基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志瑞 段元梅

摘要：隨著智能家居系統(tǒng)的普及，人們對(duì)智能家居的接受程度越來越高。文章結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于STM32的智能家居系統(tǒng)。該智能家居系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、按鍵模塊、無線模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊構(gòu)成。其中，溫濕度檢測(cè)模塊采用DHT11溫濕度傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)家庭內(nèi)部的溫濕度指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，煙霧檢測(cè)模塊采用MQ-2對(duì)煙霧濃度進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)到的所有數(shù)據(jù)上傳給STM32單片機(jī)。單片機(jī)模塊接收到傳感器采集的溫濕度和煙霧數(shù)據(jù)后，通過顯示模塊將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示給用戶，并采用ZigBee無線通信技術(shù)把數(shù)據(jù)上報(bào)給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)閾值實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，文章設(shè)計(jì)的智能家居控制裝置可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)的檢測(cè)與無線傳輸?shù)墓δ堋?/p>

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；傳感器；單片機(jī)；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

智能家居系統(tǒng)已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一類電子設(shè)備，尤其是在一些高檔小區(qū)、公寓中，經(jīng)常可以看到智能家居的身影。智能家居由于可以通過對(duì)外界環(huán)境的采集來給用戶提供服務(wù)，因此在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，深受用戶的喜愛［1］。智能家居的設(shè)計(jì)，能更大限度地滿足用戶對(duì)特殊環(huán)境和特殊空間的需求，具有安全性、便利性、舒適性以及藝術(shù)性，越來越受年輕人的青睞。

智能家居一般專注于某種應(yīng)用場(chǎng)景，來解決用戶特定的生活問題［2］。這種使用方式雖然比較簡單，但用戶在使用過程中，有時(shí)需要使用不同的智能家居設(shè)備，才能解決自己遇到的問題。這導(dǎo)致用戶家庭內(nèi)部的智能設(shè)備非常多，雖然有些功能并不是他們需要的，但用戶卻需要為此支付一定的額外費(fèi)用［3］。同時(shí)，這類智能家居設(shè)備可能由于廠商制造的不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信協(xié)議不同，使得智能家居設(shè)備的功能無法集中，給用戶造成了選擇性的難題［4］。因此，文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將溫濕度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、顯示和報(bào)警等集成在具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)通信協(xié)議的系統(tǒng)中，從而解決上述問題。

1 分析與設(shè)計(jì)

1.1 需求分析與總體框圖

通過前期調(diào)研，筆者對(duì)智能家居系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。第一，以51單片機(jī)為控制核心，利用溫濕度傳感器和煙霧傳感器完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和處理。第二，采用LCD1602液晶實(shí)時(shí)顯示溫濕度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)。第三，用戶能夠通過按鍵設(shè)置溫濕度上下限報(bào)警閾值和煙霧報(bào)警閾值。第四，當(dāng)室內(nèi)溫濕度不在設(shè)定范圍內(nèi)、煙霧濃度超限時(shí)，蜂鳴器和LED燈提供聲光報(bào)警。本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 智能家居的相關(guān)技術(shù)分析

1.2.1 ZigBee技術(shù)

在本文設(shè)計(jì)的智能家居實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，采用基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的ZHA、ZLL和透傳標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的互聯(lián)互通，超高效率地?cái)U(kuò)大了產(chǎn)品的兼容性。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，筆者將無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)作為中繼路由的節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。采用這種結(jié)構(gòu)的最好處在于，即使中間有任意節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)也都可以自動(dòng)選擇另一條路由鏈路來進(jìn)行通信傳輸，極大地保證了數(shù)據(jù)安全有效的傳輸。與傳統(tǒng)的有線式網(wǎng)絡(luò)相比，無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)省了節(jié)點(diǎn)之間的布線要求，當(dāng)需要添加任意新的設(shè)備時(shí)，只需簡單地接上電源即可。當(dāng)添加或移動(dòng)設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)發(fā)生拓?fù)渥兓?，并且自?dòng)調(diào)整通信路由，以獲取最佳有效的傳輸路徑，讓用戶使用更加簡單、方便。

1.2.2 人工智能技術(shù)

