智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳成瑞，王旭康，肖欣悅，李成勇

(1.重慶工程學(xué)院 電子信息學(xué)院，重慶400056；2.中國電子科技集團公司第五十三研究所，天津 300000)

0 引言

伴隨物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的源起與飛速發(fā)展，人們的生活已離不開智能化帶來的便利與享受。目前，家居智能化已成為當今的主流發(fā)展趨勢[1]，影響到人們的日常生活，智能化、信息化的生活方式，成為當今世界研究的熱點問題。而這一切發(fā)展的最終目的是為人們提供一個舒適、便捷、高效、安全的生活環(huán)境，智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展也日漸滿足人們對居住環(huán)境的多方面需求[2-3]。

智能家居控制系統(tǒng)不僅能給人們帶來不一樣的精神享受，更重要的是可以為人們節(jié)省寶貴時間。在本設(shè)計中，智能家居燈光控制系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)與移動設(shè)備進行通信，通過移動設(shè)備發(fā)送指令來實現(xiàn)物與物之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對家居的遠程控制，這樣的方式能很好地緩解人們的生活節(jié)奏，帶來方便的同時，滿足人們對生活品質(zhì)的要求，實現(xiàn)隨時隨地對家居的管控能力[4-5]。

1 智能家居優(yōu)勢

智能家居同傳統(tǒng)家居的區(qū)別如表1所示。

設(shè)計的智能家居系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

① 實用性：為人們提供一個舒適、安全、方便和高效的生活環(huán)境；

② 便利性：通過傳感器，可以對家里的溫度、濕度和亮度進行檢測，可以通過OneNet平臺控制家居狀況，實時掌握家中信息；

③ 可靠性：24 h監(jiān)控，在保證系統(tǒng)正常安全使用的同時，擁有適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境變化的能力；

④ 節(jié)能性：家居整體采用節(jié)能LED燈，且每個燈都由系統(tǒng)控制(人走燈關(guān))，能最大降低能耗，同時提供方便；

⑤ 安全性：智能門禁系統(tǒng)通過RFID控制，異常報警；

⑥ 智能化：通道、室內(nèi)等安裝探測器，人來燈開，人走燈關(guān)，提高智能化感受。

表1 智能家居同傳統(tǒng)家居的區(qū)別

Tab.1 Differences between smart home and traditional home

項目智能家居傳統(tǒng)家居安防系統(tǒng)自啟安防系統(tǒng)、智能門禁無照明系統(tǒng)燈光場景切換,顏色多樣化固定燈光音頻系統(tǒng)遠程控制、觸摸屏控制人工控制窗簾系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)動、人性化人工控制用電器系統(tǒng)遠程控制、觸摸屏控制、方便人工控制、繁瑣語言系統(tǒng)智能播報、溫馨提示無綠植養(yǎng)護系統(tǒng)智能養(yǎng)花人工澆水檢測系統(tǒng)實時檢測、實時更新無

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

硬件主要包括核心模組、照明單元、電機驅(qū)動模塊、安防單元、通信模塊、顯示單元和溫濕度檢測模塊，本設(shè)計硬件首先是通過通信模塊和溫濕度檢測單元給核心模組輸入信號，核心模組再對采集到的數(shù)據(jù)進行分析與處理，然后輸出相應(yīng)的控制信號對語音播報器、燈光調(diào)節(jié)模塊和驅(qū)動模塊進行控制并通過通信模塊上傳到OneNET平臺[6-7]。驅(qū)動模塊分為2部分：一是通過驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)窗簾的角度調(diào)整；二是通過繼電器和水泵來實現(xiàn)自動澆花。顯示單元通過與核心模組進行串口鏈接，將接收到的數(shù)據(jù)進行顯示和控制，如圖1所示。

圖1 硬件總體框圖

① Arduino單片機中控處理模塊：Arduino單片機通過對最小系統(tǒng)的擴展，完成對其他模塊采集的信號進行處理，傳送到OneNet平臺；

② OneNet平臺：對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲并更新數(shù)據(jù)[8]；

③ ZigBee技術(shù)：通過ZigBee技術(shù)進行低功耗短距離無線設(shè)備鏈接[9]；

④ 傳感模塊：實現(xiàn)實時溫度、濕度數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)傳送至Arduino單片機中控處理模塊進行處理[10]；

⑤ 控制面板：手動控制室內(nèi)的全部設(shè)備；

⑥ 語音模塊：對室內(nèi)的信息進行語音智能提示；

⑦ 電機模塊：接收單片機信號，自動控制窗簾狀態(tài)[11]；

⑧ 空氣凈化器：減少空氣中PM2.5，凈化異味[12]。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要以Arduino單片機為核心，系統(tǒng)初始化后，開始采集傳感器信息，對數(shù)據(jù)進行存儲和顯示，通過手機或控制面板進行控制以滿足用戶的需求，從而實現(xiàn)相應(yīng)功能。

