基于無線WiFi技術(shù)的智慧家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

岳麗穎

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南省 鄭州市 450000)

傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)主要采取了主機(jī)控制、分散管理和零星布置的方式，在一定程度上改善了傳統(tǒng)居家環(huán)境。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能終端設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展，智慧家居系統(tǒng)受到了越來越多家庭的青睞。智慧家居可以提供電子遠(yuǎn)程控制、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能化的電子設(shè)備自動(dòng)控制，大大改變了人們的居家環(huán)境。

基于無線WiFi技術(shù)的智慧家居系統(tǒng)主要是對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及自我調(diào)節(jié)，對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行智能化控制傳感器采集、視頻監(jiān)控與語音采集、終端控制、溫濕度控制、APP遠(yuǎn)程控制和外圍電路繼電器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于無線WiFi技術(shù)的智慧家居系統(tǒng)采用ARM-STM32F103作為核心處理器,對(duì)室內(nèi)環(huán)境各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以及通過WiFi模塊向終端設(shè)備發(fā)出命令執(zhí)行一系列的操作[1]。主要模塊功能如下：

(1)傳感器采集模塊的主要功能為光照強(qiáng)度、噪聲、空氣質(zhì)量(PM2.5、甲醛等)、煤氣、溫度濕度等家居環(huán)境參數(shù)采集。

(2)監(jiān)控語音采集模塊主要實(shí)現(xiàn)家居視頻和語音指令的采集；終端控制主要實(shí)現(xiàn)燈具、空調(diào)、窗簾等家用電器的控制功能。

(3)溫度濕度控制模塊功能主要是實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的升降溫、加濕或者除濕的控制。

(4)APP遠(yuǎn)程控制模塊主要實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的家居設(shè)備遠(yuǎn)程操控等；外圍電路設(shè)計(jì)主要是智慧家居環(huán)境的電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)試和復(fù)位等電路部署設(shè)計(jì)。智慧家居總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 智慧家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片ARM-STM32F103-Cortex M3

ARM-STM32F103-CortexM3主控芯片內(nèi)置了128位邏輯控制器，工作頻率為144 MHz。該芯片擁有4個(gè)無線WiFi接口、4個(gè)24位的D/A轉(zhuǎn)換器、64個(gè)有線通信接口、8個(gè)定時(shí)器接口、4個(gè)I2C總線接口和4G大容量高速嵌入式存儲(chǔ)器，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.1 ms[2]。該主控芯片冗余接口多，方便后期系統(tǒng)維護(hù)，大大滿足了智慧家居所需要的控制需求。

2.2 數(shù)據(jù)傳感器采集模塊

智慧家居系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集家庭環(huán)境的內(nèi)部數(shù)據(jù)，包括室內(nèi)光照強(qiáng)度、甲醛濃度、PM2.5濃度、空氣環(huán)境的溫度濕度等。環(huán)境傳感器采用了Xiaomi公司的智慧家居檢測(cè)傳感器工作套件GP2Y1010AU0F，它可以實(shí)現(xiàn)光照、甲醛、PM2.5和溫濕度的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)傳感器采集接口主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)傳送，采集接口使用的MAX485芯片提供的RS485，該接口使用了modbus協(xié)議、差分邏輯信號(hào)和線控工作方式[3]。RS485采集接口電路如圖2所示。

圖2 RS485采集接口電路圖

2.3 WiFi模塊

基于802.11n/g/b標(biāo)準(zhǔn)WiFi模塊采用了新H3C公司的HLK-RM06，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)Serial接口、Ethernet接口和Wireless接口之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、Serial與Wireless接口線TCP/UDP傳輸、60個(gè)Max連接數(shù)和遠(yuǎn)程web網(wǎng)絡(luò)管理功能[4]。無線WiFi模塊的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 無線WiFi模塊的電路設(shè)計(jì)

2.4 視頻監(jiān)控與語音外放模塊

為了支持遠(yuǎn)程登錄控制和實(shí)時(shí)視頻傳輸，攝像頭型號(hào)采用的是惠普公司的CAMARA-OV2640，由它完成監(jiān)控采集。該監(jiān)控模塊通過DCMI-SCL接口與主控芯片連接進(jìn)行通信，選用RT8186和XC7715B-168MR接口，分別提供了3.2 V和 1.6 V電壓供電[5]。CAMARA-OV2640電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 CAMARA-OV2640電路設(shè)計(jì)

為了提高語音模塊的外放音量, R6和R2的電阻值設(shè)計(jì)為33 kΩ和15 kΩ,語音外放擴(kuò)大了2倍，語音外部控制電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 語音模塊外放控制設(shè)計(jì)

