阿里物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智慧家居監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈 源，呂 坤，朱 順，林 晨

（宿遷學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平與科技水平的飛速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，人們對(duì)于生活品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，這推動(dòng)了智能家居行業(yè)的飛速發(fā)展。智能家居系統(tǒng)主要運(yùn)用了自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，以便為人們提供一種安全、方便、舒適的居住環(huán)境[1-6]。為了應(yīng)對(duì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用傳感器實(shí)時(shí)持續(xù)獲取家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線WiFi傳感模塊，完成數(shù)據(jù)的采集并與上位機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)具有危險(xiǎn)聲光報(bào)警功能，使用者可以通過(guò)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)查看家庭的實(shí)時(shí)狀況。本系統(tǒng)利用MQTT無(wú)線通信協(xié)議與上位機(jī)通信，因此該系統(tǒng)具有功耗低、覆蓋面廣、開(kāi)發(fā)周期短、成本低的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知模塊、用戶應(yīng)用模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊組成。其中用戶應(yīng)用模塊是以STM32F407芯片為核心的智能控制模塊，通過(guò)連接DHT11溫度傳感器、MQ7型一氧化碳傳感器與光照度傳感器來(lái)采集各種家庭環(huán)境信息數(shù)據(jù)，同時(shí)利用采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊以國(guó)產(chǎn)樂(lè)鑫科技的ESP8266芯片為核心，利用串口通信的方式獲取STM32F407上的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，使用者可以實(shí)時(shí)查看家庭的環(huán)境數(shù)據(jù)?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選擇

本系統(tǒng)采用的主控芯片為STM32F407，這是一款ST（意法半導(dǎo)體）推出的基于ARM® CortexTM-M4為內(nèi)核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90 nm的NVM工藝和ART（自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAcceleratorTM）。意法半導(dǎo)體的ART技術(shù)使程序零等待執(zhí)行，減少時(shí)間浪費(fèi)，最大化Cortext-M4的原有能力，從而可使本項(xiàng)目所使用的F407芯片達(dá)到168 MHz。STM32F407集成一個(gè)周期的DSP指令和FPU運(yùn)算，增加了該芯片的運(yùn)算能力，從而讓該芯片可以勝任很多復(fù)雜的控制計(jì)算任務(wù)[7-9]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)包括溫濕度、一氧化碳濃度值以及光照強(qiáng)度等家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，分別使用DHT11溫濕度傳感器、MQ7型一氧化碳傳感器和光照強(qiáng)度傳感器檢測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2.2.1 溫濕度采集

利用DHT11傳感器獲取當(dāng)前的環(huán)境溫度，通過(guò)給傳感器上電，從而使傳感器工作進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和儲(chǔ)存，將本項(xiàng)目使用的數(shù)據(jù)data引腳電阻上拉，并且讓該傳感器狀態(tài)長(zhǎng)期處于高電平；該傳感器的數(shù)據(jù)引腳是輸入狀態(tài)，MCU可以檢測(cè)該傳感器的數(shù)據(jù)變化。將處理器的I/O設(shè)置為輸出，同時(shí)輸出低電平，且低電平保持時(shí)間為20 ms，然后將處理器的 I/O設(shè)置為輸入狀態(tài)。DHT11通信時(shí)序如圖2所示。

圖2 DHT11通信時(shí)序

2.2.2 一氧化碳濃度采集

選用MQ7型一氧化碳傳感器，該傳感器的導(dǎo)電率和空氣的CO濃度同樣變化，在低溫狀態(tài)下吸引的雜質(zhì)氣體處于溫度高的狀態(tài)下會(huì)被凈化。利用十分便捷的電路結(jié)構(gòu)將導(dǎo)電率的變化改成氣體濃度的輸出信號(hào)，并且根據(jù)圖3所示的靈敏度特性曲線減少誤差。Rs/R0與濃度C的計(jì)算公式為：

