基于點燈科技的智能家居控制系統(tǒng)設計

張桂蓮 石宜金 譚貴生 戴志超 魏文文

摘? 要：隨著科技的不斷進步，物聯(lián)網(wǎng)的應用愈加廣泛，涌現(xiàn)出越來越先進的智能設備。智慧農業(yè)、智能家居就是智能設備最好的體現(xiàn)。文章提出并設計一種基于點燈blinker、AVR單片機、Esp8266的智能家居控制系統(tǒng)。使用Arduino控制傳感器采集數(shù)據(jù)并通過Esp8266將數(shù)據(jù)上傳至云端。用戶可借助手機查看數(shù)據(jù)、下發(fā)指令并通過云服務器和Arduino控制臺控制家居設備。實踐證明，智能家居可提供全方位的信息交互，實現(xiàn)了方便快捷、節(jié)能環(huán)保的目的。

關鍵詞：智能家居；云平臺；Blinker；傳感器；AVR

中圖分類號：TP399? ? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0185-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， the application of the Internet of Things has become more and more extensive， and more and more advanced intelligent devices have emerged. Smart agriculture and smart home are the best embodiment of smart devices. This paper proposes and designs a smart home control system based on lighting blinker， AVR single-chip microcomputer and Esp8266. It uses Arduino to control the sensor to collect data and upload the data to the cloud through Esp8266. Users can view data， issue instructions and control home devices through the cloud server and Arduino console with mobile phones. Practice has proved that smart home can provide all-round information interaction and achieve the purpose of convenience， energy conservation and environmental protection.

Keywords： smart home; cloud platform; Blinker; sensor; AVR

0? 引? 言

智能家居屬于物聯(lián)網(wǎng)應用比較廣泛的領域，同時物聯(lián)網(wǎng)技術也在一定程度上推動了智能家居行業(yè)的發(fā)展。連接感知層和應用層的重要媒介就是網(wǎng)絡層，它更像是物聯(lián)網(wǎng)技術的核心。物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)設備與設備、設備與物體之間的可控連接，連接方式有局域連接和廣域連接。云平臺的興起離不開智能物聯(lián)網(wǎng)設備的搭建，物聯(lián)網(wǎng)智能家居可謂互聯(lián)網(wǎng)時代的必然產物，主要以智能單品為主。智能設備具有獨立的物理地址，基于云平臺就可實現(xiàn)對產品的激活與鑒權，利用計算機、手機APP等也可以實現(xiàn)對設備的遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展一定程度上改變了人們的生活方式，智能交通、智慧農業(yè)、智能物流、電子支付等各個領域都有物聯(lián)網(wǎng)的身影。在各種智能技術的充斥下，通過語音來控制家庭設備就顯得尤為重要。通過接入第三方應用平臺，由自己配置指令，并結合米家智能音箱的使用，同樣可以按照需求對家庭設備進行控制和管理，大大節(jié)省了人們手動操作的時間，提高了人們的生活質量，符合物聯(lián)網(wǎng)技術智能化發(fā)展理念。

文獻[1]提出了基于OneNET云平臺的智能家居遠程控制系統(tǒng)，控制芯片使用的是STM32，集成有OpenMV視覺模塊實現(xiàn)了人臉檢測。文獻[2]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能家居系統(tǒng)設計，控制部分采用的是ESP32單片機。文獻[3]提出了基于樹莓派和物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能家居遠程控制系統(tǒng)，以樹莓派為主控中心，傳感器通過Wi-Fi連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。文獻[4]提出了基于ZigBee和Wi-Fi深度結合的智能家居控制系統(tǒng)，以STM32單片機為核心，把數(shù)據(jù)連接到OneNET云平臺，結合ZigBee和Wi-Fi通信組網(wǎng)技術實現(xiàn)家電控制和環(huán)境監(jiān)測。

綜上所述，本文提出基于點燈科技的智能家居遠程控制系統(tǒng)設計。系統(tǒng)所用的硬件模塊主要有Esp8266和UNO主控板以及小愛音箱、1602LCD、OLED屏幕、5 V風扇、繼電器、MQ-5傳感器、光敏電阻、步進電機、有源蜂鳴器、若干電源等。所用的軟件有Blinker和Arduino IDE。用戶隨時隨地可以通過手機客戶端對系統(tǒng)進行控制。本系統(tǒng)主要采用云服務器平臺+單片機+無線通信技術+移動智能終端的新型物聯(lián)架構。其目標為：

