基于云平臺的智能家庭控制系統(tǒng)設計

摘" 要： 為了實現(xiàn)家居生活的舒適與安全，設計了一種基于云平臺的智能家庭控制系統(tǒng)。建立了RFID智能門禁 、室內(nèi)氣體監(jiān)測與處理，室內(nèi)土壤監(jiān)測與自動澆花、系統(tǒng)室內(nèi)光照監(jiān)測與自動窗簾、手勢識別與自動照明、Web界面顯示數(shù)據(jù)、無線WiFi數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的智能家庭控制系統(tǒng)。以MEGA2560為微控制器，將空氣質(zhì)量傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器、手勢識別傳感器、環(huán)境傳感器、射頻識別等采集的各項指標數(shù)據(jù)傳輸至MCU，并利用編譯好的程序進行相應的處理，用于完成由窗簾電機、換氣風扇、水泵、電子鎖、LED等模塊的控制，通過MQTT協(xié)議與阿里云平臺進行通信，實現(xiàn)Web端數(shù)據(jù)顯示和釘釘機器人的預警。最后通過硬軟件的聯(lián)合調(diào)試，結果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器采集、智能控制、云平臺監(jiān)控等功能，具有實用性強、響應快、應用前景較好的特點。

關鍵詞： 智能家居； 阿里云； RFID； 多傳感器； 自動控制； 釘釘機器人預警

中圖分類號： TN02?34； TP277" " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）03?0161?06

Design of smart home control system based on cloud platform

LI Xiaomin1， YANG Yanning2， ZHAO Yanli1

（1. School of Electrical and Information Engineering， Ningxia Institute of Science and Technology， Shizuishan 753000， China;

2. School of Physics and Electronic Information， Yan’an University， Yan’an 716000， China）

Abstract： A smart home control system based on cloud platform is designed to achieve comfort and safety of home life. An integrated smart home control system with features including RFID smart access control， indoor gas monitoring and processing， indoor soil monitoring and automatic watering of flowers， indoor lighting monitoring and automatic curtains， gesture recognition and automatic lighting， Web interface for data display， and wireless WiFi data transmission has been established. The MEGA2560 is used as a microcontroller， and various indicator data collected from air quality sensors， light sensors， soil humidity sensors， gesture recognition sensors， environmental sensors and radio frequency recognition is transmitted to MCU. And then， the precompiled program is used to process the data accordingly， so as to control the modules such as window curtain motors， exhaust fans， water pumps， electronic locks， and LEDs. Communication with the Alibaba cloud platform is performed via the MQTT protocol， so that the Web?based data display and the DingTalk robot warning are achieved. After joint debugging of hardware and software， the results show that the system can achieve functions such as multi?sensor acquisition， smart control and cloud platform monitoring. It is characterized by practicality， rapid response and good application prospects.

Keywords： smart home; Alibaba cloud; RFID; multi?sensor; automatic control; DingTalk robot warning

0" 引" 言

隨著我國經(jīng)濟水平逐漸提升和智慧生活的理念不斷深入人心，智能家居產(chǎn)品逐漸走入快速發(fā)展的階段，為人們營造了舒適安全的便民生活。智能家居由智能硬件和智能應用構成，可以采集和分析用戶家庭環(huán)境數(shù)據(jù)[1?3]。利用單片機、無線通信 、傳感識別、自動控制、物聯(lián)網(wǎng)應用等技術，實現(xiàn)對生活相關設備、家電等情況的監(jiān)測、傳輸、監(jiān)控。

本文從智能家居的實際需求出發(fā)，設計了一種基于阿里云平臺的智能家庭控制系統(tǒng)，通過MQTT協(xié)議，WiFi模塊實現(xiàn)互聯(lián)互通，通過串口控制無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，利用多傳感器采集各類數(shù)據(jù)，將其采集到的數(shù)據(jù)傳送至阿里云平臺，并利用IoT Studio物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)服務設計電腦端Web應用，同時云端可以通過Arduino主控模塊MEGA2560控制家庭的輔監(jiān)測及其調(diào)控設備，實現(xiàn)對空氣質(zhì)量、光照強度、溫濕度等參數(shù)的實時監(jiān)測和遠程調(diào)控等功能。

1" 系統(tǒng)分層結構設計

智能家居控制系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡層、應用層構成系統(tǒng)的分層結構[4]，如圖1所示。感知控制層包括傳感識別設備和各類控制器，傳感器用來采集土壤濕度、光照強度、有害氣體、室內(nèi)溫濕度、室內(nèi)海拔、室內(nèi)壓強等物理量情況，當檢測的物理量大于系統(tǒng)設置的閾值時，控制器將執(zhí)行相應的調(diào)節(jié)動作。