本文設(shè)計(jì)的智能家居離不開人工智能技術(shù)的支持，兩者密不可分但是卻不盡相同。智能家居的誕生就是為了讓人類能夠在家庭住宅中生活得更舒適便捷。而人工智能則是更多應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，與不同行業(yè)發(fā)生巧妙的化學(xué)反應(yīng)。本文將人工智能與智能家居進(jìn)行結(jié)合，主要體現(xiàn)在控制、反饋和融合3個(gè)階段。第一階段是控制。該系統(tǒng)可控制智能家居的遠(yuǎn)程開關(guān)，包括溫濕度濃霧的檢測(cè)開關(guān)、顯示開關(guān)和報(bào)警開關(guān)等。第二階段是反饋。本文設(shè)計(jì)的智能家居能記錄用戶的相關(guān)溫濕度習(xí)慣等數(shù)據(jù)，通過人工智能反饋給用戶。第三階段是融合。當(dāng)用戶和智能家居交互時(shí)，用戶通過按鍵輸入信息，人工智能會(huì)辨別用戶的當(dāng)前需求，自動(dòng)回復(fù)信息。另外，智能家居還能夠根據(jù)某些特殊情況或一些特殊節(jié)日，自動(dòng)調(diào)整室內(nèi)的溫度和濕度閾值。

1.2.3 5G技術(shù)

智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等智慧科技，構(gòu)建互聯(lián)互通的家庭物聯(lián)網(wǎng)。本文將5G技術(shù)和智能家居系統(tǒng)結(jié)合在一起，主要體現(xiàn)在以下兩方面：一方面，5G技術(shù)有效地提升該系統(tǒng)的傳輸速度。目前，絕大多數(shù)的智能家居設(shè)備都在低功率下運(yùn)行，并通過不同的方式相互交換信息，增加了設(shè)備傳輸間的延時(shí)問題，這直接影響了整個(gè)智能家居生活的體驗(yàn)。5G的超高速傳輸?shù)某霈F(xiàn)將有助于信息的檢測(cè)和管理。另一方面，5G技術(shù)促進(jìn)了該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。對(duì)于通信質(zhì)量和速度要求都較高的智能家居行業(yè)來說，目前，各個(gè)廠家都專注于自己的產(chǎn)品，沒有一個(gè)統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這種相對(duì)封閉的環(huán)境并不利于智能家居的發(fā)展，而通過5G網(wǎng)絡(luò)有助于解決這一問題。

2 智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)智能家居系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度和煙霧的檢測(cè)和報(bào)警。它主要基于MQ-2和DHT11傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，并提供預(yù)警值設(shè)定和聲光報(bào)警功能。該系統(tǒng)主要包含AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、MQ-2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器、LCD1602顯示、按鍵和聲光報(bào)警。其中，AT89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，用于接收、處理由傳感器采集的信息，并將處理后的信息發(fā)送到LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)室內(nèi)溫濕度、可燃?xì)饣驘熿F濃度超出用戶設(shè)定的閾值時(shí)，相關(guān)LED指示燈點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)聲。

本文設(shè)計(jì)通過Proteus進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。具體步驟闡述如下：

第一，打開名為室內(nèi)溫濕度煙感監(jiān)測(cè)仿真文件，雙擊單片機(jī)，在彈出的對(duì)話窗口中進(jìn)行點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)，即可加載位于C程序文件夾內(nèi)的Monitor.hex文件，運(yùn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，LCD第1行顯示Monitor System（監(jiān)控系統(tǒng)），第2行顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度為27 ℃，濕度為55%RH，煙霧濃度為14%。LCD顯示結(jié)果與傳感器上的數(shù)值一致，表示數(shù)據(jù)采樣正確。

第二，通過DHT11傳感器上的3個(gè)紅色小箭頭來模擬室內(nèi)溫濕度的改變。系統(tǒng)中前兩個(gè)紅色小箭頭用于數(shù)值的增減，后一個(gè)小箭頭用于溫度和濕度的切換。由于Proteus仿真沒有MQ-2煙霧傳感器元件，而MQ-2傳感器的原理是把煙霧濃度直接轉(zhuǎn)化為電阻的變化，所以可以用滑動(dòng)變阻進(jìn)行替代。通過點(diǎn)擊滑動(dòng)變阻器RV2上下紅色箭頭，模擬室內(nèi)煙霧濃度的改變。

第三，調(diào)整室內(nèi)溫度為31℃，濕度為48%RH，煙霧濃度為7%。仿真結(jié)果如下：室內(nèi)溫度溫度31℃，濕度48%RH，煙霧濃度7%，顯示結(jié)果一致。

