基于wifi的智慧家園系統(tǒng)設計

楊一超 李志豪 劉東波 王云龍 趙瑩

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，人們對生活品質(zhì)要求也提高，基于wifi的智慧家園系統(tǒng)是提高人們家居生活品質(zhì)的安全性、便利性、舒適性的一個行之有效的方案，因而智慧家居的概念應運而生。物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展和廣泛應用，為智慧家居控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的技術支持。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)，ESP8266，智慧家居，智慧家園

本系統(tǒng)設計包括四個小系統(tǒng)：智能門禁系統(tǒng)、家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、自能澆花系統(tǒng)、自能照明系統(tǒng)。設計理念從容易上手、容易操作、能耗更低等的概念出發(fā)，采用單片機STM32F103RCT6為主控、氣體傳感器（MQ-135）和溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)來獲取家庭當前環(huán)境信息;采用單片機Arduino采集土壤溫濕度傳感器、超聲波傳感器的數(shù)據(jù)來獲取花盆的信息;采用AT89C52單片機和樹莓派來獲取圖像和指紋信息;采用Nodemcu來獲取光照信息、紅外、手勢等信息。然后通過wifi模塊（ESP8266）將數(shù)據(jù)包上傳至云平臺，利用安卓手機連接上網(wǎng)后，打開相應的APP，可以查看到各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，也可以對各系統(tǒng)進行控制。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了容易上手、容易操作、能耗更低、測量精度高以及針對該系統(tǒng)特定的APP等功能，并且本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性，由于通訊采用無線模塊，緊急情況仍然可以產(chǎn)生報警信息，是一種可行的智慧家居系統(tǒng)的方案。

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的迅速普及和發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展也緊隨其后，人們對生活的舒適性、便利性、安全性的要求也在不斷提高。人們需要一套集智能門禁系統(tǒng)、家庭環(huán)境檢測系統(tǒng)、智能澆花系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)等系統(tǒng)為一體的智慧家園系統(tǒng)。

本文結(jié)合人們的實際需要設計出操作簡單、成本低廉、小巧便捷的智慧家園系統(tǒng)并分別詳細闡述了四個子系統(tǒng)的設計和調(diào)試過程。在硬件部分四個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異不大，主要分為電源模塊、主控模塊、通訊模塊、傳感器模塊、顯示模塊、其他外設等幾個部分構(gòu)成。軟件方面主要過程為：各主控采集傳感器信息并同各個通訊模塊發(fā)送到手機APP上，用戶可以在手機上查看信息和發(fā)送控制指令到主控，各主控根據(jù)具體的控制指令進行相應操作，部分子系統(tǒng)可以在本地進行操作或者通過傳感器采集到的信息自動調(diào)節(jié)某些外設的工作狀態(tài)。

經(jīng)過軟硬件調(diào)試，各系統(tǒng)可以正常工作，基本達到預期效果，相關實現(xiàn)方案是關于基于wifi的智慧家園系統(tǒng)設計的不錯的方案。

1 本系統(tǒng)的技術介紹

1.1 智能門禁系統(tǒng)

主要由單片機（AT89C52RC）、AS608指紋模塊、4x4矩陣模塊，1602液晶顯示模塊，蜂鳴器，LED小燈構(gòu)成。其中單片機作為主控中心，，負責信息的采集和處理、指令發(fā)送、驅(qū)動OLED顯示等功能。AS608指紋模塊識別存儲指紋以及根據(jù)單片機串口發(fā)出的指令執(zhí)行其他的操作。4x4矩陣模塊用于驗證數(shù)字密碼、管理員模式交互、鎖門等信息的輸入。1602液晶模塊用于顯示人性化信息，方便用戶和其他設備交互。蜂鳴器用于指紋識別成功、開門、關門、系統(tǒng)初始化成功等提示、LED主要用于提醒系統(tǒng)工作狀態(tài)，避免系統(tǒng)死機。本系統(tǒng)具有指紋開鎖、密碼開鎖、修改密碼、檢測指紋是否存在顯示密碼、添加指紋、自動搜索最小空位ID、刪除單個指紋、清空指紋庫、顯示指紋ID等常用功能。樹莓派在Raspbian OS系統(tǒng)下安裝python，在python庫opencv和face_recognition的幫助下找到攝像頭采集的圖像中的人臉、計算人臉特征碼并用矩形標記其中的人臉，將特征碼和白名單的人臉特征碼比對，得到結(jié)果并記錄。[2]智能門禁系統(tǒng)設計如圖1所示。

