基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

和鑫 田路 羅毅 商春雪 郭進(jìn)軍

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)逐漸融入并影響著人們的生活。作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，智能家居以其智能化、人性化以及安全可靠等優(yōu)勢(shì)廣泛吸引著大眾的關(guān)注。研究采用云服務(wù)、傳感器、無(wú)線通信、電路設(shè)計(jì)等技術(shù)，基于安全、舒適、人性化的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)了具有網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制能力、傳感器環(huán)境參數(shù)讀取并完成智能控制功能以及近程O(píng)LED人機(jī)交互的人性化智能家居系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)具有智能照明、光感窗簾、可燃?xì)怏w檢測(cè)、背景音樂(lè)、中央換新風(fēng)、OLED紅外控制以及遠(yuǎn)程手機(jī)APP控制等功能。研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可用于現(xiàn)實(shí)生活中，同時(shí)，該系統(tǒng)模型的構(gòu)建思路能為同領(lǐng)域的研究者提供一定的參考，還能在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)方面獲取實(shí)效。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能家居;傳感器應(yīng)用;無(wú)線通信;光感窗簾;人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）09-00-05

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）指物物相連的互聯(lián)網(wǎng)[1]，

它是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要產(chǎn)物。現(xiàn)階段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的迅速發(fā)展，我國(guó)政府對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的方向目標(biāo)給予了明確指示，未來(lái)將物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展上升至國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)層面。作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，智能家居[2]（smart home，home automation）是以住宅為平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的高效住宅設(shè)施及管理系統(tǒng)，智能家居系統(tǒng)可根據(jù)住宅內(nèi)的實(shí)際情況做出合理反應(yīng)，同時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需用戶過(guò)多干預(yù)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能，提升居住環(huán)境的安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性。

為了能使傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品變成智能化、人性化且具有家庭環(huán)境感知及信息交流等功能的智能家居。本研究通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，綜合互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信、物理電路、傳感器等技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了具有安全、舒適、個(gè)性化環(huán)境的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能照明、光感窗簾、可燃?xì)鈾z測(cè)、背景音樂(lè)、中央換新風(fēng)、OLED紅外控制以及遠(yuǎn)程手機(jī)APP控制等功能。智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括器件選型、硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。

（1）器件選取方面，本次智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要依托STC15F2K60S2系列單片機(jī)。為了達(dá)到研究效果，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，器件的選擇還包括傳感器、通信模塊、解碼器、電源等硬件設(shè)備。

（2）硬件電路設(shè)計(jì)方面，本研究設(shè)計(jì)了基于AMS1117-3.3的電源轉(zhuǎn)化電路;基于VS1003B解碼芯片的解碼電路和基于TF卡電路的MP3電路;OLED驅(qū)動(dòng)顯示電路等。

（3）軟件設(shè)計(jì)方面，本次設(shè)計(jì)主要通過(guò)單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)了具有網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制能力、傳感器環(huán)境參數(shù)讀取并完成智能控制功能以及近程O(píng)LED人機(jī)交互的人性化智能家居系統(tǒng)。

智能家居模型搭建包括整體房屋功能區(qū)的搭建、合理的布局傳感器位置及光感窗簾的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)置。硬件制作和軟件編寫(xiě)過(guò)后，得到實(shí)物模型。實(shí)物裝配完成后必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，檢查設(shè)計(jì)功能是否能夠成功實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)試完成后本次智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的作品才算真正意義上的功能實(shí)現(xiàn)。

1 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 器件選型

為了達(dá)到研究效果，選擇合理的器件是首要任務(wù)，本研究的器件選型見(jiàn)表1所列。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本研究的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依托于STC15F2K60S2系列單片機(jī)，單片機(jī)電路如圖1所示。為達(dá)到研究目的，還設(shè)計(jì)了以下電路。

（1）基于AMS1117-3.3的電源轉(zhuǎn)化電路。因?yàn)楸狙芯吭O(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)供電為直流5 V和12 V，12 V電壓用于驅(qū)動(dòng)窗簾、換新風(fēng)電機(jī)，5 V電壓為主控MCU供電，但一些使用到的芯片供電電壓為3.3 V，因此使用AMS1117-3.3將5 V電壓降至3.3 V為芯片供電。

（2）在MP3電路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了基于VS1003B解碼芯片的解碼電路和TF卡電路。因?yàn)榇舜沃悄芗揖酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)控制播放、TF（SD）卡存儲(chǔ)音樂(lè)文件、VS1003B解碼芯片解碼方式，單片機(jī)與TF卡的接口為SPI，音樂(lè)播放時(shí)單片機(jī)定時(shí)將音樂(lè)數(shù)據(jù)從TF卡內(nèi)讀出，通過(guò)SPI接口傳輸?shù)絍S1003B芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后由揚(yáng)聲器發(fā)聲。

