基于STM32的智慧家庭設(shè)計

劉鵬飛， 張微風(fēng)， 吳晨旭， 孫曉明

(哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與儀器黑龍江省高校重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 引 言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟與科技水平的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷深入發(fā)展和成熟，物聯(lián)網(wǎng)開始逐漸步入社會大眾的視野。早在2009年的8月，溫家寶總理就提出了“感知中國”這一重要的戰(zhàn)略，在國家的“十二五”規(guī)劃中物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為新興的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)得到了大力的扶持與培育，人們將不單單實現(xiàn)人與物體之間的感應(yīng)與通信，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)物體與物體之間的自主交流、控制、協(xié)同工作[1]。智慧家居系統(tǒng)是現(xiàn)代電子科學(xué)、通訊技術(shù)與自動化互相結(jié)合、相輔相成的科技產(chǎn)物，其中的智能家庭控制系統(tǒng)的主要目標就是供應(yīng)高效、合理的生活環(huán)境，用以保護戶主的生命財產(chǎn)安全，為戶主創(chuàng)造出放松、溫馨的家居生活環(huán)境。

從世界范圍的角度來看智能家居的發(fā)展，其提出到現(xiàn)在已經(jīng)有很多年了。法國的Marie Chan[2]等人通過對老年人生活習(xí)慣的觀察進而研制了老年人在家庭生活中密切需要的各種智能裝置設(shè)備，并且可以根據(jù)不同人群的生活需要給與適合他們的可穿戴或者在室內(nèi)裝置植入式的智能系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。Johari[3]等人研究了利用GSM模塊通信的智能家居電子控制系統(tǒng)，意圖通過此技術(shù)減少家居電能的無端浪費。但通常來講傳統(tǒng)的智能家居是依靠復(fù)雜的布線來實現(xiàn)用戶的控制，但是所面臨的后果就是功能的單一性和難以維修性。通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠促成設(shè)備之間的基礎(chǔ)無線通信與長距離監(jiān)控，因此大幅減弱了智能家居的局限性[4]。

從國內(nèi)的角度來看智能家居的發(fā)展，目前存在許多問題。首先是不同公司所采用的研發(fā)技術(shù)不盡相同，導(dǎo)致對同一種智能產(chǎn)品的控制也大相徑庭。不同廠商生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不互相兼容，甚至有時相同廠商生產(chǎn)出來的產(chǎn)品也是互相獨立，不能夠進行集中控制，用戶體驗差，不利于智能家居向更深層次的發(fā)展。其次由于我國智能家居發(fā)展時間比較短，目前很多技術(shù)還處于起步階段，從而導(dǎo)致部分能夠進行集中控制的智能家居系統(tǒng)安裝和使用成本都很高，一般只有高檔住宅區(qū)才有能力安裝此產(chǎn)品，普通用戶難以接受。

針對上述問題與不足，本文設(shè)計了一個簡易實用的家庭系統(tǒng)，相比于目前市面上各功能相互獨立的智能家居系統(tǒng)，例如采用不同系統(tǒng)控制的防盜系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)等，本文設(shè)計的系統(tǒng)將人臉識別自動開門、室內(nèi)CO濃度檢測與處理、室內(nèi)光照度檢測與控制照明、室內(nèi)溫度檢測顯示、室內(nèi)離人安防檢測報警等功能有序地實現(xiàn)在一套系統(tǒng)中，無需多系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)，安全可靠。并且相比于同種市面上能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制的智能家居系統(tǒng)，本系統(tǒng)的成本低廉，使普通用戶也能夠享受到智能家居帶來的便捷生活。