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圖1" 系統(tǒng)分層結構圖

網(wǎng)絡傳輸層將來自感知層的信息通過承載網(wǎng)絡傳送到應用層，系統(tǒng)采用短距離WiFi無線通信技術，構建移動通信網(wǎng)，基于MQTT協(xié)議和I/O控制，為物聯(lián)網(wǎng)應用平臺提供了信息承載平臺[5?6]。

應用層選用阿里云物聯(lián)網(wǎng)應用云平臺，基于HTTP服務器的智能家居管理監(jiān)測平臺，用戶可以在PC建立Web端進行遠程數(shù)據(jù)查詢和控制，實現(xiàn)實時的信息監(jiān)測和管理操作。

2" 系統(tǒng)硬件結構及電路設計

2.1" 系統(tǒng)硬件結構

智能家庭控制系統(tǒng)總體結構如圖2所示，系統(tǒng)以MEGA2560為微控制器，通過空氣質(zhì)量傳感器MQ?135、光照傳感器、土壤濕度傳感器、手勢識別傳感器GY?PAJ7620、射頻識別模塊RFID?RC522等多傳感器采集各種參數(shù)，將采集到的各類數(shù)據(jù)傳送給MEGA2560，經(jīng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊EMW3080和MQTT協(xié)議封裝，將數(shù)據(jù)傳輸至阿里云應用平臺以存儲。同時，阿里云平臺將存儲的數(shù)據(jù)通過Web頁面顯示家庭內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控家庭設備的工作狀態(tài)。當參數(shù)超過閾值時，釘釘機器人會及時報警提示，同時下發(fā)指令給設備端以控制窗簾電機、換氣風扇、水泵、電子鎖、LED等外設，完成系統(tǒng)的遠程調(diào)控作用，為營造舒適且安全的居住環(huán)境提供便利。

2.2" RFID門禁系統(tǒng)

門禁系統(tǒng)選用RC552作為射頻模塊，通過SPI協(xié)議與MCU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)門禁模塊對IC卡數(shù)據(jù)的識別和認證。采用13.56 MHz的電磁波實現(xiàn)門禁模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中用于識別用戶合法性的判斷[7]。RFID門禁系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。

智能家庭控制系統(tǒng)的門禁系統(tǒng)設計的是12 V的直流電子鎖，將電子鎖與射頻模塊RC522相連。當門禁卡的ID注冊并被正確識別為合法用戶后，會向電子鎖發(fā)送一個高電平信號，此時電子鎖就會通電縮回，實現(xiàn)開門的目的，此系統(tǒng)識別的有效門禁卡ID為“a36c45a9”。當沒有電信號時，電子鎖就會斷電彈出，實現(xiàn)鎖門的目的。

2.3" 無線傳輸模塊

采用EMW3080作為無線WiFi通信模塊，為了實現(xiàn)系統(tǒng)與外置網(wǎng)絡系統(tǒng)的連接和遠程控制，故設置STA+AP網(wǎng)絡運行模式，通過AT執(zhí)令連接到設定的路由器[8?11]。MCU主控模塊MEGA2560通過串口UART0與EMW3080進行信息交互，MCU將傳感器采集的數(shù)據(jù)轉化為動態(tài)加密后十六進制的MQTT網(wǎng)絡報文，再通過串口傳給EMW3080模塊，EMW3080模塊通過連接室內(nèi)WiFi網(wǎng)絡對阿里云服務器進行遠程訪問，當服務器應答并與設備建立遠程連接后，EMW3080模塊傳輸設備信息并返回網(wǎng)絡信息給MCU，MCU通過返回的報文進行下一步操作。包括重新登錄、清除緩存數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)[12?13]。WiFi模塊電路圖如圖4所示。

2.4" 室內(nèi)氣體監(jiān)測與處理系統(tǒng)

采用BME280環(huán)境傳感器、MQ?135傳感器、換氣風扇以及空調(diào)以完成室內(nèi)氣體監(jiān)測處理于一體的功能。傳感器采用I2C總線與單片機進行相連，在I2C端口初始化后，傳感器把所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過端口輸出數(shù)字信號。當溫度高于28 ℃時，系統(tǒng)會自動打開空調(diào)，當溫度低于25 ℃時則會關閉空調(diào)。BME280所采集的環(huán)境參數(shù)同時顯示在Web界面，方便用戶了解室內(nèi)情況。