1）比較各類云平臺服務器，選擇合適的云平臺作為數(shù)據(jù)存儲的服務器。

2）掌握各種傳感器采集數(shù)據(jù)的方法。

3）研究如何通過手機APP來控制設備。

1? 系統(tǒng)設計

1.1? 總體設計

本系統(tǒng)主要由四大功能模塊組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、遠程操控和語音控制、自動調控和報警。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集屬于物聯(lián)網(wǎng)體系結構的最底層，主要由各類傳感器（如光敏傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、語音傳感器等）來完成。

2）數(shù)據(jù)上傳。也稱為數(shù)據(jù)傳輸，是物聯(lián)網(wǎng)體系結構的中間層。本系統(tǒng)使用Wi-Fi模塊將各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺，用戶可隨時登錄云平臺查看數(shù)據(jù)。

3）遠程操控和語音控制。本系統(tǒng)主要是利用手機上的點燈Blinker平臺，在平臺中設置相應控件級，編寫相應代碼即可進行遠程操控，本系統(tǒng)還利用該平臺連接小米音箱中的小愛語音助手，實現(xiàn)簡單的語音控制功能。

4）自動調控和報警。由繼電器、風扇、蜂鳴器和傳感器組成，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)達到所設定的閾值時進行相應調控，使整個系統(tǒng)具有一定的自動調控能力。

1.2? 單片機最小系統(tǒng)電路設計

單片機最小系統(tǒng)又稱為單片機最小應用系統(tǒng)，具有電源電路、復位電路、程序下載電路、晶振電路等。單片機最小系統(tǒng)是實現(xiàn)光照強度采集、可燃氣體濃度檢測以及數(shù)據(jù)顯示的控制核心。本系統(tǒng)中單片機選擇的是AVR單片機，芯片采用的是ATmega328P。焊接的最小系統(tǒng)如圖2所示。其中，數(shù)字引腳有14個，模擬引腳有6個，使用單片機最小系統(tǒng)的主要目的是系統(tǒng)資源完全開放，配合其他模塊可以實現(xiàn)任意功能，同時接口設計比較靈活。

1.3? Esp8266電路設計

本系統(tǒng)中Esp8266選用的是Esp12F主控芯片，該芯片處理器具有32位的MCU，主頻在80 MHz到160 MHz之間，具有TCP和IP協(xié)議棧。另外，Esp8266-12F是一塊Wi-Fi模塊，不僅可以獨立使用，也可以與單片機最小系統(tǒng)一起使用，從而提高開發(fā)效率。在本系統(tǒng)中，通過USART串口將Esp8266與單片機最小系統(tǒng)進行通信連接，把單片機采集的數(shù)據(jù)傳輸至Esp8266-12F，再通過Esp8266連接互聯(lián)網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至手機APP端或網(wǎng)頁端，進而實現(xiàn)對傳感器的檢測和控制。

Esp8266-12F模塊支持STA、AP、STA+AP三種工作模式。本文采用的STA+AP模式，既可以通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，也可以實現(xiàn)對熱點設備的遠程控制。Esp8266-12F中主要使用RX和TX進行數(shù)據(jù)傳輸，實物圖如圖3所示。

1.4? 窗簾設計

在模擬智能家居系統(tǒng)中，窗簾需要根據(jù)參數(shù)設定成為能夠自我控制的電動窗簾，通過在窗簾上安裝步進電機及相關傳感器，實現(xiàn)對窗簾的開關、狀態(tài)檢測等功能。傳感器節(jié)點屬于感知層，當采集到窗簾的狀態(tài)時就會觸發(fā)電機并進行指令操作。智能網(wǎng)關設備處于接入層，與窗簾上的傳感器進行通信，數(shù)據(jù)會通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)绞謾CAPP端，再將命令下發(fā)到傳感器節(jié)點。本文是基于阿里云公有云服務端而設計的，手機、電腦、平板都屬于應用層。通過與互聯(lián)網(wǎng)連接訪問服務管理平臺，進而實現(xiàn)對窗簾的控制與檢測。如圖4所示為窗簾控制的系統(tǒng)結構圖。窗簾控制部分主要的設備是步進電機（四相），若要實現(xiàn)步進電機的正反轉運行，需要連接ULN2003A驅動板。實物中ULN2003A的ABCD引腳與電機的ABCD引腳相連，ULAN2003A的1、2、3、4引腳與單片機的引腳相連，由單片機引腳的高低電平值控制步進電機的正反轉。