圖3 MQ7靈敏度特性曲線

一氧化碳濃度傳感器表面的電阻是Rs，可以通過(guò)與它串聯(lián)負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號(hào)VRL輸出而獲得。二者之間的關(guān)系為：

2.2.3 光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目采用光電二極管作為光敏傳感器，它對(duì)光線的變化非常敏感。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管相似，光敏二極管的管芯有光敏特性的PN結(jié)，工作時(shí)需要施加反向電壓，具有單向?qū)щ娦?。在黑暗的情況下，有暗電流，即飽和反向漏電流，此刻該二極管反向截至。因此，照明的強(qiáng)度可以用來(lái)改變電路中的電流。利用這種現(xiàn)象，使用一個(gè)電阻串聯(lián)，從而轉(zhuǎn)換成電壓變化，利用AD模數(shù)轉(zhuǎn)化讀取電壓值，得知光照的大小。模塊電路如圖4所示。

圖4 光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集模塊電路

2.2.4 報(bào)警機(jī)構(gòu)

蜂鳴器警報(bào)模塊與STM32F407的PF8引腳相連接。當(dāng)采集的溫度、濕度和一氧化碳強(qiáng)度值中有一個(gè)超過(guò)閾值時(shí)，PF8口輸出低電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作。模塊電路如圖5所示。

圖5 蜂鳴器警報(bào)模塊電路

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

采用WiFi無(wú)線傳輸方式把數(shù)據(jù)傳入云平臺(tái)，設(shè)計(jì)中采用ESP8266模塊進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信。該ESP8266芯片有三種工作模式，即STA模式、AP模式和STA+AP模式。STA模式是指ESP8266模塊通過(guò)熱點(diǎn)、路由器等方式連接到網(wǎng)絡(luò)，控制終端可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程與ESP8266進(jìn)行通信。AP模式是指ESP8266模塊產(chǎn)生一個(gè)無(wú)線終端，可以使手機(jī)、電腦直接連接到，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制局域網(wǎng)。STA+AP模式是兩種模式同時(shí)存在的，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制在兩種模式之間改變。便于操作ESP8266的做法可分為L(zhǎng)inux SDK環(huán)境開(kāi)發(fā)和AT指令編程，其中AT指令又分為多種通信指令與協(xié)議。本項(xiàng)目使用STA模式，利用安信科官方的MQTT固件進(jìn)行指令操作。AT指令如圖6所示。

圖6 AT指令

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)比篩選，步進(jìn)電機(jī)在現(xiàn)有電機(jī)中性價(jià)比較高，本系統(tǒng)選用42步進(jìn)電機(jī)。該步進(jìn)電機(jī)工作原理是：當(dāng)某一相的定子被激磁時(shí)，轉(zhuǎn)子被吸引進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，該相定子磁極上的齒與轉(zhuǎn)子的齒相對(duì)齊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到某種程度；當(dāng)另一相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到另一角度，使各相按照順序連續(xù)上電，保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在阿里云IOT平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，提供了一站式的設(shè)備接入、設(shè)備管理、監(jiān)控運(yùn)維、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等服務(wù)，數(shù)據(jù)按照實(shí)例維度隔離[10，11]。該平臺(tái)是利用MQTT協(xié)議連接，為了方便設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目利用安信可的MQTT固件，利用AT指令的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

用戶通過(guò)阿里云IOT平臺(tái)，就可以實(shí)時(shí)收到來(lái)自下位機(jī)的信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)環(huán)境。圖7是本項(xiàng)目的遠(yuǎn)程用戶界面，展示下位機(jī)采集的實(shí)時(shí)家居環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖7 遠(yuǎn)程用戶界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從項(xiàng)目三大組成部分出發(fā)，介紹了基于阿里物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)及保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及過(guò)程，通過(guò)將上位機(jī)與下位機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，可廣泛應(yīng)用于家庭、商場(chǎng)、酒店等場(chǎng)合。