基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

程 翔， 許正榮， 張昆明

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

0 引 言

智能家居是以住宅為平臺(tái)，應(yīng)用了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)，將家居設(shè)施關(guān)聯(lián)整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居生活的智能化控制[1,2]，使家居生活更加高效、舒適。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)的不斷發(fā)展為智能家居提供了便利，利用紅外、藍(lán)牙、ZigBee,射頻(RF)、Wi-Fi等短距離通信技術(shù)，可以方便地將傳感器采集到的信息傳至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，相比于有線通信避免了布線問(wèn)題，更加靈活。

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)普遍使用藍(lán)牙、Wi-Fi來(lái)使智能家居網(wǎng)關(guān)連接到手機(jī)，通過(guò)手機(jī)應(yīng)用(App)在室內(nèi)進(jìn)行控制，控制方式單一，使用范圍有限，且成本較高[3]，針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)，提供網(wǎng)頁(yè)端控制，可通過(guò)手機(jī)電腦控制家居設(shè)備，提供本地控制，可在主控制器的觸控屏上對(duì)家居進(jìn)行控制，模塊化程度高，降低了成本并且方便拓展傳感器與電器設(shè)備。

1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由三部分組成：節(jié)點(diǎn)、主控制器、服務(wù)器。節(jié)點(diǎn)是控制鏈的末端，承載著家居器件和傳感器，本系統(tǒng)中家居器件簡(jiǎn)化為照明燈，傳感器主要為溫濕度傳感器，節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，且對(duì)芯片性能要求不高，所以使用51單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)芯片；主控制器管理著各個(gè)節(jié)點(diǎn)，提供用戶操作界面，并連接服務(wù)器，使用STM32微處理器來(lái)滿足以上要求；服務(wù)器部署網(wǎng)站，還運(yùn)行有與硬件通信的后臺(tái)程序。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

用戶在網(wǎng)頁(yè)端點(diǎn)擊操作，網(wǎng)頁(yè)向網(wǎng)站后臺(tái)發(fā)送相應(yīng)請(qǐng)求，網(wǎng)站后臺(tái)結(jié)合通信后臺(tái)將指令發(fā)送至主控制器，主控制器將來(lái)自服務(wù)器的指令處理后下發(fā)至節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)按照指令控制繼電器，完成照明控制。主控制器每隔一段時(shí)間向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)指令索取傳感器數(shù)據(jù)，并上傳至服務(wù)器，網(wǎng)頁(yè)定時(shí)刷新傳感器信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié) 點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)電路板可連接繼電器或傳感器，系統(tǒng)中繼電器用于控制照明燈亮滅，傳感器用于采集溫濕度信息。節(jié)點(diǎn)電路主要包含單片機(jī)最小系統(tǒng)、電壓轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線射頻模塊和各類接口等。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)電路原理

節(jié)點(diǎn)編程芯片選用STC12C5A60S2，是由宏晶科技生產(chǎn)的高速增強(qiáng)型單時(shí)鐘/機(jī)器周期8051單片機(jī)，擁有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[4]，可使用keil4軟件進(jìn)行開發(fā)。無(wú)線射頻模塊為直插式NRF24L01模塊，是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段的單片無(wú)線射頻器芯片，擁有體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)[5]，使用SPI協(xié)議與單片機(jī)通信。為減小節(jié)點(diǎn)的體積，程序燒錄通過(guò)外置CH340G程序下載模塊完成，節(jié)點(diǎn)只提供相應(yīng)引腳接口，不含程序下載電路。節(jié)點(diǎn)供電為12 V直流電，通過(guò)DC插口連接電源，電壓轉(zhuǎn)換模塊為兩片AMS1117芯片，可分別提供5,3.3 V的輸出電壓，3.3 V電壓用于NRF24L01模塊。

傳感器或繼電器模塊可通過(guò)預(yù)留接口與節(jié)點(diǎn)連接，繼電器為5 V繼電器模塊，可負(fù)載10A/250V交流電，能控制常規(guī)照明燈和大多數(shù)家用電器的電源通斷，傳感器為DHT11溫濕度傳感器，這是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[6]，具有低功耗和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 主控制器