2 系統(tǒng)方案的選取與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RCT6芯片作為主控，并調(diào)用OPEN MV實現(xiàn)人臉辨認，利用溫度傳感器、光電開關(guān)、熱釋電模塊、舵機、CO傳感器、光敏傳感器與直流電機等模塊相配合用以實現(xiàn)智能監(jiān)測并處理家居環(huán)境信息。部分采集數(shù)據(jù)與處理結(jié)果會在TFT_LCD顯示屏上進行對應(yīng)的顯示。如果檢測到異常CO值則自動啟動風(fēng)扇以提供換氣功能。如果在戶主離開的情況下有外人闖入則 GSM 無線報警模塊將發(fā)送報警短信至戶主手機端。自動采集室內(nèi)環(huán)境光照度，在低于正常生活需要標準時則自動開啟燈光，高于標準值時關(guān)閉燈光，以起到節(jié)能作用。最后通過無線保真(Wireless-Fidelity,WIFI)方式從手機端傳輸開門指令自動開關(guān)門。

基于上述功能論述的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure diagram

2.2 人臉識別系統(tǒng)

本文采用LBP(Linear Back Projection)特征值提取用來分辨不同的人臉，LBP俗稱累加法，是很早開始利用ECT圖像重建的成像算法，其通過將固定一點包含在內(nèi)的所有投影光線進行疊加，再通過反向的計算加估算從而得出這一固定點的密度值。從成像的原理來看，這種做法屬于不完全雷登逆變換[5]，完整的雷登逆變換需要包含反投影、歸一化、微分、希爾伯特變換等步驟。在數(shù)字圖像處理邏輯和智能識別領(lǐng)域內(nèi)，該方法后來又提升為一種比較合理的描述算子，在其提取特定圖像局部紋理信息時，不受圖像光照強度的影響，即光照強弱對結(jié)果具有不變性。LBP也有很多的變種和改進，單純的LBP算法是獲得固定點的像素和其周圍像素值的對比程度，通常來講就是檢測其兩者的對應(yīng)差異度，在其控制范圍內(nèi)根據(jù)LBP值統(tǒng)計其直方圖，把直方圖作為判別特性的依據(jù)。這樣做的益處是在特定程度上規(guī)避了圖像沒有100%瞄準的問題，也對LBP特征做了降維處理。對于獲得的直方圖特性，有多種方式可以判別其相似性。設(shè)想已知人臉直方圖為Mi，待匹配人臉直方圖為Si，那么可以通過直方圖交叉核方法或者卡方統(tǒng)計方法計算出來：

(1)直方圖交叉核方法：

(1)

(2)卡方統(tǒng)計方法：

(2)

本文選用的是OpenMV嵌入式圖像處理攝像器，簡單來說，它是一個可編程的攝像頭，通過 MicroPython程序庫，可以很方便地調(diào)用部分機器視覺開源算法。在MicroPython函數(shù)庫中，對所捕獲的圖像的LBP鍵點的提取有固定的函數(shù)從roi輸入圖像中提取局部二值模式(LBP)特征值。然后，通過編寫采集人臉 LBP 特征值的函數(shù)進行建立家庭成員的人臉函數(shù)庫，攝像頭實時采集的圖像的 LBP 鍵值跟圖像庫里的每個人臉圖片一一進行比對，計算出每個的特征差異度值，一旦發(fā)現(xiàn)正在檢測的人臉是包含在人臉數(shù)據(jù)庫里的，則傳遞信號給單片機(Microcontroller Unit,MCU)，MCU立即啟動舵機自動開門。

在做好攝像頭檢測的同時，還要兼顧節(jié)約資源，因為攝像頭安置在系統(tǒng)模型的房屋門上，所以只需考慮當(dāng)有人靠近門口一定距離之后才自動識別人臉，故本文選用熱釋電模塊HC-SR501來完成檢測人體的任務(wù)。由參考文獻[6]可知該傳感器輸出高電平有延遲時間，其工作原理通常為熱輻射原理。人體在體溫恒定的情況下所發(fā)出的紅外射線均為10 μm左右，如果人體活動在模塊感應(yīng)范圍內(nèi)，則輸出將始終保持高電平，直到人們離開時才延遲高電平變低(傳感器模塊在每次人體自動活動后被檢測到)，以上一次活動為延遲時間的起點)，而高低電平的結(jié)果反饋給攝像頭，如果為高電平則喚醒攝像頭的人臉識別功能開始工作，如果為低電平則攝像頭休眠節(jié)約能源。