系統(tǒng)同時選用MQ?135傳感器以監(jiān)測家庭的有害氣體，當系統(tǒng)檢測的室內(nèi)空氣污染濃度達到1 300 mg/m3時，則報警機器人開始發(fā)送提示，并打開排風扇換氣，避免室內(nèi)有害氣體濃度過大帶來的危害性。直到檢測到的危險氣體濃度低于1 000 mg/m3時，系統(tǒng)自動關閉排氣扇，實時監(jiān)控室內(nèi)的空氣質(zhì)量以保障用戶居住安全。

2.5" 室內(nèi)土壤監(jiān)測與自動澆花系統(tǒng)

選用電阻型土壤濕度傳感器實現(xiàn)土壤濕度的實時監(jiān)測。在系統(tǒng)設計中將傳感器的模擬輸出與單片機的A1引腳相連，再利用片內(nèi)的十位A/D進行模擬信號的數(shù)字化。系統(tǒng)通過設置閾值以判斷是否控制水泵給花盆注水，若收集到的含水率小于20%，則繼電器驅(qū)動水泵開始自動澆花；若收集到的含水率大于30%，則停止?jié)不ā?/p>

2.6" 室內(nèi)光照監(jiān)測與自動窗簾系統(tǒng)

選用光敏傳感器作為室內(nèi)光照強度的采集模塊，在電路設計中通過LM393電壓比較器，并內(nèi)嵌一個可調(diào)電位器進行手動調(diào)節(jié)，最終輸出數(shù)字信號并傳輸至主控模塊。

系統(tǒng)設計5 V的步進電機控制窗簾的開啟與閉合，步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰频目刂圃14?15]。當有脈沖信號時，電機就會以角度轉動。當光敏電阻采集到的光照強度小于400 cd/m2，此時系統(tǒng)打開窗簾，當光照數(shù)值大于600 cd/m2時關閉窗簾，為用戶營造了較為舒適的室內(nèi)環(huán)境。

2.7" 手勢識別與自動照明系統(tǒng)

采用PAJ7620芯片作為手勢識別模塊，當用戶與傳感器保持一定的距離完成手勢動作時，光學傳感器會通過截取手勢信息與手勢數(shù)據(jù)庫完成比對，通過與傳感器的垂直距離變換，進一步增加手勢識別的精度與準確度。該模塊通過I2C總線與MCU進行信息傳遞，當用戶執(zhí)行每個手勢動作，該模塊將采集的手勢信號捕獲到系統(tǒng)的微控制器對手勢進行分析，通過與手勢數(shù)據(jù)庫的模型比對，完成不同的手勢語言信息傳輸，進而再通過驅(qū)動模塊控制LED燈的運行，最后將識別過程與設備信息在Web界面中完成展示，便于用戶進行后續(xù)的操作和查看。

3" 軟件設計

3.1" 主程序設計

智能家庭控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。由圖5可知，首先對各個模塊寄存器以及端口進行初始化，其次是對系統(tǒng)進行WiFi模塊的組網(wǎng)配置以及和阿里云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。通過AT指令配置EMW3080實現(xiàn)與無線路由器的連接，最終實現(xiàn)了應用平臺的人機交互功能。 在系統(tǒng)中，通過RFID識別模塊、光敏傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、土壤濕度傳感器等多類傳感器實現(xiàn)光照強度、有害氣體、土壤溫度、室內(nèi)壓強海拔等數(shù)據(jù)的采集，利用無線通信技術通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到應用平臺，并顯示在Web界面上。從智能家庭控制系統(tǒng)的流程圖可以看出，MCU會將采集信號與系統(tǒng)的閾值進行分析判斷，并命令外圍電路執(zhí)行相應的控制功能，如窗簾控制系統(tǒng)、電子鎖、換氣風扇等控制調(diào)節(jié)物理器件，實現(xiàn)了系統(tǒng)的調(diào)控和遠程監(jiān)視功能。

3.2" 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺設計

3.2.1" 準備工作

通過MQTT協(xié)議使數(shù)據(jù)接入云平臺，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，故選用了服務質(zhì)量（Quality of Service， QoS）等級，以降低信息在不通過的網(wǎng)絡環(huán)境傳輸?shù)恼`碼率。

