基于RT-Thread及OneNET的智能家居設(shè)計(jì)

朱 明，肖 松，黃 潔

（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引 言

隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、AR技術(shù)、語(yǔ)音圖像識(shí)別等智能科技的不斷更新發(fā)展與相互交融，智能家居也日趨多元化，并且多次實(shí)現(xiàn)新的突破。

由于目前很大一部分家居工作未完全脫離人為控制，或沒(méi)有很好地被人為控制。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，需要每個(gè)被控節(jié)點(diǎn)間相互聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)信息交換網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)家居參數(shù)測(cè)定顯示、設(shè)備便捷控制、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通信等具體功能，這也是一個(gè)難題。系統(tǒng)的控制范圍增加后，控制系數(shù)也會(huì)增加，并且會(huì)出現(xiàn)更多不可預(yù)測(cè)的問(wèn)題。通信與接入方式也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以近距離的通信、組網(wǎng)技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)；WiFi作為組網(wǎng)技術(shù)中的一種，在近距離通信中占主導(dǎo)。

基于此，文中提供面向智能家居的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)用方案，通過(guò)STM32單片機(jī)，結(jié)合OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與手機(jī)APP以及外圍傳感器檢測(cè)電路，構(gòu)成一套家居控制系統(tǒng)，多方面地提升家居智能化、便捷化、人性化、舒適化，并可以實(shí)現(xiàn)環(huán)?？刂啤?/p>

1 智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)選用面向智能家居的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，搭載STM32F4嵌入式微控制器為主控下位機(jī)，采集多種環(huán)境參數(shù)，如PM、溫濕度、可燃/有害氣體濃度等傳感器數(shù)據(jù)；通過(guò)ESP8266 WiFi芯片連接無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)并使用HTTP協(xié)議接入中移物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)；然后利用PHP服務(wù)器從OneNET平臺(tái)上獲取控制器上傳的環(huán)境參數(shù)信息發(fā)送到手機(jī)APP上；最后可以將APP作為上位機(jī)實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)環(huán)境信息或直接上傳控制數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)諸如遠(yuǎn)程控制電機(jī)啟停或其他被控對(duì)象工作等功能。系統(tǒng)控制方案流程如圖2所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 智能家居控制方案流程

1.1 智能家居控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

簡(jiǎn)易的智能家居可以實(shí)現(xiàn)功能如下：當(dāng)人們回到家中時(shí)，門(mén)口的人體紅外感應(yīng)會(huì)檢測(cè)到有人到來(lái)，并播放語(yǔ)音“歡迎回家”。進(jìn)入家門(mén)，智能報(bào)警系統(tǒng)項(xiàng)目全面啟動(dòng)，屋外進(jìn)行雨量檢測(cè)，如果下雨，實(shí)時(shí)播報(bào)，并進(jìn)行RGB三色雨量警告；如果室內(nèi)或者周邊有害氣體含量超標(biāo)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲；如果室內(nèi)溫度較高，控制風(fēng)扇的電機(jī)便會(huì)工作，并根據(jù)溫度高低自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等。

1.2 智能家居控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的核心是云平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端對(duì)智能家居中的諸多設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。搭載云平臺(tái)的是基于Cortex-M4體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC（精簡(jiǎn)指令集）STM32F4微處理器，擁有極其豐富的資源。本系統(tǒng)主要組成情況如下：

（1）為了采集環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，在室內(nèi)和室外布置多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)。由于系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)的速度很頻繁，所以對(duì)于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性要求不高?？紤]設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)性，采用ESP8266+OneNET+手機(jī)APP控制。

（2）設(shè)計(jì)采用RT-Thread操作系統(tǒng)，系統(tǒng)需要預(yù)留充足的I/O口用于擴(kuò)展更多的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及通信設(shè)備，并且將數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器中，綜合考慮采用STM32微處理器作為總控制器。

（3）采用ATK-VS1053MP3語(yǔ)音模塊，支持兩種格式的WAV錄音：PCM格式或者IMA ADPCM格式。其中PCM（脈沖編碼調(diào)制）是最基本的WAVE文件格式，這種文件直接存儲(chǔ)采樣的聲音數(shù)據(jù)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何的壓縮；而IAM ADPCM則是使用了壓縮算法，壓縮比率為4：1。