2.3 WIFI無線傳輸開門指令

本文選用的WIFI通信模塊為ESP8266模塊。ESP8266模塊是一個完整的而且可以自搭體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)方案模塊，也能夠搭配相應(yīng)的軟件進行開發(fā)。在其搭載應(yīng)用并是其中唯一的處理器時，該模塊可以利用外部FLASH啟動，內(nèi)置的高速存儲器可以更有利于系統(tǒng)的性能提升，并且能夠使內(nèi)存的要求降低。其實還有另外一種情況，當(dāng)無線網(wǎng)接入了WIFI適配器任務(wù)時，任何的包含微控制器的設(shè)計均可以添加該模塊，從配置上來講該模塊的連接方式很簡單，只需要串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface,SPI)或高級高性能總線(Advanced High Performance Bus,AHB)橋接口即可。ESP8266的芯片內(nèi)集成了非常多的模塊，其中有像電源管理轉(zhuǎn)換器、天線的開關(guān)等等，所以其應(yīng)用十分簡單，對外部電路的要求也很低。在平時PCB設(shè)計時其占用的空間也十分可觀，其強大的存儲能力與SOC處理能力使得調(diào)用GPIO口集成傳感器或是應(yīng)用其他設(shè)計提供了最少占用資源的益處[7]?？傊?，配備有ESP8266的系統(tǒng)具有的特征為低功率操作的自適應(yīng)無線電偏置、睡眠/喚醒模式之間的快速切換、前端信號處理功能等。

在穿戴電子設(shè)計與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，ESP8266可與其他幾項技術(shù)一起配合使用以獲得最低功耗的機器狀態(tài)。而節(jié)能狀態(tài)共分為3種模式：深睡眠模式、睡眠模式和激活模式?？梢酝ㄟ^編程，使得ESP8266在發(fā)現(xiàn)某種特定情況時自覺喚醒工作，也可以通過程序使得時鐘在固定的時間內(nèi)喚醒ESP8266進行工作。在某些移動SOC上面該特性具有很大的作用，例如SOC在啟動WIFI之前處于低功耗狀態(tài)，為了滿足設(shè)備對電子產(chǎn)品功率的需求，ESP8266在比較短的距離之內(nèi)可以通過利用編程來降低輸出功率進而降低整體系統(tǒng)的功耗，用來適應(yīng)不同的設(shè)計方案。

需要注意的是本次下載好固件的模塊的AT指令波特率為115 200、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。模塊支持STA+AP/STA/AP等3種工作模式，常用的AP模式也就是將ESP8266模塊自己配置成WIFI熱點，用以電腦或者手機移動終端通過互聯(lián)網(wǎng)進行直接接入，最后實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)控制。而常用的STA模式為由該模塊直接連接到由其他路由器所建立起來的局域網(wǎng)內(nèi)，同時將手機等移動終端連接到相同的局域網(wǎng)之內(nèi)，需要了解到每個設(shè)備自身的固定IP，這樣之后通過配置AT指令將處于相同局域網(wǎng)內(nèi)的移動終端與ESP8266模塊互相連接，完成信息的傳輸。最后的STA+AP模式也就是上述兩種模式功能的共存模式。

本文主要采用串口無線模式進行工作，也就是STA(COM-STA)模式。ESP8266作為無線STA連接進手機開啟的熱點內(nèi)，與手機進行數(shù)據(jù)互傳，可以認為手機相當(dāng)于TCP的服務(wù)器，模塊相當(dāng)于TCP的客戶端，最后通過透傳模式完成數(shù)據(jù)傳輸通道的建立[8]。

配置模塊具體的AT指令步驟如表1所示。

表1 串口無線模式手機端配置Tab.1 Serial port wireless mode mobile phone configuration

2.4 室內(nèi)CO濃度實時監(jiān)測與處理系統(tǒng)

本文選用的CO濃度氣體檢測模塊為MQ-7 一氧化碳氣體傳感器。該氣體傳感器的氣敏材料是用電導(dǎo)率很低的二氧化錫，采用循環(huán)的檢測方式來檢測一氧化碳。也就是說如果空氣中的一氧化碳氣體濃度不斷增加[9]，那么氣體傳感器的電導(dǎo)率也跟隨著不斷增加。傳感器的表面電阻Rs是通過與其串聯(lián)的負載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為:

RS/RL=(VC-VRL)/VRL.

