kāi)發(fā)出一款高性?xún)r(jià)比的智能家居控制系統(tǒng)對(duì)加快智能家居的推廣和普及具有重要意義。

在智能家居發(fā)展的過(guò)程中，總是不斷涌現(xiàn)出各種新的技術(shù)，比如現(xiàn)在流行的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，就被引入了智能家居領(lǐng)域，“無(wú)線(xiàn)家居”的家居理念應(yīng)運(yùn)而生。常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)家居方式有：藍(lán)牙、Zigbee、WiFi。其中以Zigbee和WiFi的方式應(yīng)用最為廣泛。研究了基于Zigbee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，基于WiFi技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。指出智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為基于嵌入式的智能家居網(wǎng)關(guān)，并給出了最新的“云+端”智能家居模式。

本文將以近年來(lái)流行的機(jī)智云平臺(tái)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的切入點(diǎn)，該平臺(tái)不僅提供了可靠的云平臺(tái)，還為開(kāi)發(fā)者提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，極大地縮小了開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)周期。

2 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程或本地控制家里的電燈、插座、紅外遙控電器的開(kāi)關(guān)，設(shè)置空調(diào)溫度值，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的信息，如溫濕度等。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。不難看出，智能網(wǎng)關(guān)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，它起著承上啟下的作用，一端通過(guò)2.4G無(wú)線(xiàn)通信方式連接各個(gè)控制模塊，另一端通過(guò)WiFi方式接入家庭無(wú)線(xiàn)路由器繼而連接到英特網(wǎng)上，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)端遠(yuǎn)程控制。此時(shí)橋接無(wú)線(xiàn)路由和手機(jī)端的是云平臺(tái)。當(dāng)手機(jī)和智能網(wǎng)關(guān)連接到同一個(gè)無(wú)線(xiàn)路由器，即處在同一個(gè)局域網(wǎng)時(shí)，則手機(jī)端的控制無(wú)需借助云端就應(yīng)該可以直接和智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。

圖1 總體設(shè)計(jì)

我們將控制模塊分成三大類(lèi)：紅外遙控類(lèi)，監(jiān)測(cè)報(bào)警類(lèi)以及強(qiáng)電控制類(lèi)。其中，紅外遙控類(lèi)顧名思義控制家用遙控器；監(jiān)測(cè)類(lèi)是將信息上報(bào)給手機(jī)端；而強(qiáng)電類(lèi)則需要處理強(qiáng)電相關(guān)的控制。因此，整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)包括：手機(jī)控制端、智能網(wǎng)關(guān)控制器、紅外遙控控制模塊、監(jiān)測(cè)報(bào)警控制模塊、強(qiáng)電控制模塊等。

由于篇幅限制以及各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，我們后續(xù)的設(shè)計(jì)主要圍繞著智能網(wǎng)關(guān)部分。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片電路

本系統(tǒng)的主控制芯片選擇的是：STM32F103CBT6。STM32F-103CBT6是中等容量增強(qiáng)型微處理器，基于ARM Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核，工作在72MHZ的工作頻率下。芯片內(nèi)部具有20K字節(jié)高速存儲(chǔ)器，閃存高達(dá)128K字節(jié)。該芯片具有體積小、成本低、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，采用LQFP48封裝，價(jià)格上與常見(jiàn)的8位、16位單片機(jī)接近，擁有完全滿(mǎn)足需求的48個(gè)增強(qiáng)I/O端口和豐富的外設(shè)。包含USB、CAN、2個(gè)ADC、7個(gè)定時(shí)器、9個(gè)通信接口，其中3個(gè)全雙工串行接口。 STM32F103CBT6工作于-40°C至85°C的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，芯片具有省電模式，這種模式能提高設(shè)備在缺電的特殊環(huán)境下的生存能力。

主控芯片是本系統(tǒng)的核心，它要與WiFi模塊和NRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行通信，其中WiFi模塊是其和云平臺(tái)或手機(jī)端通信的紐帶，而NRF24L01將協(xié)助完成和其他終端模塊通信。