首先注冊阿里云應用平臺，登錄后選擇公共實例。具體操作包括：創(chuàng)建產(chǎn)品和設備、定義物聯(lián)網(wǎng)模型、創(chuàng)建設備和云平臺的連接、服務端訂閱設備消息、云平臺下達指令。其中，產(chǎn)品創(chuàng)建完畢，阿里云會分配ProductKey、DeviceName和DeviceSecret三元組，按照平臺設定的協(xié)議獲得Username、Password、ClientlD、IP等參數(shù)，最終燒錄到物聯(lián)網(wǎng)設備，作為連接阿里云的身份驗證信息。創(chuàng)建了室內(nèi)溫度、空調(diào)狀態(tài)、土壤濕度以及風扇狀態(tài)等參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

3.2.2" Web端和釘釘機器人設計

在Web可視化開發(fā)過程中，首先建立項目、綁定產(chǎn)品和設備，其次，通過拖曳的方式引入設備控制面板，最后，對控制部件逐一進行數(shù)據(jù)源的配置，應用搭建之后，便可以瀏覽和使用。系統(tǒng)通過Web界面實現(xiàn)各類數(shù)值的顯示，如：溫度、濕度、光線強度、海拔等數(shù)據(jù)，以及智能澆花模塊、智能窗簾模塊、空氣監(jiān)測模塊、智能溫度模塊的工作狀態(tài)，方便用戶了解室內(nèi)情況，設備模型如圖6所示。同時，在應用層設計了釘釘機器人，其設計流程如圖7所示，起到報警提示的作用。

4" 系統(tǒng)測試與結果

4.1" WiFi無線傳輸測試

系統(tǒng)首先將AT指令固件燒錄至EMW3080WiFi模塊，以便后續(xù)該模塊能連接阿里云平臺，再通過UART串口協(xié)議與EMW3080模塊通信，最后配置入網(wǎng)，連接阿里云，實現(xiàn)了各類設備與阿里云應用平臺之間的信息交互。在WiFi連接時，首先需要在編輯器設置好wifi_ssidhe、wifi_paw等數(shù)據(jù)定義，如圖8所示。調(diào)試端口監(jiān)視器顯示“WiFi PASS！”，如圖9所示。經(jīng)測試，WiFi無線傳輸信息功能實現(xiàn)，可與云平臺實現(xiàn)通信。

4.2" 數(shù)據(jù)采集模塊測試

系統(tǒng)選用了RFID識別模塊、光敏傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、土壤濕度傳感器等多類傳感器構建了傳感采集網(wǎng)絡，其測試方法和測試結果如表2所示。由表2可以看出，該系統(tǒng)的多傳感數(shù)據(jù)采集模塊可以穩(wěn)定地進行。在測試成功后，MEGA2560主控模塊可以成功地向阿里云平臺傳輸系統(tǒng)監(jiān)測的光照強度、室內(nèi)溫度、土壤濕度等相關物理量，阿里云平臺再將數(shù)據(jù)轉發(fā)至用戶服務器端，并存儲在本地數(shù)據(jù)庫中，通過Web頁面進行顯示，如圖10所示。

4.3" 遠程報警測試

在驗證釘釘機器人遠程報警過程中，以空氣質(zhì)量傳感器采集的數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)通過主控模塊向阿里云IoT平臺上報，同時將數(shù)據(jù)轉發(fā)至服務器以存儲在本地數(shù)據(jù)庫中。若數(shù)據(jù)超過了阿里云平臺設置的閾值范圍，則釘釘機器人會自動報警，并發(fā)送當前室內(nèi)的污染濃度大小，起到了遠程提示的作用，測試結果如圖11所示。

5" 結" 語

本文設計基于云平臺的智能家庭控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，結果表明，感知控制層的傳感識別監(jiān)測信息可靠性強，網(wǎng)絡傳輸層和物聯(lián)網(wǎng)應用層信息交互穩(wěn)定。該系統(tǒng)首先通過RFID識別合法用戶，可以監(jiān)測到室內(nèi)的溫濕度、有害氣體、光線強度、海拔高度等信息，并可以將數(shù)據(jù)傳輸至阿里云平臺，用戶通過電腦Web端查看，并通過智能窗簾模塊、水泵模塊、空調(diào)模塊等外部設備及時地調(diào)控室內(nèi)的各項參數(shù)，通過釘釘機器人可及時地報警提示，營造了較為舒適的生活環(huán)境，實現(xiàn)了基本的遠程監(jiān)控和控制。后續(xù)仍需要對云平臺的設計、WiFi的便捷登錄、傳感器采集數(shù)據(jù)的精度等方面進行進一步研究，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化和推廣。

注：本文通訊作者為楊延寧。

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