主控制器可與各個(gè)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程通信，通過(guò)觸控屏為用戶提供本地操控，并連接著服務(wù)器。主控制器選用阿波羅STM32F429IGX開發(fā)板，這是正點(diǎn)原子公司推出的基于ARM Cortex—M4內(nèi)核的開發(fā)板，最高主頻為180 MHz，該開發(fā)板具有豐富的板載資源，可滿足系統(tǒng)各方面要求，可使用keil5軟件進(jìn)行開發(fā)。NRF24L01無(wú)線射頻模塊與節(jié)點(diǎn)相同。

使用ESP8266—12F作為WiFi通信模塊，ESP8266是樂(lè)鑫公司生產(chǎn)的低功耗高集成度的WiFi芯片，支持802.11 b/g/n 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧[7]。本身可以承載程序來(lái)獨(dú)立執(zhí)行工作；也可以作為從機(jī)搭載到主機(jī)上，執(zhí)行主機(jī)的指令，起到Wi-Fi適配器的作用，ESP8266支持UART，SPI，I2C，GPIO等多種通信接口。

顯示屏為ATK—4342 RGBLCD，這是正點(diǎn)原子推出的高性能4.3寸RGB接口電容觸摸屏模塊，使用GT9147電容觸控芯片，支持24位真彩顯示，該屏幕易于安裝，可以滿足顯示控制界面的要求。主控制器上的模塊連接如圖3所示。

圖3 主控制器模塊連接

2.3 服務(wù)器

使用云服務(wù)器，入門級(jí)配置即可滿足需求。操作系統(tǒng)為CentOS7.3，是成熟、易用的Linux發(fā)行版。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)與主控制器通信

NRF24L01無(wú)線射頻模塊擁有6條工作通道，少于本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，不夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)一一分配，所以各節(jié)點(diǎn)模塊共同接收通道1的數(shù)據(jù)，設(shè)定節(jié)點(diǎn)編號(hào)，主控制器一對(duì)多以廣播形式向節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，節(jié)點(diǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到通道2以被主控制器接收；為避免出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同一時(shí)間段向主控制器發(fā)送信息產(chǎn)生碰撞干擾問(wèn)題，可以為通信方案加上防碰撞措施，如隨機(jī)延時(shí)重發(fā)、查詢樹算法等[8]，本文采用另一種方法，設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)只在收到指令后被動(dòng)回應(yīng)主控制器，不主動(dòng)發(fā)送信息，也就不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)發(fā)送，傳感器信息由主控制器向節(jié)點(diǎn)發(fā)指令索取，節(jié)點(diǎn)工作流程如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)工作流程

3.2 主控制器程序

主控制器程序基于HAL固件庫(kù)開發(fā)，程序主要包含驅(qū)動(dòng)各模塊運(yùn)行、顯示操作界面、與節(jié)點(diǎn)的通信、與服務(wù)器的通信等內(nèi)容。操作界面提供預(yù)設(shè)操作、照明控制和查看傳感器數(shù)據(jù)功能。用戶可以通過(guò)界面左側(cè)的房間列表在多個(gè)房間中切換選擇，選擇房間后可以在二級(jí)列表中進(jìn)一步選擇照明控制或查看傳感器，通過(guò)預(yù)設(shè)操作按鈕用戶可以一次執(zhí)行多個(gè)操作，如全開、全關(guān)。主控制器操作界面如圖5所示。

圖5 主控制器操作界面

3.3 網(wǎng) 站

網(wǎng)站包含登錄、選擇房間、照明控制和查看傳感器功能。網(wǎng)站基于PHP+MySQL+Apache架構(gòu)，網(wǎng)站使用了后臺(tái)框架ThinkPHP，這是一種MVC結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)開源PHP框架，擁有快速、兼容、輕量化的特點(diǎn)，適合于中小型項(xiàng)目；網(wǎng)站使用了前端框架LayUI，這是一種輕量級(jí)模塊化前端框架，適合于快速開發(fā)界面；網(wǎng)站適配移動(dòng)端以便于在手機(jī)上訪問(wèn)，手機(jī)網(wǎng)頁(yè)如圖6所示。

