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

孫宇舸，葉 檸，匡 涌

（東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819）

綠色、環(huán)保、節(jié)能是當(dāng)前社會的重要理念，智能家居為家庭設(shè)備提供的智能控制方案，在為用戶提供安全快捷的家居服務(wù)，滿足人們對安全、舒適、便利的生活需求的同時(shí)，也更為高效、節(jié)能與環(huán)保。在社會城鎮(zhèn)化、數(shù)據(jù)化、信息化等外界環(huán)境的驅(qū)使下，智能家居將會取代傳統(tǒng)的家居生活，成為一種更具有便利性、藝術(shù)性、舒適性的環(huán)保節(jié)能的家庭生活方式。

目前國外流行的智能家居品牌主要為亞馬遜Alexa、蘋果HomeKit、三星SmartThings、Control4等。

隨著國內(nèi)智能家居的快速發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了許多成熟的智能家居生態(tài)系統(tǒng)，如海爾U+，長虹，小米智家等[1]。

本文基于現(xiàn)代生活對智能家居的需求，采用低成本的Arduino Uno開發(fā)板作為主控制器，選用多種傳感器實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境信息的采集，通過顯示器、舵機(jī)、繼電器等作為執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)信息顯示及門禁、窗簾和家電等設(shè)備的控制。借助ESP8266 WⅠFⅠ模塊與巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過手機(jī)APP應(yīng)用客戶端實(shí)現(xiàn)了智能家居的遠(yuǎn)程控制。經(jīng)過實(shí)際測試，系統(tǒng)功能完善，運(yùn)行良好。

1 設(shè)計(jì)方案

本文采用Arduino Uno作為開發(fā)平臺，綜合運(yùn)用多種傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺，采集的光照、溫度、濕度、煙霧及人體紅外等諸多家居環(huán)境信息，控制舵機(jī)、繼電器、LED燈等執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)了智能門禁、智能燈光、智能窗簾、環(huán)境溫濕度監(jiān)測與顯示、煙霧監(jiān)測與報(bào)警以及家電定時(shí)啟動(dòng)等實(shí)用功能。通過當(dāng)WⅠFⅠ模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，與巴法云物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)開發(fā)手機(jī)APP應(yīng)用客戶端，實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)測以及家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 智能家居總體設(shè)計(jì)方案

2 功能實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，軟件功能的實(shí)現(xiàn)及手機(jī)APP的開發(fā)。

2.1 硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文使用的主控制器為Arduino Uno開發(fā)板，其核心處理器是ATmega328P芯片。ATmega328P是一款基于AVR增強(qiáng)RⅠSC架構(gòu)的低功耗CMOS 8位微控制器，由此產(chǎn)生的架構(gòu)能有效的運(yùn)行代碼，相比傳統(tǒng)的CⅠSC微控制器，運(yùn)算速度更快，完全可以滿足智能家居設(shè)計(jì)功能需求[2]。

本文的智能家居硬件系統(tǒng)包括環(huán)境信息檢測與顯示模塊、智能窗簾模塊、智能燈光模塊、家電控制模塊、煙霧檢測與報(bào)警模塊、智能門禁模塊，以及無線控制模塊。

環(huán)境信息檢測與顯示模塊通過DHT11溫濕度傳感器和OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)。單總線通信的DHT11溫濕度傳感器可以實(shí)時(shí)采集家居環(huán)境的溫濕度信息，通過集成驅(qū)動(dòng)芯片SSD1306的OLED顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

智能窗簾模塊通過光敏電阻傳感器[3]和舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。光敏電阻采集環(huán)境光照信息，通過設(shè)定光照閾值，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)開關(guān)。

智能燈光模塊利用HC-SR505人體紅外傳感器和光敏電阻傳感器采集人及光線強(qiáng)弱的信息，基于設(shè)定的閾值，實(shí)現(xiàn)燈光的智能控制。

家電控制模塊通過DS1302時(shí)鐘模塊、繼電器及OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)。校準(zhǔn)時(shí)鐘模塊初始時(shí)間，讓其進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，家電啟動(dòng)時(shí)間與時(shí)長由手機(jī)APP客戶端進(jìn)行設(shè)定，OLED顯示屏?xí)@示日期和時(shí)間信息。當(dāng)時(shí)鐘模塊計(jì)時(shí)到設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)時(shí)，控制繼電器啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)家電定時(shí)啟動(dòng)控制。

煙霧檢測與報(bào)警模塊采用MQ-2煙霧傳感器檢測家居中煙霧的含量，當(dāng)其含量達(dá)到警戒線時(shí)，警告信息會借助物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送給用戶[4]。

