基于Android和WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李昌奇　何志琴　周恒　王霄

摘? 要： 針對(duì)更具現(xiàn)代化的智能家居以及更好的用戶體驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)基于Android和WiFi的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將嵌入式控制技術(shù)、WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及Android技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)傳感器對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并發(fā)送數(shù)據(jù)至云服務(wù)器，在Android人機(jī)交互界面顯示環(huán)境參數(shù)值以及報(bào)警信息，再以語(yǔ)音播報(bào)的形式提示用戶，用戶可通過(guò)Android客戶端來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)及設(shè)備遠(yuǎn)程控制，且功能強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 智能家居; 遠(yuǎn)程監(jiān)控; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 家居環(huán)境監(jiān)測(cè); 無(wú)線傳輸; 語(yǔ)音識(shí)別

中圖分類號(hào)： TN92?34; TU855? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0067?04

Design and implementation of smart home monitoring system based on Android and WiFi

LI Changqi， HE Zhiqin， ZHOU Heng， WANG Xiao

（School of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： In allusion to the demands of more modern smart home and better user experience， a smart home remote monitoring system based on Android and WiFi is designed. In this system， the embedded control technology， WiFi wireless network and Android technology are combined， the sensor is used to monitor the home environment and send the data to the cloud sever. The environment parameter values and alert information are displayed on the Android human?computer interaction interface. Its users can be prompted in the form of voice broadcast， and realize the remote control of smart home through the Android client. The experimental results show that the system can realize home environment monitoring and equipment remote control， and has powerful functions， excellent real?time performance and strong stability.

Keywords： smart home; remote monitoring; system design; home environment monitoring; wireless transmission; speech recognition

0? 引? 言

伴隨著科技時(shí)代的來(lái)臨，人們的生產(chǎn)生活越來(lái)越智能化，而傳統(tǒng)家居設(shè)計(jì)方法的弊端不斷顯現(xiàn)，因此對(duì)智能家居的設(shè)計(jì)有更高層次的要求[1]。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)特征鮮明，能夠有效滿足家居在智能控制方面的具體要求，在聯(lián)系實(shí)際基礎(chǔ)上圍繞現(xiàn)代化家居設(shè)計(jì)理念、要求、原則，通過(guò)多樣化路徑科學(xué)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)，促使設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)更加高效運(yùn)轉(zhuǎn)，在實(shí)現(xiàn)多層次功能作用中同步提高設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益。尤其是智能手機(jī)的普及與應(yīng)用，通過(guò)語(yǔ)音的新型人機(jī)交互模式，為智能家居領(lǐng)域提供了新的設(shè)計(jì)思路[2]。

隨著更具現(xiàn)代化智能家居的出現(xiàn)，給人們的日常生活帶來(lái)極大的便利。因此，為了解決傳統(tǒng)家居所帶來(lái)的不便，研究出一種可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制的智能家居系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以單片機(jī)控制為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居監(jiān)測(cè)與控制的功能。

系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信、語(yǔ)音播報(bào)、遠(yuǎn)程控制、人機(jī)交互等功能。能夠滿足用戶的生活需求，為用戶創(chuàng)造了更為舒適、便捷的生活體驗(yàn)。該系統(tǒng)包含了三個(gè)關(guān)鍵部分，即系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)服務(wù)器、Android客戶端APP，三部分之間通過(guò)TCP/IP協(xié)議通信。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F407ZGT6控制器為核心，WiFi?ESP8266無(wú)線模塊和云平臺(tái)服務(wù)器協(xié)作，進(jìn)行信息反饋和遠(yuǎn)程操作。一方面，將傳感器所采集環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)之后，用戶利用Android客戶端對(duì)智能家居進(jìn)行控制，同時(shí)支持室內(nèi)局域網(wǎng)和室外遠(yuǎn)程控制;另一方面，采集數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)閾值作比較，若出現(xiàn)異常，則語(yǔ)音識(shí)別/播報(bào)模塊就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警，用戶可以發(fā)出指令，處理相應(yīng)的異常情況。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1? 微控制器

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的STM32處理器作為單片機(jī)平臺(tái)，相比51單片機(jī)而言，STM32單片機(jī)具有更豐富的函數(shù)庫(kù)，更多的管腳資源，更強(qiáng)大的計(jì)算能力和多任務(wù)處理能力。它采用ARM構(gòu)架，性能高、成本低、功耗低且體系結(jié)構(gòu)超前[3]。

2.2? 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要采集住宅環(huán)境的盆栽土壤濕度、蓄水池液位、溫濕度、光照強(qiáng)度以及煙霧濃度。監(jiān)測(cè)盆栽土壤濕度選用FC?28，其具有雙輸出模式，且靈敏度可調(diào)，可以針對(duì)不同的濕度需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到更精確的土壤濕度;蓄水池液位選用水位傳感器，工作電壓為直流5 V，其工作原理是通過(guò)電路板上一系列裸露的印刷平行導(dǎo)線測(cè)量水量的大小，由水量決定輸出電壓，能完成水量到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，完成水位報(bào)警 [4];環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)選用DHT11，一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[5]，它采取專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的穩(wěn)定性;光照度傳感器選用BH1750FVI，可以大范圍檢測(cè)周圍光照度的兩線式串行總線接口的光照傳感器[6]。傳感器體積小、可靠性高，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控植物周圍環(huán)境的光照度變化;煙霧濃度選擇MQ?2，它具有靈敏度高，響應(yīng)信號(hào)快，可在復(fù)雜環(huán)境下工作[7]。其原理是將被測(cè)氣體的物理量轉(zhuǎn)為模擬電壓信號(hào)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)環(huán)境的煙霧濃度變化。