1.2 家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)是課題的核心系統(tǒng)，主要由單片機（STM32F103RCT6）、ESP8266 WiFi模塊、溫濕度檢測模塊DHT11、煙霧傳感器MQ-135模塊、0.9寸OLED顯示模塊、蜂鳴器模塊、LED模塊構(gòu)成。[3]本系統(tǒng)將采集到的信息上傳至阿里云，用戶可以通過網(wǎng)頁、手機APP、OLED等途徑查看到本地系統(tǒng)信息。家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

1.3 智能澆花系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由單片機（Arduino）、超聲波模塊、土壤濕度檢測模塊、水泵模塊、水箱、兩盆土壤、蜂鳴器模塊、繼電器模塊等構(gòu)成。本系統(tǒng)由主控單片機間隔恒定時間通過AD轉(zhuǎn)換模塊和檢測土壤濕度檢測模塊的AD值、該AD值與土壤濕度正相關，由此可以得到土壤濕度的值、若土壤濕度值低于設定值則主控將驅(qū)動繼電器接通水泵電源，水泵抽出水箱里的水流向花盆，同時繼續(xù)檢測土壤濕度，若土壤濕度位于設定值之上則驅(qū)動繼電器斷開水泵電源停止抽水，澆水過程完成。同時主控通過超聲波模塊間隔恒定時間檢測水箱深度，計算可獲得水箱深度，當水箱深度低于設置的臨界值即驅(qū)動蜂鳴器工作、提醒用戶及時補充水箱水量。

1.4 智能照明系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要Nodemcu開發(fā)板、兩個12vLED燈、WS2812彩燈、GY-9960紅外手勢傳感器、人體紅外傳感器、光敏傳感器等構(gòu)成。其中Nodemcu作為主控，內(nèi)置ESP-12F作為主控芯片，可用于聯(lián)網(wǎng)。兩個LED分別用在入戶門和客廳，WS2812用于臥室彩燈。GY-9600可用于控制彩燈顏色。入戶門檢測到開門聲或者其他判斷依據(jù)時亮起。經(jīng)過恒定時間自動熄滅?？蛷d燈白色亮度可手動按鍵調(diào)、根據(jù)光線強度自動調(diào)節(jié)、用戶也可以通過互聯(lián)網(wǎng)主動調(diào)節(jié)亮度大小。臥室彩色燈，可通過手勢傳感器，顏色閃爍等參數(shù)聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)整體方案與硬件設計

2.1 硬件模塊設計

2.1.1 指紋識別模塊電路設計

AS608是一款常見的指紋識別模塊。內(nèi)置 DSP 運算單元，能夠高效快速采集圖像、識別指紋特征。具有性能高，使用方便的優(yōu)點。用戶無需過多的關注困難的圖像處理算法和指紋識別算法，僅需要通過簡單的串口按照數(shù)據(jù)手冊的通訊協(xié)議便可控制模塊。

智能門禁系統(tǒng)的AS608和AT89C52單片機連接電路圖如圖3所示：

2.1.2 可燃氣體采集電路設計

MQ-135傳感器需要加熱電壓時之正常工作，加熱電壓一般選取5V左右，這樣可以加快加熱速度，其他感應材料反應也更加完全，數(shù)據(jù)會更加準確，加測電壓一般大于2V就可以，但也無需太大，以防電壓太大燒掉電路。

MQ-135和單片機的硬件連接圖如圖4所示。

2.1.3 溫濕度采集電路設計

DHT11是最常見的數(shù)字溫濕度傳感器之一，他的內(nèi)部包含數(shù)字信號電路可進行自我校準，獨特的技術保證了模塊的可靠而且穩(wěn)定的性能。采用串行接口，僅需一根信號線，減少IO口的占用。

DHT11溫濕度傳感器預留出了四個接口，只需要將傳感器的接口和是單片機引腳連接即可。

2.1.4 蜂鳴器電路設計

有源蜂鳴器作為報警裝置，當存在危險時，或者有火焰被檢測到時，就會發(fā)出聲音報警。由于電流不夠，有源蜂鳴器無法直接被單片機引腳輸出電壓驅(qū)動，所以需要加一個驅(qū)動電路。

蜂鳴器由于自帶開關，所以連接一個GPIO引腳即可。

2.1.5 超聲波傳感器電路設計

超聲波傳感器用于測量傳感器到水面之間的距離，可根據(jù)測量的結(jié)果計算水箱剩余水量，本系統(tǒng)采用HC-SR04模塊，該傳感器可以測量最遠13英尺遠的物體范圍。HC-SR04具有功耗，性價比高，易于連接以及應用廣泛的特點。