（4）采用的DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。

1.3 智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用RT-Thread操作系統(tǒng)，在搭建好的BSP工程基礎(chǔ)上添加所需的模塊函數(shù)。圖3是ESP8266模塊程序控制溫濕度信號(hào)的流程。

圖3 ESP8266模塊程序控制流程

首先在裸機(jī)開(kāi)發(fā)下正確讀取DHT11溫濕度數(shù)據(jù)；然后了解RT-Thread的sensor框架，將DHT11對(duì)接到sensor框架上并創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程，通過(guò)其讀取溫濕度數(shù)據(jù)，并通過(guò)FinSH控制臺(tái)實(shí)時(shí)打印數(shù)據(jù)；通過(guò)ENV工具獲取NRF24L01軟件包后加載到MDK工程頁(yè)面中，實(shí)現(xiàn)DHT11線(xiàn)程與NRF24L01線(xiàn)程之間的數(shù)據(jù)通信；通過(guò)修改NRF24L01軟件包，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信功能；在接收節(jié)點(diǎn)中使用RT-Thread文件系統(tǒng)存放節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)上位機(jī)中的數(shù)據(jù)幀格式，通過(guò)串口發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到上位機(jī)；最后再配置RT-Thread的OneNET云軟件包和AT組件，并使用它們實(shí)現(xiàn)將接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)ESP8266 WiFi模塊上傳至OneNET服務(wù)器，云端通過(guò)圖形可視化處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控。

通過(guò)ESP8266 WiFi芯片連接無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)并使用HTTP協(xié)議接入中移物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備云開(kāi)放平臺(tái)，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)上傳。同時(shí)，利用PHP服務(wù)器從OneNET平臺(tái)上獲取環(huán)境信息，并下發(fā)到手機(jī)APP上。

APP將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示到用戶(hù)界面上，用戶(hù)便可以遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)獲取與控制室內(nèi)的溫度、濕度等參數(shù)，極大地?cái)[脫了短距離遙控的限制。

1.4 智能家居系統(tǒng)客戶(hù)端設(shè)計(jì)

本Android客戶(hù)端的開(kāi)發(fā)環(huán)境基于Android Studio3.3，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言JAVA?？蛻?hù)端的設(shè)計(jì)主要包括UI界面、通信模塊搭建、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、語(yǔ)言功能設(shè)計(jì)四個(gè)方面。

安裝好APP后首先進(jìn)入設(shè)計(jì)的登錄界面如圖4所示，通過(guò)提供的登錄賬號(hào)和密碼進(jìn)入智能家居管理系統(tǒng)，如圖5所示。

圖4 登錄界面

圖5 智能家居管理系統(tǒng)

2 系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)調(diào)試有如下兩個(gè)步驟：

（1）通過(guò)STM32控制器采集與顯示數(shù)據(jù)；

（2）通過(guò)服務(wù)器實(shí)時(shí)傳輸與顯示數(shù)據(jù)。

STM32控制器繼續(xù)通過(guò)各個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)處理顯示到LCD液晶屏上。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，結(jié)果符合要求，最終數(shù)據(jù)采集界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集調(diào)試界面

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示需要STM32單片機(jī)借助ESP8266 WiFi模塊，并通過(guò)HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，然后再?gòu)姆?wù)器中實(shí)時(shí)查詢(xún)和顯示數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)查詢(xún)、顯示界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用框架，目的是盡可能多地將家具集中化，然后再進(jìn)行智能化管理。資源豐富的STM32嵌入式控制器作為主控機(jī)，根據(jù)不同家具的實(shí)際情況與其建立聯(lián)系，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與手機(jī)APP可以實(shí)現(xiàn)人為實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。雖然現(xiàn)在部分檢測(cè)與控制功能未進(jìn)行多次的實(shí)地試驗(yàn)，無(wú)法完全準(zhǔn)確地提供智能家居相關(guān)設(shè)備的參數(shù)，但是基本具備了預(yù)期的能力。通過(guò)不斷調(diào)試優(yōu)化與更新迭代，增設(shè)新的功能，會(huì)逐漸完善智能家居控制系統(tǒng)。

同時(shí)，本設(shè)計(jì)突出特點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保，利用低成本的設(shè)備構(gòu)建所需的居家條件；并且可以通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)進(jìn)入低功耗模式，降低使用成本。