2.5 外圍電路繼電器模塊

外圍電路繼電器采用6腳轉(zhuǎn)換型繼電器實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備的“開”和“關(guān)”控制，通過P12接口實(shí)現(xiàn)家居電器等設(shè)備的開閉控制[6]。外圍電路繼電器模塊設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 外圍電路繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智慧家居系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)房間環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)家用電器終端的智能自我調(diào)節(jié)控制功能。智慧家居軟件總流程為：時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入輸出初始化，通過家居環(huán)境的檢測(cè)來完成環(huán)境的參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，ARM-STM32F103對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和模糊控制算法分析[7]。智慧家居軟件總流程設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 智慧家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 WiFi模塊軟件設(shè)計(jì)

WiFi模塊系統(tǒng)默認(rèn)為休眠狀態(tài)，當(dāng)控制信號(hào)指令發(fā)送后，其對(duì)信號(hào)指令進(jìn)行分析并完成指令的相應(yīng)操作，將指令發(fā)送至家居終端并執(zhí)行指令。WiFi模塊控制流程如圖8所示。

圖8 WiFi模塊控制軟件流程設(shè)計(jì)

3.2 視頻采集模塊軟件設(shè)計(jì)

視頻采集模塊首先進(jìn)行了I/O、WiFi、TCP協(xié)議棧等系統(tǒng)初始化并完成TCP服務(wù)器的成功連接，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)通過ARM-STM32F103主控芯片調(diào)用無線WiFi無線路由，采用TCP客戶端模式連接服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸存儲(chǔ)[8]。視頻采集模塊軟件流程設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 視頻采集模塊軟件流程設(shè)計(jì)

3.3 語音模塊設(shè)計(jì)

語音識(shí)別軟件流程主要包括了寫入識(shí)別列表循環(huán)、設(shè)定編號(hào)和寄存器寫入等功能，當(dāng)語音模塊采集到音頻信號(hào)時(shí)，立刻啟動(dòng)中斷函數(shù)并清零寄存器數(shù)據(jù)，將最佳識(shí)別結(jié)果存放入C5寄存器中進(jìn)行結(jié)果分析[9]。語音模塊控制程序設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 語音模塊控制程序設(shè)計(jì)

3.4 繼電器模塊軟件設(shè)計(jì)

繼電器軟件流程主要實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的“開”和“關(guān)”，高電平設(shè)置為“打開”模式，低電平設(shè)計(jì)為“關(guān)閉”模式。外圍電路繼電器工作流程設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 外圍電路繼電器工作流程設(shè)計(jì)圖

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

4.1 WiFi無線傳輸性能測(cè)試

數(shù)據(jù)WiFi無線通道測(cè)試中,設(shè)置本地端口設(shè)為8088,遠(yuǎn)程端口設(shè)為8081。測(cè)試平臺(tái)由WiFi無線模塊和兩臺(tái)筆記本組成。測(cè)試距離采用了8個(gè)節(jié)點(diǎn)值，無障礙數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，有障礙數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 無障礙數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試

表2 有障礙數(shù)據(jù)丟包率測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果來看，無障礙的數(shù)據(jù)丟包率為≤0.2%，有障礙丟包率為≤0.6%，測(cè)試結(jié)果滿足要求。

4.2 語音模塊準(zhǔn)確度測(cè)試

語音模塊功能測(cè)試主要分為60分貝、40分貝、20分貝和10分貝下進(jìn)行,室內(nèi)語音控制測(cè)試距離選取5米。男女聲的語音識(shí)別準(zhǔn)確率測(cè)試結(jié)果如表3所列。

表3 音識(shí)別準(zhǔn)確率測(cè)試

4.3 客戶端測(cè)試

智慧家居系統(tǒng)的客戶端測(cè)試主要包括了遠(yuǎn)程登錄穩(wěn)定性和智能終端的實(shí)時(shí)操控，并實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境的光照、空氣質(zhì)量和溫濕度等傳感設(shè)備的采集存儲(chǔ)等情況。手機(jī)APP端實(shí)時(shí)測(cè)試智慧家居終端的網(wǎng)絡(luò)連接、節(jié)點(diǎn)信息和系統(tǒng)設(shè)置等人機(jī)交互的功能。客戶端界面測(cè)試如圖12所示，系統(tǒng)連接基本穩(wěn)定，滿足了智慧家居設(shè)計(jì)的要求。

圖12 客戶端測(cè)試界面

5 結(jié)語

基于無線WiFi技術(shù)的智慧家居系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、無線通信和模糊控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控傳輸存儲(chǔ)、語音識(shí)別、空氣質(zhì)量檢測(cè)和綜合布線等智慧家居硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)完成了WiFi通信、視頻與語音、繼電器電路和遠(yuǎn)程客戶端的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線傳輸、智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程登錄與操作，同時(shí)測(cè)試結(jié)果完全滿足智慧家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)智能家居能耗率高、智能化不足、綜合布線成本高和環(huán)保差等問題，具備一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和推廣價(jià)值。