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

曾海燕，鄭鑫，韋燚

（廣西民族師范學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，人們因?yàn)椴煌５拿τ诠ぷ?、社交活?dòng)，身心疲憊地回到家后總希望覓得一片安寧。舒適、溫馨、智能的家庭環(huán)境可以很快緩解工作帶來疲勞，因此家居環(huán)境的好壞直接影響著人民的生活水平，傳統(tǒng)的方式需要對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，這不僅繁瑣，而且不具備提前開啟的條件，只有當(dāng)人們返回到家中后才可實(shí)施操作，如果家居設(shè)備具有遠(yuǎn)程控制功能，將大大提高用戶的使用感受，家居的智能化，可以給人們創(chuàng)造更加溫馨的生活環(huán)境。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)工作者不斷探索如何讓人們的雙手從繁瑣的家居操控中解脫出來，讓家居智能化，不需過多的操作即可實(shí)現(xiàn)家居根據(jù)人們的生活習(xí)慣而自行啟動(dòng)，并進(jìn)入令人們舒適的工作模式。

智能家居作為人類社會(huì)發(fā)展智能化的重要體現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者均進(jìn)行了廣泛深入的研究。人們借助移動(dòng)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、安防技術(shù)等手段，不斷拓寬智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用深度，同時(shí)也為智能家居發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。盡管研究取得的成效顯著，但是智能家居系統(tǒng)依然面臨較多迫切需要解決的問題，諸如系統(tǒng)安全性不高、系統(tǒng)穩(wěn)定系不佳、靈敏度低的問題，家居設(shè)備無緣無故與系統(tǒng)斷開連接、或者反復(fù)操作但是系統(tǒng)無法執(zhí)行命令等問題。本文所探討的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究，旨在找到一種安全性高、操作容易、靈敏度高的家居智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)從軟硬件兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)主要執(zhí)行各種信息采集、顯示、操作，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)功能模塊發(fā)出具體指令。通過軟件與硬件的相結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，通過手機(jī)或者電腦便能隨時(shí)隨地監(jiān)控家庭內(nèi)的設(shè)備。在電路設(shè)計(jì)過程中，需采用processon輔助工具進(jìn)行系統(tǒng)框架圖的繪制，采用Altium Designer 10繪板工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)根據(jù)各模塊的設(shè)備繪制設(shè)備原理圖、封裝圖，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電路封裝圖，并進(jìn)行電路板的繪制工作。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

如圖1所示，智能家居系統(tǒng)核心部件是主控模塊，通過主控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵模塊的輸入信息進(jìn)行判斷，采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后匯總到主控模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)的控制、顯示、報(bào)警功能。同時(shí)，主控模塊可將采集到的信息以及控制指令通過無線通信模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)，登錄到云平臺(tái)可以實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

■ 2.1 主控模塊

主控模塊是系統(tǒng)的指揮官，采用的是STM32單片機(jī)，接收周邊附屬模塊采集過來的信號(hào)，并對(duì)各操作模塊發(fā)出操作指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)模塊的有機(jī)協(xié)調(diào)、相互配合，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

■ 2.2 遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制模塊主要采用的LED、電機(jī)。LED模擬遠(yuǎn)程開關(guān)燈，通過云平臺(tái)或者手機(jī)發(fā)送指令便可以控制LED的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家用電器的功能。電機(jī)模擬家庭環(huán)境的風(fēng)扇，電機(jī)需要與繼電器配合使用，通過遠(yuǎn)程發(fā)送的指令控制繼電器內(nèi)置磁片的吸合，當(dāng)繼電器磁片處于常開狀態(tài)，電機(jī)的連接形成一個(gè)斷路狀態(tài)，當(dāng)繼電器磁片處于常閉狀態(tài)，電機(jī)的連接形成一個(gè)短路狀態(tài)。

■ 2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用的是ESP8266模塊，該模塊帶有WiFi傳輸功能，將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)以及控制指令轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸?shù)皆破脚_(tái)。單片機(jī)數(shù)據(jù)通過串口協(xié)議發(fā)送給ESP8266WiFi模塊，RX引腳和單片機(jī)的TX引腳相連，RX、TX分別為WiFi模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送端、接收端。WiFi模塊通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基本的物聯(lián)網(wǎng)功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的傳輸。