(3)

然后采用STM32F103RCT6主控的一個ADC進行CO傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得轉(zhuǎn)換后的量化值。在系統(tǒng)主程序中設(shè)定一個室內(nèi)CO濃度存在的最大閾值，將ADC通道采集并轉(zhuǎn)換后的量化值與該閾值進行實時對比，一旦獲得的量化值超過閾值，MCU就立即給直流電機所接引腳低電平，啟動直流電機帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)室內(nèi)換氣。直到CO濃度低于設(shè)定的安全值時，風(fēng)扇自動停止換氣。

2.5 室內(nèi)光照度實時監(jiān)測與自動照明系統(tǒng)

本文設(shè)計的光敏傳感器為基于光敏電阻而設(shè)計的光敏電阻傳感器。光敏電阻俗稱光導(dǎo)管，硫化鎘通常作為其制作材料，也有硫化鉍、硫化鋁、硫化鉛等作為材料制作的。其原理可以概括為特殊材料在某一種特殊波長的光照下，其阻值立即降低[10]。本次設(shè)計的光敏模塊PCB 尺寸為3.2 cm×1.4 cm，工作電壓為3.3～5 V，配備有LM393比較器，輸出信號干凈，波形完美，并且驅(qū)動能力也很強，單峰電流超過了15 mA，其中還內(nèi)嵌了一個可調(diào)電位器進行手動調(diào)節(jié)，檢測光線照度。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，電路原理圖如圖3所示。

圖2 光敏電阻傳感器電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of photoresistor sensor circuit

圖3 光敏電阻傳感器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of photosensitive resistance sensor circuit

通過該光敏傳感器模塊將室內(nèi)的實時光照度轉(zhuǎn)換成高低電平進行輸出，通過引腳傳輸?shù)組CU內(nèi)部，再由程序判斷電平的高低來決定是否驅(qū)動外置的LED燈的亮滅來補充室內(nèi)光照，如果室內(nèi)光照度充足，則LED燈自動熄滅，起到節(jié)約電能的作用。

2.6 室內(nèi)安防監(jiān)測與自動報警系統(tǒng)

本文采用BKF-DS300C1型號的光電傳感器與SIM800C GSM/GPRS模塊來完成該部分功能。這款光電傳感器是一款集接收與發(fā)射于一體的光電傳感器，其發(fā)射的光通過漫反射被設(shè)備的接收部分所感知，進而進行調(diào)制輸出。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等優(yōu)點，傳感器的最遠檢測距離是3 m，在保持室內(nèi)擁有適宜的光照度的情況下，正常房屋臥室內(nèi)窗戶的標準尺寸為1.2 m×1.5 m左右，室內(nèi)客廳窗戶的標準尺寸為1.5 m×1.8 m左右，衛(wèi)生間內(nèi)的窗戶尺寸為0.6 m×0.9 m左右，采用兩個BKF-DS300C1型號的傳感器對稱分布，則傳感器所覆蓋的監(jiān)測寬度最大為6 m，滿足正常情況下室內(nèi)不同房間窗戶的寬度，具有很強的適用性[11]。將光電傳感器分別放置在窗戶的兩側(cè)，可以判斷是否有人通過翻窗戶強行闖入室內(nèi)的情況發(fā)生。當(dāng)有物體遮擋在該傳感器前面時該傳感器的信號線輸出低電平，該信號通過與MCU相連的引腳傳入主控，進而MCU根據(jù)得到的信號繼續(xù)控制與SIM800C GSM/GPRS模塊相連的引腳以驅(qū)動該模塊的運行。它是一款高性能的工業(yè)級GSM/GPRS模塊，其中搭載了SIMCOM公司的工業(yè)級四頻模塊，工作頻段為850/900/1 800/1 900 MHz，所以可以實現(xiàn)小功耗的語音、短信、藍牙和彩信等數(shù)據(jù)傳輸功能[12]，通過簡單的串口AT指令的配置，就可以實現(xiàn)模塊給戶主人手機上發(fā)送短信的功能，用以提示戶主室內(nèi)有人非正常闖入。短信的讀取與發(fā)送將用到的指令配置步驟如表2所示。