圖6 手機(jī)網(wǎng)頁(yè)

3.4 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)節(jié)

主控制器作為客戶端，與服務(wù)器建立TCP連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種聯(lián)網(wǎng)功能。服務(wù)端：PHP提供Socket支持，Socket是套接字，基于TCP/IP通信協(xié)議，是對(duì)TCP/IP協(xié)議的抽象[9]，在編程語(yǔ)言中，通過(guò)使用類似于create,connect,send,read等Socket接口函數(shù)，人們可以方便地進(jìn)行TCP通信。PHP自帶的Scoket函數(shù)只提供客戶端功能，不能監(jiān)聽端口以作為服務(wù)端，需要使用PHP的Socket擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽功能，本文使用了PHP的非官方擴(kuò)展Swoole來(lái)搭建Socket通信服務(wù)端， Swoole是高性能異步網(wǎng)絡(luò)通信引擎，可以用于編寫TCP，UDP，HTTP，WebSocket 服務(wù)。首先選定一個(gè)端口作為服務(wù)端通信端口，服務(wù)器需將此端口設(shè)為對(duì)外開放；然后利用Swoole編寫服務(wù)端通信腳本，內(nèi)容主要包含監(jiān)聽之前選定的通信端口，對(duì)該端口設(shè)置TCP連接事件回調(diào)、接收事件回調(diào)等，在回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行事務(wù)邏輯處理；最后腳本在服務(wù)器上后臺(tái)運(yùn)行，便形成了Socket通信服務(wù)端。

客戶端：主控制器通過(guò)ESP8266Wi-Fi模塊連接服務(wù)端，ESP8266模塊采用AT指令[10]，支持三種工作模式，AP(Access Point)模式、station模式、AP+station模式，本文使用station模式，即作為客戶端。主要使用指令“AT+CWMODE”選擇模式，指令“AT+CWJAP”連接Wi-Fi，指令“AT+CIPSTART”與服務(wù)端建立TCP連接，指令“AT+CIPMODE=1”開啟透明傳輸。

3.5 網(wǎng)頁(yè)指令下發(fā)

服務(wù)器與主控制器的通信由前文通信程序負(fù)責(zé)，網(wǎng)頁(yè)產(chǎn)生的控制指令最終需要由通信程序發(fā)送至主控制器，由于網(wǎng)頁(yè)不支持建立常規(guī)的Socket連接，網(wǎng)頁(yè)的控制指令無(wú)法直接發(fā)給通信程序，所以本文網(wǎng)頁(yè)控制指令照常以HTTP請(qǐng)求方式發(fā)送至網(wǎng)站后臺(tái)，再由網(wǎng)站后臺(tái)通過(guò)其他方式發(fā)給通信程序。

網(wǎng)站后臺(tái)與通信程序間可使用管道、共享內(nèi)存、Socket連接等方式進(jìn)行跨進(jìn)程通信，由于通信程序本身是一個(gè)Socket通信服務(wù)端，本文使用Socket連接方式，網(wǎng)站后臺(tái)獲取網(wǎng)頁(yè)控制指令后，通過(guò)建立Socket連接將指令發(fā)送至通信程序，然后關(guān)閉連接，最后再由通信程序?qū)⒅噶畎l(fā)送至主控制器，完成了指令的下發(fā)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于STM32微處理器、STC12單片機(jī)、NRF24L01無(wú)線射頻模塊及ESP8266WiFi模塊的智能家居控制系統(tǒng)，提供本地觸控操作和遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)操作。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試證明，該系統(tǒng)操作方便，延遲極小，運(yùn)行穩(wěn)定。節(jié)點(diǎn)預(yù)留引腳方便擴(kuò)展其他傳感器，可以為節(jié)點(diǎn)安裝紅外模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)空調(diào)、電視等控制，可以為節(jié)點(diǎn)安裝光照傳感器以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明控制等。