■ 2.4 按鍵模塊

按鍵模塊采用的是四引腳的輕觸開關(guān)，輕觸開關(guān)可分成兩種組合方式。一種是兩組常開狀態(tài)的開關(guān)，一種是兩組常閉狀態(tài)的開關(guān)。系統(tǒng)采用的是一組常開的開關(guān)，四個(gè)開關(guān)共地，另一個(gè)引腳與單片機(jī)相連。當(dāng)按下開關(guān)之后，斷開狀態(tài)形成閉合狀態(tài)，此時(shí)想單片機(jī)輸入低電平信號(hào)。開關(guān)的作用主要是調(diào)節(jié)溫濕度的閾值大小，通過當(dāng)前環(huán)境的不同，對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)溫濕度的限定值。

■ 2.5 傳感器模塊

傳感器模塊集成有環(huán)境溫濕度采集、煙霧信息采集、光照信息采集、液化氣體采集等功能。溫濕度傳感器主要采用的是SHT30，SHT30主款溫濕度傳感器體積小，測(cè)量的溫度濕度精度較高，能夠快速測(cè)量當(dāng)前環(huán)境的溫濕度。采用的通信方式是I2C協(xié)議，SCL引腳為同步時(shí)鐘引腳，是I2C總線的串行時(shí)鐘引腳，SDL為數(shù)據(jù)引腳，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的引腳。光敏傳感器是通過光敏電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光照條件的采集，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境是處于黑暗還是白天，對(duì)智能燈控提供參考依據(jù)。通過DO引腳發(fā)送當(dāng)前環(huán)境的光度的狀態(tài)，當(dāng)黑暗降臨的時(shí)候，DO引腳會(huì)發(fā)送與之相反的狀態(tài)給單片機(jī)，發(fā)出開燈信號(hào)，實(shí)現(xiàn)燈具的遠(yuǎn)程控制功能。煙霧傳感器采用的是MQ-2，內(nèi)置一個(gè)狀態(tài)燈，主要是檢測(cè)煙霧和可燃?xì)怏w，當(dāng)模塊檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境存在煙霧或者可燃?xì)怏w，狀態(tài)燈會(huì)打開，并通過DO引腳發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)，便于單片機(jī)做后續(xù)工作。MQ-5液化氣體傳感器對(duì)家庭環(huán)境是否有液化氣體泄露進(jìn)行判斷，并生成相關(guān)信號(hào)傳送到主控系統(tǒng)，為智能家居系統(tǒng)提供安全檢測(cè)參考。

■ 2.6 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用的OLED液晶顯示屏，采用OLED屏不需要背光支持，屏幕本身自帶有機(jī)的發(fā)光二極管，像素清晰度極高，用于顯示當(dāng)前的環(huán)境溫濕度。

■ 2.7 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊根據(jù)主控模塊給出的信息進(jìn)行分析，結(jié)合其他附屬模塊，判斷當(dāng)前環(huán)境是否存在超過預(yù)設(shè)的問題，并通過蜂鳴器進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警功能。比如當(dāng)前環(huán)境存在煙霧，系統(tǒng)的煙霧傳感器檢測(cè)到并發(fā)送到主控模塊，主控模塊便會(huì)發(fā)送指令給蜂鳴器，便可觸發(fā)報(bào)警功能。同時(shí)，可對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行預(yù)設(shè)，一旦采集數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)值，將會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