智能家居通電后，系統(tǒng)初始化，可以調(diào)節(jié)窗簾關(guān)閉的遮擋角度，比如1/2或1/3 。點一下開啟，電機開始轉(zhuǎn)動，再點一下電機停止，從而達到合適的角度；點擊綠植信息，顯示當前濕度，紫外線強度，左邊顯示綠植7天水分情況。當開啟無人值守模式，土壤濕度低于一定值時將自動澆水，也可通過澆水按鈕給綠植澆水。燈光會切換到相應(yīng)燈光模式，提供不同的室內(nèi)體驗。軟件程序總體設(shè)計圖如圖2～圖5所示。

圖2 智能家居控制系統(tǒng)軟件流程

圖3 電窗單元

圖4 溫濕度檢測單元

圖5 照明單元

3 系統(tǒng)測試

3.1 電路板表面

用眼睛主觀觀察每塊電路板的元器件有無貼反、漏裝，也可以結(jié)合電路原理圖對照元器件；電路使用數(shù)字萬用表檢測是否有虛焊和短路。

3.2 通電測試

電路板表面測試無誤后，就可以給各個模塊進行通電測試，觀察是否有無冒煙以及觸摸電路板是否發(fā)熱等現(xiàn)象，如表2所示。

表2 各模塊電壓值

Tab.2 Voltage values of each module

模塊工作電壓/V輸入電壓/V輸出電壓/V測試Arduino5.0接上USB無需供電;外部DC7.0～12.0DC5.0DC3.3正常ATK-ESP8266 WiFi模塊3.3～5.05.0-正常溫濕度傳感器模塊5.05.0-正常燈光調(diào)節(jié)傳感器DC5.0～35.05.0-正常繼電器≤36.012.0-正常語音播報器3.33.3-正常

3.3 程序燒錄

在以上2個步驟順利完成后，則可進入電路板的程序燒錄，測試各個模塊是否正常運行。使用工具：① PC機；② 操作系統(tǒng)：Windows；③ 軟件：ArduinoIDE；④ 云平臺：OneNet。燒錄界面：程序驗證無誤，就可上傳至模塊，如圖6和圖7所示。

圖6 程序驗證

圖7 程序上傳

3.4 功能測試

(1) 自動澆花

智能家居上電，使用者可以手機登錄OneNet平臺，查看綠植信息，并根據(jù)信息來決定是否澆花。當要澆花時，可以開啟ON，自動澆花模塊便開始運行，當數(shù)值達到要求時自動關(guān)閉。使用者也可以在液晶屏上進行相應(yīng)工作。

(2) 智能窗簾

智能家居上電后，使用者可以手機登錄OneNet平臺。在平臺上點擊ON，電機開始工作，窗簾打開；點擊OFF，電機停止工作，再點擊ON窗簾開始關(guān)閉。使用者也可以在液晶屏上進行相應(yīng)選擇。

(3) 燈光調(diào)整

當使用者在室內(nèi)休息時可以根據(jù)自己的心情選擇燈光模式，共有4種：活力清晨、浪漫晚餐、放松心情和激情舞會。使用者可以手機登錄OneNet平臺，點擊臥室燈光進行相應(yīng)選擇。使用者也可以在液晶屏進行相應(yīng)選擇。

(4) 云平臺

傳感器將搜集到的數(shù)據(jù)由核心模組處理并上傳至創(chuàng)建好的OneNet云平臺，形成大數(shù)據(jù)，并能正常顯示數(shù)據(jù)。

(5) 語音提示

當使用者離家后，檢測到有其他人在室內(nèi)將報警。當使用者在家時，可以用來聽歌。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)由單片機處理器進行整體控制，通過無線模塊ESP8266讓手機APP與單片機間以及OneNet平臺進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)包含環(huán)境檢測模塊、智能安保模塊、語音控制模塊、智能語音提示模塊、智能插座模塊、智能燈光模塊、智能窗簾模塊、指紋鎖模塊、手機APP和OneNet平臺。通過APP，OneNet平臺以及單片機之間的信息采集、數(shù)據(jù)交互，對數(shù)據(jù)進行準確分析并做出相應(yīng)的應(yīng)對，組成一個完整的智能家居系統(tǒng)。目前市場上智能家居的受歡迎程度非常高，系統(tǒng)功能性強大，成本低，性價比極高，針對市面上其他功能不齊全、功能較為單一的產(chǎn)品，本系統(tǒng)整合度較高，功能齊全，并且基本具備智能家居應(yīng)具有的最重要功能，能很好地避免浪費電，從而實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目的，同時具有較高的應(yīng)用價值。多次測試結(jié)果表明本系統(tǒng)的系統(tǒng)需求達到了預(yù)定目標。