2.1.6 土壤濕度檢測模塊電路設計

土壤濕度傳感器模塊（4線制）用于測量待測土壤的濕度信息。內(nèi)LM393運放芯片，LM393是常用的運放芯片，是土壤濕度檢測模塊的主要部分。接在土壤濕度傳感器端的兩個電極插入土壤中，由于土壤中的水有一定的導電性，所以土壤濕度的變化會導致土壤的等效電阻值發(fā)生一定的變化，這個變化的電阻信號會導致的電壓信號變化，這個電壓與電壓比較器提供的的基準電壓相比較。

2.1.7 12VLED電路設計

L298N是一個接收較高壓的電機驅(qū)動器，常用于小車之中，可用主控的TTL電平控制較高電壓，較高電壓范圍為6-46V，常用12V，在本智能照明系統(tǒng)中也用的是用的12V倆驅(qū)動12V的LED.。

2.1.8 WS2812彩色LED電路設計

WS2812是一款彩色LED的驅(qū)動器，使用方便簡單。該模塊采用單線通訊方式，節(jié)省IO口，且可以多級串聯(lián)。相較于普通IO口每一個燈需要一個引腳，該模塊大大減少了IO口的浪費。

2.1.9 APDS-9960手勢傳感器電路設計

APDS-9960是一款常見的收拾傳感器，常用于手機中，可以用來對設備進行一些簡單的控制。

2.1.10 LCD1602顯示模塊電路設計

本系統(tǒng)采用IIC接口的LCD1602模塊，該模塊將并行的接口轉(zhuǎn)換為IIC接口，大大減少了AT89C52單片機IO口的使用，間接增強了AT89C52單片機的驅(qū)動外設的能力，為矩陣案件等模塊留下了充足的IO口。非常適合外設比較多的系統(tǒng)的開發(fā)。

2.1.11 矩陣按鍵電路設計

矩陣案件的出現(xiàn)是為了減少按鍵對IO口的占用，利用矩陣按鍵我們使用N個按鍵只需要2x√￣N即可，大大減少了按鍵對IO口的占用。

2.1.12 ESP8266電路設計

WIFI模塊選用 ESP8266，它是一款功耗很低的UART-WIFI模塊。

ESP8266由一個WIFI模組和WIFI天線組成，它與單片機之間利用串口進行通信，可以實現(xiàn)開啟WIFI、連接WIFI等操作。

2.2 客戶端的方案設計

Blinker是最適合業(yè)余開發(fā)展DIY的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，支持藍牙、WiFi這兩種無線傳輸協(xié)議，常用作智慧家居、數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程控制等方面。官網(wǎng)有中文教程，對中文開發(fā)者友好。Blinker可以幫助開發(fā)者更快的完成復雜應用的開發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件程序設計

由于本系統(tǒng)一共有四個子系統(tǒng)：智能門禁系統(tǒng)，家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，智能澆花系統(tǒng)，智能照明系統(tǒng)。智能門禁系統(tǒng)實現(xiàn)面部識別，指紋解鎖功能;家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質(zhì)量和成分的而檢測;智能澆花系統(tǒng)通過超聲等模塊實現(xiàn)對植物的照顧;智能照明系統(tǒng)通過檢測手勢對燈光進行控制。

4結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)和智慧家園的迅速發(fā)展以及不斷深入的研究，物與物的連接、點和點通信以及集成化管理已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，基于wifi的智慧家園系統(tǒng)設計是一個涉及信息采集、信息處理、wifi信息傳輸、遠程控制、APP信息顯示等的一套可行的智慧家園系統(tǒng)。本系統(tǒng)硬件和軟件相結(jié)合，實現(xiàn)了本地設備--WiFi--用戶APP的數(shù)據(jù)互傳，用戶查看本地信息非常方便，且拓展性比較好，利用第三方成熟的物聯(lián)網(wǎng)平臺使得開發(fā)非常方便，同時物聯(lián)網(wǎng)平臺提供非常美觀、簡潔、方便、人性化的APP，在APP上面可以查看本地上傳的信息。本設計在保證性能的前提下，選取更好、更小巧、功耗更低的元件，將系統(tǒng)做到更便攜、功耗做到更低，是結(jié)合實際的同類型智慧家園設計方案中的最適合的方案。

參考文獻

[1]周首杰.基于單片機的PWM單相交流電機變頻調(diào)速設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2019，9（10）：55-57.

[2]高吉明.基于ARM和ZigBee的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].青島：青島科技大學，2016.

[3]施磊磊.基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)研究[D].鄭州：中原工學院，2017.

第一作者簡介：楊一超，男（2000-），漢族，山東煙臺人，本科學歷，研究方向：電子信息科學與技術

通訊作者： 趙瑩，女（1976-），漢族，吉林省九臺市人，碩士學歷，職稱：教授，研究方向：數(shù)字電子技術