表2 短信發(fā)送配置AT指令步驟

短信的內(nèi)容在編譯主控程序時已經(jīng)設(shè)置為固定的字符串，由固定的指針變量對應(yīng)，在發(fā)送完最后一條AT指令后由系統(tǒng)直接發(fā)送給模塊，再由模塊發(fā)送到對應(yīng)的手機號里，完成短信傳輸工作。

3 主控系統(tǒng)總體編程

在編寫主控程序的開始需要給所引用的所有函數(shù)進行頭文件引用。完成該項任務(wù)后，開始進入主程序的編寫，在main主函數(shù)里先把本次設(shè)計所用到的所有變量進行逐一復(fù)制或定義，以便接下來的函數(shù)能夠正常應(yīng)用這些變量。設(shè)置室內(nèi)報警短信內(nèi)容為“Your home was stolen”，并賦值給p1指針變量，設(shè)定室內(nèi)CO濃度閾值為370，賦值給bb變量，設(shè)定接收變量 ReadValue、短字節(jié)變量 temperature、以及系統(tǒng)初次采集回來的ADC電壓值賦值變量adcx ，然后開始初始化函數(shù)，例如初始化中斷NVIC_Configuration()，初始化USMART函數(shù)usmart_dev.init(72)，初始化串口、延時函數(shù)、ADC 函數(shù)、內(nèi)存池、LCD調(diào)用函數(shù)、DS18b20 調(diào)用函數(shù)、光敏電阻傳感器調(diào)用函數(shù)等。

在初始化完本次設(shè)計的主程序所有調(diào)用函數(shù)之后，首先展開while函數(shù)進行不斷的大循環(huán)，該循環(huán)用以保證系統(tǒng)的正常工作。進入大循環(huán)函數(shù)內(nèi)，首先檢測系統(tǒng)是否接入了DS18b20模塊，如果正常從GPIOA0引腳引入了該模塊的信號線，則系統(tǒng)調(diào)用LCD屏幕顯示函數(shù)用來在LCD屏幕上顯示“DS18B20 OK”字樣，否則就會顯示“DS18B20 Error”用來表達此模塊沒有正常的接入系統(tǒng)或是系統(tǒng)無法正常識別模塊。然后調(diào)用LCD函數(shù)顯示設(shè)計者姓名信息、日期等消息，接下來進入新的while 循環(huán)。

首先通過GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_15)函數(shù)調(diào)用接收從GPIOA15引腳輸入進來的電平值，并賦給變量ReadValue。接下來需要經(jīng)過一個if判斷，如果ReadValue的值為1，則通過函數(shù)GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4)使GPIOA4引腳輸出高電平，此引腳外接一個LED燈，15腳接的是光敏傳感器的信號線，也就是說如果光敏傳感器接受到外接光強低于正常閾值時反饋高電平，主控采集之后做出決定，通過高電平點亮外接LED進行補光，類似開啟外接電燈，起到自動開燈的功能，之后進入下一個環(huán)節(jié)。如果DS18b20已經(jīng)正確接入系統(tǒng)，那么開始每100 ms讀取一遍模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器，從而取得溫度的具體數(shù)值，讀取成功之后調(diào)用LCD顯示函數(shù)顯示溫度數(shù)值。

延時10 ms之后開始通過函數(shù)Get_Adc_Average()讀取ADC1 通道1采集回的電壓值，并將值賦給變量adcx，然后再次調(diào)用LCD顯示函數(shù)進行ADC電壓值顯示，并做好后期調(diào)用準備。接下來是幾個if判斷語句，當(dāng)然判斷的條件就是adcx與之前設(shè)定的CO閾值變量 bb，如果adcx 的值大于bb，則打開風(fēng)扇進行換氣功能，如果adcx的值小于bb，則在LCD屏幕上顯示“Air qualified”。最后就是判斷是否有外接闖入者進入室內(nèi)的問題，通過光電開關(guān)判斷是否有物體闖入，如果有則通過GPIO引腳反饋信息，之后主控開始調(diào)用短信發(fā)送函數(shù)進行發(fā)送短信工作。這就是本文設(shè)計主控芯片系統(tǒng)編程的總體內(nèi)容，程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart diagram

