基于傳感器技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝君君，張?zhí)K程

（江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330095）

1 系統(tǒng)概述

整套系統(tǒng)以STM32RCT6單片機(jī)為控制核心，融合多款傳感器，利用WiFi技術(shù)將傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云端，完成系統(tǒng)和云端的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)總框圖如圖1所示。用戶可通過微信、手機(jī)APP以及電腦網(wǎng)頁等途徑登錄到云端，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)外圍傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到家居環(huán)境異常時(shí)，將通過云端發(fā)送報(bào)警郵件到用戶指定的郵箱，同時(shí)自動(dòng)控制相應(yīng)的電器以降低其危害。此外，系統(tǒng)帶有家電控制模塊，由繼電器和紅外遙控電路組成。繼電器用于控制家中小功率電器，紅外遙控則用于控制大功率空調(diào)[1]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)通過傳感器模塊感知家居環(huán)境，控制模塊可自動(dòng)控制常用電器，通信模塊能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和報(bào)警等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

本套系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括傳感器模塊、WiFi模塊、控制模塊和電源電路設(shè)計(jì)。

2.1 傳感器模塊

傳感器在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。一切外部環(huán)境的感知都由傳感器檢測(cè)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求應(yīng)用了多款不同功能的傳感器。

2.1.1 煙霧、氣體傳感器

MQ傳感器系列中包括煙霧、液化氣、天然氣、煤氣、一氧化碳、酒精和空氣質(zhì)量檢測(cè)等多款豐富的煙霧、氣體傳感器，并且都支持?jǐn)?shù)字和模擬兩種輸出方式。當(dāng)選擇數(shù)字輸出方式時(shí)，傳感器的閥值可由外部的硬件電位器調(diào)節(jié)[2]。MQ系列中不同型號(hào)傳感器的硬件接口完全一致。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，選用MQ-2煙霧氣敏傳感器。為了兼容多款煙霧、氣體傳感器，該模塊預(yù)留了多個(gè)數(shù)字輸出的傳感器接口，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)空氣質(zhì)量安全參數(shù)的檢測(cè)，使用過程中無需修改軟件。

空氣中存在被檢測(cè)的氣體時(shí)，MQ-2煙霧氣敏傳感器的電導(dǎo)率會(huì)增大[3]，通過轉(zhuǎn)換電路中的前置電路對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整等，將電導(dǎo)率的變化對(duì)應(yīng)為氣體濃度的輸出信號(hào)[4]。如果需要對(duì)被檢測(cè)的氣體實(shí)施精確監(jiān)控，則可選擇模擬信號(hào)輸出。它的模擬電壓輸出與被檢測(cè)的環(huán)境氣體濃度成一定比例，使用系統(tǒng)主控芯片STM32RCT6自帶ADC外設(shè)即可測(cè)量。該傳感器的靈敏度高、穩(wěn)定性能好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)家中火災(zāi)煙霧和可燃?xì)怏w泄露的檢測(cè)。

2.1.2 光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的敏感元件，主要由光敏電阻器和LM393電壓比較器組成，工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。該傳感器電壓比較閥值由電位器硬件調(diào)節(jié)，當(dāng)外界環(huán)境光線發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻器兩端電壓隨之變化，利用電壓比較器與閥值電壓相比即可使系統(tǒng)獲知當(dāng)前環(huán)境的光線亮度。

2.1.3 其他傳感器溫濕度傳感器

傳感器模塊中除了上述傳感器外，還包括有溫濕度傳感器和人體紅外熱釋傳感器。

本套系統(tǒng)感知家居環(huán)境溫濕度參數(shù)采用的是DHT11溫濕度傳感器，是一款含校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，精度濕度±5%RH，溫度±2 ℃，量程濕度20%～90%RH，溫度0～50 ℃。利用單總線通信，僅需一根線即可與主控芯片通信，具有使用便捷、體積小和功耗小等特點(diǎn)[5]。

熱釋電傳感器用溫度變化特征探測(cè)人體紅外線的輻射。人體有恒定的體溫，一般在37 ℃，會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)10 μm左右的紅外線。被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線通過傳感器中的菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上[6]。紅外感應(yīng)源在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后將檢測(cè)到人體的存在。

2.2 WiFi模塊

作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，系統(tǒng)通信的質(zhì)量影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)通信模塊采用工業(yè)級(jí)WiFi模塊ESP8266。主控芯片通過串口與WiFi模塊通信，WiFi模塊通過TCP/IP協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)，由此將系統(tǒng)實(shí)時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制和環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控的目的[7]。

2.3 控制模塊

對(duì)于控制部分，本系統(tǒng)不僅采用了常見的繼電器模塊控制小功率電器，還增加了紅外遙控電路用于控制大功率空調(diào)。繼電器是弱電控制強(qiáng)電常用的器件，在系統(tǒng)中用于主要的自動(dòng)化設(shè)備控制，但對(duì)大功率的空調(diào)能力有限。因此，系統(tǒng)加入了紅外遙控模塊，通過主控芯片模擬紅外編碼，靈活地用于大功率空調(diào)的開關(guān)和調(diào)溫控制，具有功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 電源電路

本系統(tǒng)需使用3.3 V和5 V雙電源供電。電源模塊由5 V直流供電，可直接供給5 V模塊電路使用，再經(jīng)3.3 V穩(wěn)壓模塊產(chǎn)生3.3 V電壓，供給其他模塊使用。電源設(shè)計(jì)的原理如圖2所示。

圖2 電源設(shè)計(jì)電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境參書的檢測(cè)，軟件設(shè)計(jì)部分需要對(duì)傳感器模塊、控制模塊和通信模塊進(jìn)行編程。通過調(diào)用各個(gè)模塊的子函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)閥值相比較判斷是否要控制相應(yīng)電器設(shè)備以實(shí)現(xiàn)不同功能[8]。圖3為本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié) 論

傳感器在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[9]，使得普通的家居生活變得人性化。本系統(tǒng)將傳感器技術(shù)和智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合，對(duì)今后智能傳感器在智能家居中的應(yīng)用研究具有重要的實(shí)用意義[10]。