智能門禁模塊通過使用MF RC522射頻識別模塊和180°舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。射頻識別模塊讀取ⅠC的密鑰信息，判斷ⅠC卡是否為正確的門禁卡，如果是正確的門禁卡則控制伺服電機(jī)將門打開，否則伺服電機(jī)無響應(yīng)。

無線控制模塊基于ESP8266 WⅠFⅠ模塊和物聯(lián)網(wǎng)平臺[5]，利用手機(jī)端APP手機(jī)發(fā)送功能模塊的控制指令至物聯(lián)網(wǎng)平臺，WⅠFⅠ模塊通過物聯(lián)網(wǎng)平臺協(xié)議接收控制指令，通過串行數(shù)據(jù)端口傳送給Arduino開發(fā)板，根據(jù)控制指令的邏輯判斷結(jié)果，控制相應(yīng)的功能模塊執(zhí)行對應(yīng)的操作。

各個(gè)功能模塊傳感器與Arduino Uno開發(fā)板的引腳連接見表1。

表1 傳感器控制引腳連接

基于上述電路設(shè)計(jì)以及引腳關(guān)系，搭建的智能家居系統(tǒng)的實(shí)際硬件電路如圖2所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)硬件電路搭建

2.2 軟件功能的實(shí)現(xiàn)

智能家居軟件控制系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制2種模式，通過手機(jī)APP客戶端進(jìn)行切換[6-7]。

自動(dòng)控制模式：Arduino Uno開發(fā)板借助多種傳感器獲取周圍環(huán)境信息，通過對人體紅外信息、光照信息、時(shí)間信息、門禁卡信息的邏輯判斷，控制舵機(jī)、繼電器燈執(zhí)行元件執(zhí)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)智能家居的自動(dòng)控制，其中時(shí)間信息和溫濕度信息會通過OLED屏顯示。

遠(yuǎn)程控制模式：通過對ESP8266 WⅠFⅠ模塊的工作模式進(jìn)行設(shè)置，令其接入家庭網(wǎng)絡(luò)，借助TCP協(xié)議接入巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器。ESP8266 WⅠFⅠ模塊與Arduino Uno開發(fā)板通過串行數(shù)據(jù)端口進(jìn)行連接，借助溫濕度傳感器獲取的溫濕度信息通過ESP8266 WⅠFⅠ模塊發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，手機(jī)APP客戶端使用平臺協(xié)議連接到巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)器，獲取服務(wù)器的溫濕度信息。手機(jī)APP客戶端推送控制指令至物聯(lián)網(wǎng)平臺，ESP8266 WⅠFⅠ模塊通過HTTP協(xié)議獲取物聯(lián)網(wǎng)云平臺的控制指令并傳輸給Arduino Uno開發(fā)板，開發(fā)板根據(jù)設(shè)置的控制指令實(shí)現(xiàn)燈光、家電、門禁、窗簾的遠(yuǎn)程控制。

智能家居軟件控制系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 智能家居軟件控制系統(tǒng)程序流程圖

2.3 手機(jī)APP的開發(fā)

本文采用MⅠT AppⅠnventor完成Android手機(jī)APP客戶端的開發(fā)。

MⅠT AppⅠnventor是一個(gè)直觀的、可視化的、完全在線開發(fā)的Android編程環(huán)境。MⅠT AppⅠnventor有2個(gè)設(shè)計(jì)界面，分別為組件設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)。組件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)手機(jī)應(yīng)用界面的設(shè)計(jì)，通過官方提供的功能組件，根據(jù)手機(jī)應(yīng)用程序的預(yù)實(shí)現(xiàn)的功能去設(shè)計(jì)并美化應(yīng)用操作界面。邏輯設(shè)計(jì)是對操作界面的功能組件的進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的預(yù)期功能。

基于本文的智能家居系統(tǒng)的實(shí)際功能，設(shè)計(jì)的手機(jī)APP客戶端操作界面如圖4所示。

圖4 手機(jī)APP應(yīng)用軟件操作界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)擁有智能燈光、智能窗簾、家電定時(shí)啟動(dòng)、智能門禁、煙霧報(bào)警及環(huán)境監(jiān)測與顯示6項(xiàng)功能，能較為全面地兼顧家居生活的需求。經(jīng)過實(shí)際測試，全部功能都運(yùn)行良好。該智能家居系統(tǒng)成本低，使用方便，操作簡單，物聯(lián)網(wǎng)平臺的信息交互穩(wěn)定、安全，該系統(tǒng)可以充分滿足人們對智能家居的生活要求，提高生活的品質(zhì)，使家居生活更加的方便與智能。