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1 人臉識別測試

在測試整體系統(tǒng)運行過程中，我們選取了3個不同的實驗室進行測試，分別將本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)安裝在實驗室1、實驗室2和實驗室3中，并且在每個實驗室的系統(tǒng)中都提前錄入同一組由30人組成的人臉數(shù)據(jù)，進而在每個實驗室中30人每人測試2次人臉識別功能，共計測試60次，記錄識別成功次數(shù)與失敗次數(shù)，并由成功次數(shù)比上測試總次數(shù)從而獲得該測試實驗室下人臉識別系統(tǒng)的成功率，測試結(jié)果如表3所示。

表3 人臉識別測試結(jié)果表Tab.3 Face recognition test table

由實驗數(shù)據(jù)可以得到，該系統(tǒng)的人臉識別成功率基本上穩(wěn)定在百分之百，識別成功率高，功能成功實現(xiàn)。人臉識別系統(tǒng)運行如圖5所示。

圖5 人臉檢測運行圖Fig.5 Face detection running graph

4.2 WIFI無線傳輸與移動端控制開門測試

首先在測試手機等移動端控制開門的功能前需要搭建起室內(nèi)TCP客戶端與服務(wù)器連接網(wǎng)絡(luò)，開啟手機移動熱點局域網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)名稱與密碼，然后將手機作為TCP服務(wù)器，而將安置在室內(nèi)的智能家居系統(tǒng)中的ESP8266模塊作為客戶端模式連接進手機開啟的局域網(wǎng)之中。配置完成后，通過電腦端串口助手可視化顯示室內(nèi)家居系統(tǒng)與手機之間的WiFi通信，如圖6、7所示。

圖6 智能家居客戶端接收手機服務(wù)器發(fā)來的信息圖Fig.6 Smart home server receives information from the mobile phone server

圖7 手機服務(wù)器顯示家居系統(tǒng)發(fā)來的信息圖Fig.7 Mobile phone client side displays the information map sent by the home system

經(jīng)檢測，WIFI無線傳輸信息功能成功實現(xiàn)。在系統(tǒng)程序的編寫中已經(jīng)定義手機一鍵輕松出門、自動關(guān)門實現(xiàn)的特定指令，在安裝了本家居系統(tǒng)的3個實驗室內(nèi)分別用手機進行了實地測試，在發(fā)送特定開門指令后各實驗室的房間門均按要求自動打開，定時自動關(guān)門。

4.3 CO傳感器、溫度傳感器工作測試

在測試實驗室內(nèi)CO濃度時，為了模擬室內(nèi)CO濃度逐漸升高，在CO濃度傳感器下點燃打火機，從圖8、圖9、圖10中可以看到實時監(jiān)測的CO濃度值在不斷升高，從最開始的2.48×10-4迅速提升到5.61×10-4。

圖8 CO濃度實時采集顯示圖1Fig.8 Display chart 1 of CO concentration real-time acquisition

圖9 CO濃度實時采集顯示圖2Fig.9 Display chart 2 of CO concentration real-time acquisition

圖10 CO濃度實時采集顯示圖3Fig.10 Display chart 3 of CO concentration real-time acquisition

當(dāng)智能家居系統(tǒng)檢測到CO濃度超出所設(shè)定的正常室內(nèi)CO濃度值時，測試環(huán)境內(nèi)的風(fēng)扇成功自動打開，用以起到換氣功能，降低室內(nèi)CO濃度。在CO濃度低于設(shè)定閾值后自動關(guān)閉風(fēng)扇，成功完成該功能的測試。

在測試系統(tǒng)溫度采集功能時，我們分別采集3個測試實驗室各自在早晨6點、中午12點以及晚上6點3個時間節(jié)點的水銀溫度計標準溫度與家居系統(tǒng)采集的溫度值，如表4、表5所示。