1.5? 燈光設計

照明燈是模擬智能家居系統(tǒng)中一個最基本的設備，它可以控制家里的明亮程度。通過將燈與傳感器連接，實現(xiàn)對燈狀態(tài)的控制，使一個普通的LED燈或燈帶具有遠程開關、無極調光、狀態(tài)匯報等功能。燈光系統(tǒng)的控制框架如圖5所示。傳感器節(jié)點與LED燈相連，位于感知控制層，手機APP端屬于應用層，通過互聯(lián)網(wǎng)訪問服務管理平臺，實現(xiàn)對燈光的檢測和控制，方便用戶操作。本系統(tǒng)主要使用LED燈和WS2812B燈帶。LED燈有兩個引腳，分別為“+”和“-”。WS2812B有4個引腳（VCC、VSS、DIN、DOUT），可以顯示三種顏色（紅、綠、藍），WS2812b具有級聯(lián)功能，主要通過DOUT實現(xiàn)。

1.6? 可燃氣體檢測設計

可燃氣體的濃度關系到每個家庭居住環(huán)境的安全，在模擬智能家居設備中使用了MQ-5的可燃氣體檢測模塊。該模塊主要用于檢測丁烷、甲烷等K可燃性氣體，當可燃氣體的濃度升高時檢測的數(shù)值也會變高并通過蜂鳴器報警，該檢測模塊可以實現(xiàn)對家庭可燃氣體濃度的實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，用戶可登錄網(wǎng)站實時查看數(shù)據(jù)。如圖6所示為可燃氣體檢測實現(xiàn)的系統(tǒng)框架圖?？扇細怏w模塊主要包含MQ-5傳感器、蜂鳴器、直流電機和風扇?？扇細怏wMQ-5傳感器有四個引腳（VCC、GND、DO、AO），工作電壓為5 V，傳感器內置2個LED燈，當傳感器工作時，LED燈亮起。蜂鳴器有兩個引腳，通過控制引腳的高低電平來控制聲音。風扇主要由直流電機控制其轉動，其中直流電機有兩個引腳，一個為正極，一個為負極。若要使可燃氣體模塊正常運行，在與單片機最小系統(tǒng)進行連接時，確保數(shù)字引腳和模擬引腳接線正確。

1.7? 小愛音箱設計

小愛音箱的主要功能是實現(xiàn)語音的控制。本系統(tǒng)首先通過各參數(shù)和指令的相關配置，將小愛mini與點燈Blinker進行綁定；然后通過互聯(lián)網(wǎng)將Esp8266接入點燈Blinker；最后在客戶端進行界面的設計和配置，并將相關程序代碼燒入Esp8266和UNO中。通過以上步驟小愛智能音箱就可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的語音全控制。

1.8? 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本文中UNO開發(fā)板和Esp8266-12F使用的編程環(huán)境都是Arduino IDE。Arduino IDE是一些電子設計方面的愛好者、創(chuàng)客教育工作者以及專業(yè)人士使用的集成開發(fā)環(huán)境。諸如OLED、LCD顯示屏之類的一些復雜元件，溫濕度模塊等就可以通過調用庫文件使用C語言來編寫程序。

2? 系統(tǒng)集成測試

本文完成了智能家居控制系統(tǒng)的設計，為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運行，下面將對所用到的硬件和開發(fā)平臺進行測試，如圖7所示為完整系統(tǒng)的成品展示圖。