第四，通過調(diào)整鍵、加鍵和減鍵設(shè)置溫濕度上下限報(bào)警閾值和煙霧報(bào)警閾值。點(diǎn)擊調(diào)整鍵，系統(tǒng)進(jìn)入溫濕度上下限、煙霧報(bào)警閾值設(shè)置界面。其中，T代表溫度，H代表濕度，S代表煙霧濃度。系統(tǒng)默認(rèn)的溫度范圍為：20～35℃，濕度范圍為：40%～85%RH，煙霧報(bào)警閾值為：15%。當(dāng)進(jìn)入溫濕度、煙霧報(bào)警閾值設(shè)置界面時(shí)，溫度下限值光標(biāo)閃爍，此時(shí)，可通過加/減鍵對(duì)其數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完成后，繼續(xù)點(diǎn)擊調(diào)整鍵，溫度上限值光標(biāo)閃爍，這時(shí)可對(duì)上限值進(jìn)行調(diào)整。

第五，全部參數(shù)都設(shè)置好后，再次點(diǎn)擊調(diào)整鍵，即可退出設(shè)置界面，回到系統(tǒng)顯示界面。例如，本文設(shè)置溫度范圍為28～36 ℃，濕度范圍為40%～65%RH，煙霧報(bào)警閾值為5%。

第六，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到室內(nèi)溫濕度不在設(shè)定的上下限范圍內(nèi)或煙霧濃度大于報(bào)警閾值時(shí)，蜂鳴器鳴叫，對(duì)應(yīng)LED燈點(diǎn)亮。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境恢復(fù)正常后，報(bào)警解除。返回顯示界面后，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到當(dāng)前室內(nèi)煙霧濃度為7%，大于設(shè)定的5%，此時(shí)煙感報(bào)警燈點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)聲，提醒用戶注意。

在本文設(shè)計(jì)的智能家居中，不同設(shè)備之間的通信，都需要設(shè)計(jì)通信協(xié)議。為了保證設(shè)備與設(shè)備之間數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，筆者將通信協(xié)議進(jìn)行了統(tǒng)一。通信協(xié)議的設(shè)計(jì)僅在網(wǎng)絡(luò)層次之上。在復(fù)雜的邏輯編寫過程中，協(xié)議只是提供一種機(jī)制，邏輯需要在這種機(jī)制上提供一種更高層次上的通信方式。因此，筆者將各設(shè)備的DMA 傳輸方式由單片機(jī)直接控制傳輸，中斷處理方式采用保留現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的方式。該系統(tǒng)通過硬件為 RAM 與 I/O 設(shè)備開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，使單片機(jī)采用集中緩沖處理方式，從而統(tǒng)一數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)家居中溫濕度和煙霧的智能監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了多個(gè)應(yīng)用環(huán)境下的設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，采用DHT11溫濕度傳感器，且單片機(jī)可根據(jù)其特定時(shí)序讀取數(shù)據(jù)，顯示到液晶屏上，但不能在手機(jī)App端實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。后期可通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙模塊，并將手機(jī)連接藍(lán)牙模塊，編寫安卓程序接收數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)App端的顯示和控制功能。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 姚 鑫）

Design of intelligent home system based on Internet of Things

Li? Zhirui， Duan? Yuanmei

（School of Information Engineering， Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou 425199， China）

Abstract： With the popularization of smart home system， peoples acceptance of smart home is getting higher and higher. In this paper， a smart home system based on STM32 is designed by combining the technology of Internet of Things and single chip microcomputer. The smart home system is composed of single chip microcomputer module， temperature and humidity detection module， smoke detection module， button module， wireless module， display module and alarm module. The temperature and humidity detection module uses DHT11 temperature and humidity sensor to monitor the temperature and humidity indicators inside the home. The smoke detection module uses MQ-2 to detect the smoke concentration， and transmits all the detected data to the STM32 MCU. After the MCU module receives the temperature， humidity and smoke data collected by the sensor， it displays the collected data to the user in real time through the display module， and reports the data to the upper computer using ZigBee wireless communication technology， and the upper computer realizes the alarm function according to the data threshold. Finally， through experiments， the smart home control device designed in this paper can accurately realize the detection of various environmental data indicators and wireless transmission functions.

Key words： internet of things; smart home; sensor; single chip microcomputer; ZigBee