2.3? WiFi模塊設(shè)計(jì)

WiFi通信模塊選用ESP8266芯片，當(dāng)混合模式通信時(shí)，采用ESP8266的AP+Station模式，可以在其他主機(jī)上作為從機(jī)運(yùn)行，也可以進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行[8]。這款芯片使用3.3 V的直流電源，體積相對(duì)較小，性能穩(wěn)定，功耗低，支持透?jìng)?，丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重，而且價(jià)格便宜[9]。

2.4? 語(yǔ)音識(shí)別及播報(bào)模塊設(shè)計(jì)

LD3320是一款基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別芯片，它內(nèi)部集成了高精度的A/D接口，無(wú)需外接輔助的FLASH和RAM，即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、聲控、人機(jī)對(duì)話功能，并且識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表可動(dòng)態(tài)編輯[10]，其原理圖如圖3所示。

語(yǔ)音播報(bào)模塊采用YS?M3，它是一款提供串口的MP3芯片，完美的集成了MP3，WMV的硬解碼，支持FAT16，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 主程序設(shè)計(jì)

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。首先進(jìn)行STM32F407ZGT6單片機(jī)的外設(shè)初始化，然后初始化云平臺(tái)協(xié)議，判斷ESP8266WiFi模塊是否已接入云服務(wù)器，若已接入，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至OLED顯示屏顯示，同時(shí)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Android客戶端，Android客戶端接收狀態(tài)信息后更新數(shù)據(jù)并通過(guò)手機(jī)APP界面顯示。系統(tǒng)判斷Android客戶端是否有下發(fā)控制指令，有則執(zhí)行相應(yīng)命令，若無(wú)則按順序執(zhí)行。

3.2? 網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)計(jì)

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，ESP8266WiFi模塊首先檢測(cè)是否有WiFi信息，如果有WiFi信息則連接當(dāng)前WiFi網(wǎng)絡(luò)，建立TCP/IP連接服務(wù)器，連接成功后設(shè)置進(jìn)入業(yè)務(wù)工作子程序。反之ESP8266WiFi模塊未存儲(chǔ)WiFi信息，則需要按鍵進(jìn)入Airlink模式，并通過(guò)Android客戶端將WiFi信息發(fā)送至ESP8266WiFi模塊，然后連接WiFi網(wǎng)絡(luò)，建立TCP/IP連接服務(wù)器，進(jìn)入業(yè)務(wù)工作子程序。

3.3? 語(yǔ)音識(shí)別設(shè)計(jì)

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)語(yǔ)音識(shí)別流程如圖6所示，在語(yǔ)音模塊相應(yīng)狀態(tài)初始化之后，通過(guò)狀態(tài)值的變化來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，同時(shí)使用語(yǔ)音來(lái)控制家居系統(tǒng)。

對(duì)發(fā)出的任何語(yǔ)音指令，模塊都能準(zhǔn)確識(shí)別，且根據(jù)指令能夠?qū)崟r(shí)對(duì)智能家居進(jìn)行控制，這就要求程序設(shè)計(jì)里有與之相關(guān)的中斷子程序。智能家居控制系統(tǒng)語(yǔ)音中斷子程序流程如圖7所示。

4? 系統(tǒng)運(yùn)行

經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試，系統(tǒng)能夠良好運(yùn)行。首先對(duì)各個(gè)模塊通電，對(duì)智能家居控制系統(tǒng)進(jìn)行配置入網(wǎng)，連接云服務(wù)器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)配置成功之后，可在人機(jī)交互界面上對(duì)所有家居設(shè)備或所需監(jiān)控的家居參數(shù)進(jìn)行配置，在家居設(shè)備配置成功及各模塊通電工作后，打開Android客戶端便可查看相關(guān)傳感器檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)值，通過(guò)Android客戶端可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。當(dāng)傳感器檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)值小于所設(shè)定的閾值時(shí)，Android客戶端應(yīng)用程序會(huì)收到相關(guān)報(bào)警信息，智能家居系統(tǒng)Android客戶端如圖8所示。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

為了滿足更具現(xiàn)代化的智能家居，讓用戶擁有更好的生活體驗(yàn)，設(shè)計(jì)出基于Android和WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)家居設(shè)備狀態(tài)，可在無(wú)網(wǎng)條件下近距離人機(jī)交互來(lái)控制系統(tǒng)，也可以遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備。系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別語(yǔ)音指令，符合人性化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，極大地滿足了人們的生活需求，為使用者創(chuàng)造出更為舒適、便捷的家居體驗(yàn)。

注：本文通訊作者為何志琴。

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