3.2 WiFi模塊電路

WiFi模組采用的是樂(lè)鑫ESP8266模塊。ESP8266在較小尺寸封裝中集成了業(yè)界領(lǐng)先的 在較小尺寸封裝中集成了業(yè)界領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡(jiǎn)模式，主頻支持80MHz 和160MHz，支持RTOS，集成WiFi MAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線(xiàn)。支持標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，完整的TCP/IP 協(xié)議棧。用戶(hù)可以使該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的絡(luò)控制器。ESP8266是高性能無(wú)線(xiàn) SOC，以最低成本提供最大實(shí)用性，為WiFi功能嵌入其他系統(tǒng)提供了無(wú)限可能。

值得注意的是，它只能檢測(cè)到2.4G頻段的WiFi信號(hào)，此外它支持USART等通信接口，為物聯(lián)網(wǎng)這種低流量的應(yīng)用場(chǎng)合作了優(yōu)化。本設(shè)計(jì)的主控芯片與WiFi模組采用USART通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。由于把貼片封裝的WiFi模組直接焊接在電路板上，所以在加上了相應(yīng)的0歐電阻，為了以后能夠進(jìn)行升級(jí)所用。

3.3 NRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊電路

在智能家居控制系統(tǒng)中，用戶(hù)要想通過(guò)手機(jī)控制具體的功能模塊，還需要通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)將信息下發(fā)至該功能模塊。本設(shè)計(jì)使用的無(wú)線(xiàn)通信模塊是NRF24L01+，與主控芯片的通訊采用SPI的方式。

3.4 其他模塊電路

除了上述幾個(gè)主要電路之外，還有一個(gè)比較重要的就是供電電路。由于系統(tǒng)中的STM32，NRF24L01+，WIFI模組都需要在3.3V的電壓下才能正常工作，這些芯片和模塊對(duì)電源的質(zhì)量要求較高，尤其是對(duì)穩(wěn)定性的要求。因此選用了AMS1117穩(wěn)壓芯片，它具有線(xiàn)性穩(wěn)壓、紋波小、穩(wěn)定等特點(diǎn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依照傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式，需要分別在手機(jī)端開(kāi)發(fā)APP、WiFi模組通信協(xié)議、STM32單片機(jī)軟件以及在各位模塊上開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的處理程序。而采用機(jī)智云平臺(tái)后這些工作量將大大減少，甚至不用。

我們首先在機(jī)智云官網(wǎng)上創(chuàng)建產(chǎn)品，此時(shí)將分配到Product Key和Product Secret，其中Product Key是WiFi模組和云端正確通信的基礎(chǔ)，Product Secret參數(shù)是手機(jī)APP和服務(wù)器對(duì)接時(shí)所使用的參數(shù)。

在創(chuàng)建產(chǎn)品過(guò)程中，首先需要做的是創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)以及Product Key和Product Secret，機(jī)智云能自動(dòng)生成手機(jī)APP和MCU的程序框架，我們僅需添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。與此同時(shí)，ESP8266模組的固件我們也可以直接下載得到，無(wú)需自行開(kāi)發(fā)。這些便利給開(kāi)發(fā)者帶來(lái)極大好處。

4.1 數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建

數(shù)據(jù)點(diǎn)即設(shè)備產(chǎn)品的功能的抽象，用于描述產(chǎn)品功能及其參數(shù)。創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)后，設(shè)備與云端通訊的數(shù)據(jù)格式即可確定，設(shè)備、機(jī)智云可以相互識(shí)別設(shè)備與機(jī)智云互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)點(diǎn)定義基本內(nèi)容可分為顯示名稱(chēng)，標(biāo)識(shí)名，讀寫(xiě)類(lèi)型，數(shù)據(jù)類(lèi)型及備注。根據(jù)設(shè)計(jì)，強(qiáng)電模塊涉及的有插座電源控制、燈電源，該數(shù)據(jù)為開(kāi)關(guān)量；紅外遙控模塊涉及空調(diào)開(kāi)關(guān)和調(diào)溫，其中空調(diào)開(kāi)關(guān)為布爾值，溫度設(shè)定為數(shù)值型；檢測(cè)報(bào)警模塊包括室內(nèi)溫濕度的監(jiān)測(cè)，均為數(shù)值型。