程序的主要流程：首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后要與云平臺(tái)建立連接，同時(shí)，液晶顯示屏出現(xiàn)“正在與云平臺(tái)嘗試連接”，當(dāng)連接不成功會(huì)采用循環(huán)連接方式一直嘗試連接，需要連接成功才能進(jìn)行下一步操作。成功連接后，液晶顯示屏展示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)刷新屏幕數(shù)據(jù)；系統(tǒng)對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，通過對(duì)按鍵信息進(jìn)行讀取，進(jìn)一步調(diào)整溫濕度設(shè)定的閾值，并返回給單片機(jī)。單片機(jī)實(shí)時(shí)接收溫濕度傳感器、液化氣傳感器等采集回來的信息，以及LED燈、蜂鳴器等設(shè)備的狀態(tài)信息，將信息分析、編譯后傳送到控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的智能監(jiān)測(cè)功能。同時(shí)單片機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，云平臺(tái)可以下發(fā)命令給單片機(jī)，云平臺(tái)設(shè)置多個(gè)控制控件以及顯示控件，當(dāng)旋動(dòng)溫濕度對(duì)應(yīng)的控制控件時(shí)，將下發(fā)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流到單片機(jī)，單片機(jī)需對(duì)下發(fā)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析，根據(jù)KEY去除對(duì)應(yīng)數(shù)值。每一個(gè)控件指定為設(shè)備的名字，便于命令的下發(fā)?？丶軐?duì)硬件設(shè)備進(jìn)行控制，修改對(duì)應(yīng)設(shè)備的數(shù)值及狀態(tài)。顯示控件需提供上傳的數(shù)據(jù)流，通過javascript腳本語言解析數(shù)據(jù)流中的json字符串，獲取到有效的數(shù)值，并能對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

■ 3.2 云平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ONENET云平臺(tái)，云平臺(tái)需要提供設(shè)備ID、鑒權(quán)信息、產(chǎn)品ID給單片機(jī)才能建立長(zhǎng)連接。連接成功之后，系統(tǒng)會(huì)通過WiFi傳輸模塊將數(shù)據(jù)及指令上傳到云平臺(tái)，數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，云平臺(tái)也可以下發(fā)命令給單片機(jī)。下發(fā)命令需要在平臺(tái)上創(chuàng)建應(yīng)用管理，創(chuàng)建一個(gè)可控制界面。在創(chuàng)建設(shè)備的時(shí)候，需要與單片機(jī)約定好交互的數(shù)據(jù)KEY，VALUE的數(shù)據(jù)格式。在云平臺(tái)的管理界面，提供溫濕度閾值設(shè)定功能，不僅可以實(shí)時(shí)查看溫濕度信息，也可對(duì)環(huán)境溫濕度閾值進(jìn)行設(shè)置，環(huán)境溫濕度超過預(yù)設(shè)值則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，云平臺(tái)提供LED和電機(jī)開關(guān)按鈕，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)家庭設(shè)備。命令下發(fā)流程如圖4所示。

圖4 命令下發(fā)流程圖

在應(yīng)用管理界面，當(dāng)點(diǎn)擊LED、電機(jī)開關(guān)或者旋動(dòng)溫濕度閾值的旋鈕，會(huì)相對(duì)應(yīng)下發(fā)不同的命令給單片機(jī)。單片機(jī)需要解析下發(fā)的命令，控制相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。當(dāng)解析到KEY為L(zhǎng)ED時(shí)，獲取KEY對(duì)應(yīng)的VALUE值從而賦值給LED燈。當(dāng)解析到KEY為RELAY，單片機(jī)控制輸出連接繼電器的引腳，根據(jù)云平臺(tái)傳輸?shù)膬?nèi)容，輸出高低電平。此時(shí)繼電器IN引腳接收到單片機(jī)控制信號(hào)，其他兩個(gè)引腳需接入單片機(jī)提供的電壓。繼電器另一端則接入負(fù)載，包含有兩種狀態(tài)，接入NC端為常閉狀態(tài)，接入NO端為常開狀態(tài)。默認(rèn)情況下，采用繼電器的常開狀態(tài)，無法驅(qū)動(dòng)設(shè)備，需要額外的控制信號(hào)引導(dǎo)，將內(nèi)置磁片置為吸合狀態(tài)，形成短路狀態(tài)便可以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。當(dāng)解析到KEY為DOOR，讀取VALUE值并進(jìn)行判斷，當(dāng)判斷為開啟狀態(tài)，則給舵機(jī)的信號(hào)引腳輸入頻率為50Hz的PWM波形，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)門板的開啟與關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)解析到KEY為TEMP和HUM時(shí)，將獲取KEY對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，進(jìn)而修改溫度閾值和濕度閾值。

