一個(gè)模擬智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何啟揚(yáng) 張澤耿

摘? 要：隨著我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居也逐漸出現(xiàn)在普通居民生活中。針對(duì)智能家居的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于Arm11系列開發(fā)板為中心，Arduino Pro Mini為設(shè)備端，通過(guò)2.4G無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)控制中心與家電設(shè)備端通信的智能家居系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)? 無(wú)線通訊? 智能家居

中圖分類號(hào)：TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（b）-0020-02

Abstract： With the development of Internet of Things in China， smart home has gradually appeared in the lives of ordinary residents. According to the characteristics of smart home， a smart home system based on ARM11 series development board is designed， Arduino Pro Mini is the device end， and the communication between control center and household appliances device end is realized by 2.4G wireless communication module.

Key Words： Internet of things; Wireless communication; Smart home

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們想如果計(jì)算機(jī)能不借助人類的幫助，就獲知物質(zhì)世界中各種可以獲取的信息，那就可以跟蹤和計(jì)量那些物質(zhì)，減少浪費(fèi)和損失，而物聯(lián)網(wǎng)的概念隨之出現(xiàn)了。物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在包括智能家居、智能交通、智能機(jī)器人等，其中智能家居以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，滿足用戶對(duì)家居的安全性、舒適性的需求。智能家居的前景廣闊，潛在市場(chǎng)巨大，所以受到各大商家的關(guān)注。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為3部分，即Arm開發(fā)板本地部分、手機(jī)Client部分、服務(wù)器部分。

（1）Arm開發(fā)板本地部分包括搭建了2.4G無(wú)線通信模塊的安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭環(huán)境的感知;還有Arm開發(fā)板控制中心，主要是傳輸、處理各種信息，如WiFi接收到的信息處理后再傳輸給服務(wù)器、Tcp接收到的信息處理后再發(fā)送給設(shè)備端。

（2）手機(jī)Client部分主要是為了用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控住宅安全信息、家電信息，也可以遠(yuǎn)程操控家電，還有登錄驗(yàn)證功能。

（3）服務(wù)器部分主要是記錄用戶登錄信息，分析住宅家電信息，將信息轉(zhuǎn)發(fā)至手機(jī)客戶端，接收手機(jī)客戶端的命令并將命令傳至開發(fā)板控制中心。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以ARM11處理器S3C6410的ok6410開發(fā)板作為控制中心，Ardunio Pro mini作為家電設(shè)備端控制芯片，再通過(guò)2.4G通信模塊作為控制中心與設(shè)備端芯片的通訊渠道。

（1）門禁部分采用的是Z-Star可調(diào)焦攝像頭、紅外傳感器、電鎖。通過(guò)攝像頭對(duì)用戶臉部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)特征提取訓(xùn)練法生成人臉特征數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將人臉特征數(shù)據(jù)庫(kù)下載到控制中心中，當(dāng)用戶靠近門禁系統(tǒng)時(shí)，紅外傳感器感應(yīng)到有障礙物后輸出信號(hào)，啟動(dòng)攝像頭采集臉部數(shù)據(jù)，與控制中心中的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，若匹配成功則啟動(dòng)電鎖控制模塊，若失敗則啟動(dòng)報(bào)警模塊，通過(guò)蜂鳴器報(bào)警和短信通知用戶。

（2）燈光部分是控制中心通過(guò)通信模塊將命令發(fā)送到Ardunio芯片，進(jìn)行LED燈的亮度、顏色、開關(guān)的控制。該系統(tǒng)用WSC2812LED全彩小燈進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）空調(diào)部分采用的是ybof2遙控器作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)遙控器發(fā)送的RAW信號(hào)進(jìn)行解碼，解析出格力空調(diào)的編碼格式，修改空調(diào)的狀態(tài)后通過(guò)紅外發(fā)射管將信號(hào)發(fā)送給空調(diào)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)遙控器的制作，從而對(duì)空調(diào)的開關(guān)、溫度、模式進(jìn)行控制。