表4 水銀溫度計采值表Tab.4 Value table of mercury thermometer

表5 家居系統(tǒng)溫度采值表Tab.5 Temperature acquisition table of household system

由表4、表5中的數(shù)據(jù)對比可知，該智能家居系統(tǒng)與標準水銀溫度計在相同時間節(jié)點所測的溫度值差值的絕對值不超過0.5 ℃，故證明家居系統(tǒng)的溫度采集合理有效，系統(tǒng)采集溫度運行圖如圖11所示。

圖11 室內(nèi)溫度采集顯示圖Fig.11 Display diagram of indoor temperature acquisition

4.4 光照度實時監(jiān)測與自動照明系統(tǒng)測試

居住建筑起居室或者餐廳內(nèi)的光照度滿足人們一般活動需求的條件是其內(nèi)部在0.75 m高度水平面上照度值超過150 lx[13-14]，故此分別在所測試的3個實驗室內(nèi)相距地面高度為0.75 m處采集家居系統(tǒng)所測得的光照度數(shù)值與用標準照度計測試出的光照度數(shù)值，測試時間統(tǒng)一選取同一日期的下午5點。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

表6 光照度采集值對照表Tab.6 Comparison table of illuminance acquisition values

由表6中的數(shù)據(jù)可知，假定標準照度計所測得的數(shù)據(jù)均為標準值，家居系統(tǒng)的光照度檢測與標準光照度之間的差值不超過4 lx，系統(tǒng)所測得的光照度值基本準確。智能家居系統(tǒng)反饋的光照度信息如圖12所示。

圖12 光照度反饋圖Fig.12 Illuminance feedback chart

在測試系統(tǒng)自動照明功能時，在測試的3個實驗室內(nèi)分別觀察智能家居系統(tǒng)反饋光照度值得變化過程，當(dāng)外界自然光照隨著時間不斷減少時，系統(tǒng)反饋的光照度值不斷下降，當(dāng)其值低于系統(tǒng)設(shè)定的正?；顒娱撝?50 lx時，系統(tǒng)自動開啟室內(nèi)LED燈照明，通過實地驗證3個測試實驗室內(nèi)智能家居系統(tǒng)均實現(xiàn)了此功能。

4.5 短信提示戶主系統(tǒng)測試

在驗證室內(nèi)離人安防短信報警過程中，在安裝了智能家居系統(tǒng)的實驗室中模擬了不法分子通過跳窗戶從而非法進入室內(nèi)的場景，如圖13所示。

圖13 模擬非法入侵圖Fig.13 Siulated illegal invasion diagram

當(dāng)不法分子闖入之后，觸發(fā)安裝在窗戶旁邊的傳感器，MCU立即采取響應(yīng)措施，向戶主手機發(fā)送報警信息，如圖14所示。

圖14 短信報警提示圖Fig.14 SMS alarm prompt diagram

經(jīng)實地檢測，系統(tǒng)成功完成了短信報警提示功能。

5 結(jié) 論

通過綜合調(diào)試與供電，系統(tǒng)的總體運行比較順利，各個傳感器模塊的信息采集也非常準確穩(wěn)定，各個部分之間的工作搭配協(xié)調(diào)有序，當(dāng)室內(nèi)CO濃度過高時可以實現(xiàn)自動換氣，WIFI數(shù)據(jù)傳輸也很精準，系統(tǒng)整體調(diào)用傳感器的采回值準確，短信報警功能也很正常，將人臉識別自動開門、室內(nèi)CO濃度檢測與處理、室內(nèi)光照度檢測與控制照明、室內(nèi)溫度檢測顯示、室內(nèi)離人安防檢測報警等功能成功地實現(xiàn)在一套系統(tǒng)中。整個系統(tǒng)的成本費用為500元左右，而目前市場上銷售的智能家居系統(tǒng)整體價格一套最少也在1～2萬元之間，經(jīng)此對比本文成功設(shè)計了一個成本低廉、價格能夠被普通用戶所接受的功能比較齊全的智能家居系統(tǒng)。