■3.3 按鍵程序的設(shè)計(jì)

按鍵程序流程：首先對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，對(duì)按鍵進(jìn)行循環(huán)掃描，每一個(gè)按鍵接一個(gè)單片機(jī)輸入引腳，當(dāng)按下按鍵的時(shí)候，會(huì)向單片機(jī)輸入低電平。按下鍵1、2會(huì)修改溫度的閾值，按下鍵3、4修改濕度的閾值，如圖5所示。

圖5 按鍵控制流程圖

■3.4 智能控制的設(shè)計(jì)

首先將各模塊的傳感器進(jìn)行初始化，進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)在指定環(huán)境下檢測(cè)的溫度或者濕度超出預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到室內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)煙霧、可燃?xì)怏w，傳感器將狀態(tài)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警。在需要長(zhǎng)時(shí)間光照的門外可添加光度控制，當(dāng)夜晚降臨，光敏傳感器監(jiān)測(cè)到當(dāng)前環(huán)境處于黑暗狀態(tài)，會(huì)自動(dòng)在門外開啟第一個(gè)LED燈，白晝則關(guān)閉。在黑暗的地方，當(dāng)聲音傳感器監(jiān)測(cè)到腳步聲或者其他聲音會(huì)自動(dòng)開啟第二個(gè)LED燈。聲音消失后，LED燈延時(shí)關(guān)閉，延時(shí)時(shí)長(zhǎng)可適當(dāng)調(diào)整。

■ 3.5 手機(jī) APP 的設(shè)計(jì)

智能操控，離不開手機(jī)端的支持，因此需要設(shè)計(jì)一款手機(jī)APP，將智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的隨手控制。采用Android Studio進(jìn)行頁面的開發(fā)和設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，獲取云平臺(tái)的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)手機(jī)APP需要指定云平臺(tái)上的APIKEY和URL地址，指定APIKEY是為了區(qū)別平臺(tái)上的設(shè)備，指定URL地址是為了獲取數(shù)據(jù)流。手機(jī)APP所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)有各個(gè)模塊當(dāng)前的狀態(tài)、當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)、溫濕度的閾值，如圖7所示。當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度超過設(shè)定的閾值或者當(dāng)前出現(xiàn)火災(zāi)、煙霧、可燃?xì)怏w，硬件系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警，同時(shí)向云平臺(tái)發(fā)送當(dāng)前處于報(bào)警狀態(tài)，手機(jī)APP實(shí)時(shí)接收云平臺(tái)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過QQ郵箱發(fā)送短信給用戶，短信內(nèi)容為當(dāng)前時(shí)間，報(bào)警的詳情信息。手機(jī)APP提供遠(yuǎn)程控制功能，可通過按鍵遠(yuǎn)程控制硬件設(shè)備的LED及電機(jī)，手機(jī)APP向云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，云平臺(tái)下發(fā)命令給單片機(jī)。提供歷史數(shù)據(jù)保存功能，通過歷史界面便可以查看溫濕度的歷史數(shù)據(jù)，查看歷史報(bào)警時(shí)間，家庭狀況。

圖7 數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

本文從軟硬件兩方面介紹智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，硬件部分主要介紹系統(tǒng)各模塊的基本功能，軟件部分介紹各功能模塊控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程。通過智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)生活電器進(jìn)行控制以及狀態(tài)監(jiān)控，借助物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，人們可以遠(yuǎn)程對(duì)家居系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)家居智能化，最終通過手機(jī)客戶端將智能家居系統(tǒng)的功能呈現(xiàn)在用戶面前，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)的檢測(cè)、控制、反饋功能。通過本系統(tǒng)可遠(yuǎn)程查看家庭環(huán)境狀態(tài)、控制家庭主要電器、查詢歷史信息、監(jiān)控家庭異常告警等功能。智能家居系統(tǒng)的發(fā)展，將進(jìn)一步提升家居的智能、便利、安全、舒適性，相信定會(huì)給人們的生活帶來質(zhì)的飛躍。

圖6 智能控制流程圖