（4）燃?xì)鈾z測(cè)部分采用的是MQ-6模塊。MQ-6可檢測(cè)多種可燃性氣體，當(dāng)傳感器所處的環(huán)境中存在可燃性氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨可燃性氣體濃度的增大而增大，將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體的濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。當(dāng)濃度超過(guò)預(yù)警界限時(shí)，通過(guò)通信模塊發(fā)送警告信號(hào)通知用戶。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）該系統(tǒng)的門禁系統(tǒng)人臉識(shí)別算法采用的是OpenCV，OpenCV是Intel公司支持的開源計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)，從版本2.4開始，加入了一個(gè)類FaceRecognizer，使用它可以方便地進(jìn)行人臉識(shí)別，目前支持3種算法，即Eigenfaces、Fisherfaces、LocalBinary，該系統(tǒng)采用的是Fisherfaces。

（2）燈光系統(tǒng)采用的是Adafruit_NeoPiexl庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)WS2812LED全彩小燈進(jìn)行控制。將庫(kù)文件下載后解壓到Ardunio安裝目錄的libraries目錄下。

①Adafruit_NeoPixel：：Color（red， greed， blue）：燈光的顏色是由三色組成的，該函數(shù)返回字節(jié)數(shù)為32位的由red、greed、blue表示的燈光色彩的值，在這里可以對(duì)其進(jìn)行0～255的任意值設(shè)置。

②Adafruit_NeoPixel：：setPixelColor（n， color）：該函數(shù)的作用是將第n個(gè)燈的顏色設(shè)置為color表示的顏色。該函數(shù)只是設(shè)置，不是將燈的顏色顯示。

③Adafruit_NeoPixel：：show（）：該函數(shù)是將用setPixelColor設(shè)置燈的顏色進(jìn)行一次輸出。如果輸出過(guò)快會(huì)出現(xiàn)燈光顯示跳躍的情況，在輸出的時(shí)候需要適當(dāng)加一個(gè)小延時(shí)。

對(duì)于庫(kù)的使用需要新定義一個(gè)新的對(duì)象，它的構(gòu)造函數(shù)的格式如下：Adafruit_NeoPixel（LedNumber， LED_Pin， NEO_GRB + NEO_KHZ800），其中LedNumbers代表的是控制全彩LED燈的顆粒數(shù)，LED_Pin表示的是LED的通訊引腳和開發(fā)板連接的引腳，NEO_GRB+NEO_KHZ800表示的是與開發(fā)板所連的LED的具體類型，該值跟LED的型號(hào)有關(guān)。

（3）空調(diào)控制系統(tǒng)采用的是IRremote庫(kù)來(lái)進(jìn)行紅外的接收和發(fā)送。引用IRremote文件，構(gòu)造一個(gè)新的類IRsend，調(diào)用類中的sendRaw函數(shù)發(fā)送空調(diào)通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為raw的數(shù)據(jù)。sendRaw的數(shù)據(jù)格式為sendRaw（SendRawBuff，BUff_count，pow），其中pow為紅外線的發(fā)送頻率，一般有32、38、40，該系統(tǒng)中使用的是38。這些在Loop函數(shù)中調(diào)用類的decode函數(shù)監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)到達(dá)，輸出接受到的數(shù)據(jù)。再調(diào)用類的resume函數(shù)監(jiān)聽紅外接收頭是否有紅外信號(hào)到達(dá)，當(dāng)有紅外信號(hào)到達(dá)時(shí)，resume將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)為raw數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在類中定義的數(shù)組中。

4? 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用的是JDY-40 2.4G無(wú)線通信模塊，它擁有128個(gè)工作頻道，通過(guò)設(shè)置不同模塊的無(wú)線ID、設(shè)備ID和頻道，在一定范圍內(nèi)這3個(gè)參數(shù)相同的模塊就可以互相通信，設(shè)備端與開發(fā)板之間就是以這種形式通信。模塊通信距離可以達(dá)到120m。各類傳感器上搭建無(wú)線通信模塊，將感知到的信息發(fā)送給開發(fā)板中心;還有將服務(wù)器的命令經(jīng)過(guò)開發(fā)板中心的無(wú)線通信模塊發(fā)送到設(shè)備端控制。

服務(wù)器與開發(fā)板之間通過(guò)TCP連接，穩(wěn)定傳輸信息，命令。服務(wù)器與手機(jī)Client之間是以Web/Sever形式連接。

5? 結(jié)語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，智能家居所具有的價(jià)值也被越來(lái)越多商家所挖掘出來(lái)。該文設(shè)計(jì)了一套基于Arm11系列開發(fā)板為中心，Arduino Pro Mini為設(shè)備端，通過(guò)2.4G無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)控制中心與家電設(shè)備端通信的智能家居系統(tǒng)。

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