4.2 WiFi入網(wǎng)方式

WiFi模組在第一次連接到WiFi路由器時(shí)需要輸入用戶(hù)名和密碼，由于所使用的模組沒(méi)有輸入和先顯示界面，沒(méi)法直接做上述操作。ESP8266模組提供了兩種入網(wǎng)方式：SoftAP和AirLink。在SoftAp模式中，模組將自己從工作站模式切換到接入點(diǎn)模式，此時(shí)，手機(jī)可以連接到該模組，輸入用戶(hù)名和密碼，便將信息傳送給模組，得到上述信息后，模組重新切換到工作站模式，并連接到相應(yīng)的接入點(diǎn)上。而在AirLink模式下，模組會(huì)不斷接收特定編碼的WiFi廣播包，該廣播包是由手機(jī)在連接可用的WiFi網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)指定的App發(fā)送編碼后的WiFi網(wǎng)絡(luò)的SSID和密碼廣播，設(shè)備接收到之后自動(dòng)嘗試連接此WiFi網(wǎng)絡(luò)，連接成功即配置完成。

完成入網(wǎng)方式選擇的對(duì)應(yīng)配置函數(shù)為gizwitsSetMode，參數(shù)為WIFI_SOFTAP_MODE和WIFI_AIRLINK_MODE。

這里，我們通過(guò)短按和長(zhǎng)按按鍵來(lái)觸發(fā)WiFi入網(wǎng)模式。短按時(shí)進(jìn)入SoftAp模式，長(zhǎng)按則進(jìn)入AirLink模式。無(wú)論哪種模式，配置成功后，LED燈都亮起。

4.3 處理云端/APP發(fā)送過(guò)來(lái)的控制事件

在智能家居控制過(guò)程中，云端/APP發(fā)送過(guò)來(lái)的控制事件經(jīng)由智能網(wǎng)關(guān)下發(fā)至智能家居模塊，而網(wǎng)關(guān)端與控制型協(xié)議相關(guān)的函數(shù)調(diào)用關(guān)系。各函數(shù)說(shuō)明如下。

protocolIssuedProcess：該函數(shù)被gizwitsHandle調(diào)用，接收來(lái)自云端或app端下發(fā)的相關(guān)協(xié)議數(shù)據(jù)。ACTION_CONTROL_DEVICE：進(jìn)行“控制型協(xié)議”的相關(guān)處理。gizDataPoint2Event：根據(jù)協(xié)議生成“控制型事件”，并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換。

gizwitsEventProcess：根據(jù)已生成的“控制型事件”進(jìn)行相應(yīng)處理（包括相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)）。

5 系統(tǒng)調(diào)試與應(yīng)用

借助于機(jī)智云的虛擬設(shè)備，分別調(diào)試手機(jī)APP和云端，以及云端和網(wǎng)關(guān)端的通訊。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于機(jī)智云平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP控制常用家居設(shè)備的功能。該系統(tǒng)的核心為智能網(wǎng)關(guān)部分，它承接著云平臺(tái)或手機(jī)端與各個(gè)智能家居模塊的信息中轉(zhuǎn)功能。其中MCU采用價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大的STM32單片機(jī)。通訊方式采用較為成熟和常見(jiàn)的WiFi以及2.4G無(wú)線(xiàn)方式。此外，借助于機(jī)智云的強(qiáng)大功能，極大地減小開(kāi)發(fā)復(fù)雜度、縮短開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，為該系統(tǒng)應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。