2.1? 可燃氣體模塊、蜂鳴器及排氣扇檢測

可燃氣體模塊使用的是MQ-5，主要檢測甲烷等可燃氣體，使用打火機進行模擬測試，蜂鳴器的作用是隨著可燃氣體模塊檢測數(shù)據(jù)的高低進行報警，開發(fā)板也會自動觸發(fā)繼電器驅動排氣扇工作，當可燃氣體達到安全濃度時，排氣扇和蜂鳴器會自動關閉。

2.2? 光敏電阻模塊及LCD顯示

光敏電阻為四針式引腳，連接UNO主控開發(fā)板，LCD選用的是具有IIC通信的1602藍屏顯示屏，具有SDL、SCL、VCC、GND四個控制引腳，連接UNO開發(fā)板的電源和數(shù)字引腳。LCD顯示屏主要是實時顯示環(huán)境光照強度和可燃氣體濃度數(shù)據(jù)。

2.3? 窗簾控制測試

連接窗簾的電機使用的是28BYJ4步進電機（四相），同時使用ULN2003驅動板進行驅動控制，連接Esp8266芯片。窗簾的控制方式有三種：在手機端控制啟停、根據(jù)光照強度自動啟停、使用小愛同學進行控制。

2.4? 臥室燈以及WS2812B測試

使用5 V的LED燈條模擬臥室燈進行測試。氛圍燈使用帶有驅動芯片的WS2812的RGB彩燈，測試方式是通過客戶端進行控制。

2.5? 客戶端點燈Blinker測試

手機控制端使用的是點燈Blinker，這是供物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者使用的一款軟件。用戶應用需要首先注冊開發(fā)板設備和連接方式，選擇接入阿里云平臺。通過自行設計模塊，組件和指令匹配，完成手機端配置。控制界面如圖8所示。

3? 結? 論

本文系統(tǒng)是基于點燈科技的智能家居控制系統(tǒng)，其融合了點燈科技、Wi-Fi無線通信技術以及各類傳感器和常用模塊控制電路。該系統(tǒng)功能齊全，成本較低，硬件電路體積較小，控制可靠，符合相關設計要求。測試結果表明，從底層的數(shù)據(jù)采集到中層的數(shù)據(jù)傳輸再到上層的數(shù)據(jù)應用服務，整個過程數(shù)據(jù)可靠且用時在規(guī)定的范圍之內。目前設計的功能能夠滿足智能家居系統(tǒng)的控制要求。在以后的研究工作中會加入更多的傳感器和智能設備，實時保存數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，讓系統(tǒng)實現(xiàn)更加復雜的功能。

參考文獻：

[1] 張晨，王玉槐，韓齊，等.基于OneNET云平臺的智能家居遠程控制系統(tǒng)設計 [J].信息科技與信息化，2020（10）：223-226.

[2] 王平，王焱.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能家居中心控制系統(tǒng)設計 [J].計算機測量與控制，2020，28（11）：79-83.

[3] 舒連成.基于樹莓派和云平臺的智能家居控制裝置設計 [D].大連：大連理工大學，2020.

[4] 石瑛.基于ZigBee與WiFi深度結合的智能家居系統(tǒng)的研究與設計 [D].南京：南京郵電大學，2019.

[5] 程德浩.基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)的平臺數(shù)據(jù)可視化 [J].電腦知識與技術，2020，16（22）：50-53.

[6] 薛翔.基于ESP8266的智能開關控制系統(tǒng)設計 [J].電子世界，2018，555（21）：149-150.

[7] 謝亞明.智能家用窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) [J].智能處理與應用，2020（11）：78-80.

[8] 陳麗媚.基于Arduino的AI語音識別智能音箱設計 [J].科學技術創(chuàng)新，2020（19）：57-58.

作者簡介：張桂蓮（1989.12—），女，白族，云南大理人，講師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應用和計算機視覺；通訊作者：石宜金（1985.12—），男，漢族，云南大理人，副教授，碩士，研究方向：嵌入式技術；譚貴生（1986.10—），男，漢族，重慶人，副教授，碩士，研究方向：人工智能在電力設備中的應用；戴志超（1998.12—），男，漢族，安徽毫州人，軟件工程師，本科，研究方向：軟件開發(fā)；魏文文（2001.02—），男，漢族，陜西漢中人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。