（3）OLED驅(qū)動(dòng)顯示電路。因?yàn)镺LED的數(shù)據(jù)接口為SPI接口，字庫(kù)芯片GT20L16S1Y接口也為SPI接口，且單片機(jī)引腳有限，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)將其MOSI與CLCK公用。

（4）紅外通信電路。本次設(shè)計(jì)采用已集成的紅外線發(fā)射器作為紅外通信設(shè)備。

（5）紅外物體檢測(cè)電路。

（6）電燈驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)使用的電燈模擬器件為L(zhǎng)ED燈[4-7]，由于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電流較小無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)LED燈，因此設(shè)計(jì)了單片機(jī)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，從而點(diǎn)亮LED燈。

（7）使用DS1302計(jì)時(shí)芯片設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路。

（8）運(yùn)用擁有高性能無(wú)線SOC，內(nèi)部具有32位高性能MCU的樂(lè)鑫ESP8266設(shè)計(jì)WiFi通信模塊電路。

（9）溫濕度、光照傳感器電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的溫濕度、光照傳感器均為I2C接口，地址不同，可以同時(shí)連接到同一I2C總線，分時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了單片機(jī)的I/O資源。傳感器設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本研究的軟件設(shè)計(jì)包括OLED菜單顯示、I2C驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)、窗簾功能設(shè)計(jì)、智能換新風(fēng)與報(bào)警功能設(shè)計(jì)、MP3播放程序設(shè)計(jì)、鬧鐘功能設(shè)計(jì)、燈光控制設(shè)置、手機(jī)智能家居網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)共9部分。

（1）OLED菜單顯示。受數(shù)字電路中狀態(tài)機(jī)的啟發(fā)，OLED顯示將基于狀態(tài)機(jī)完成。

（2）I2C驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。溫度傳感器LM75A、光照傳感器、溫濕度傳感器均采用I2C總線形式，每個(gè)溫度傳感器有唯一的地址，溫度數(shù)據(jù)讀取包括如圖3所示的光照、溫度數(shù)據(jù)和圖4所示的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)。

（3）時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)。時(shí)鐘芯片與單片機(jī)通信具有嚴(yán)格的時(shí)序，時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)的接口有讀取時(shí)間Read_time和設(shè)置時(shí)間Set_tiem，手機(jī)通過(guò)APP與智能家居進(jìn)行時(shí)間同步。

（4）窗簾功能設(shè)計(jì)。本模型窗簾具有環(huán)境感知功能，當(dāng)外界光照發(fā)生變化時(shí)，MCU根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的光照閾值自動(dòng)拉開(kāi)/關(guān)閉窗簾，除自動(dòng)控制外，還可通過(guò)遙控或手機(jī)APP一鍵關(guān)閉/拉開(kāi)窗簾。窗簾控制如圖5所示。

（5）智能換新風(fēng)與報(bào)警功能設(shè)計(jì)。通過(guò)手機(jī)APP設(shè)定煙霧可燃?xì)怏w濃度值，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)啟動(dòng)換新風(fēng)功能，當(dāng)濃度過(guò)大有危險(xiǎn)時(shí)，自動(dòng)向手機(jī)端發(fā)送警報(bào)信息，換新風(fēng)功能也可通過(guò)遙控器和手機(jī)APP控制。

（6）MP3播放程序設(shè)計(jì)。本次智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)控制播放、TF（SD）卡存儲(chǔ)音樂(lè)文件、VS1003B芯片解碼的方式實(shí)現(xiàn)，音樂(lè)播放時(shí)單片機(jī)定時(shí)將音樂(lè)數(shù)據(jù)從TF卡內(nèi)讀出后通過(guò)SPI接口傳輸?shù)絍S1003B解碼，VS1003B芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后由揚(yáng)聲器發(fā)聲。設(shè)計(jì)的音樂(lè)播放可由遙控器或手機(jī)端APP控制。

（7）鬧鐘功能設(shè)計(jì)。本研究基于常規(guī)的鬧鐘功能設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了能用手機(jī)APP控制播放音樂(lè)的鬧鈴。

（8）燈光控制設(shè)置。燈光的開(kāi)關(guān)控制通過(guò)光照傳感器、紅外人體感應(yīng)共同決定，當(dāng)光線過(guò)暗時(shí)，如果紅外感應(yīng)到房間內(nèi)有人則打開(kāi)燈，如果光線較強(qiáng)，則無(wú)論是否檢測(cè)到人都不會(huì)自動(dòng)開(kāi)燈。燈光還可由遙控器和手機(jī)APP控制。

（9）手機(jī)智能家居網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)。本研究的單片機(jī)通過(guò)串口與WiFi模塊ESP8266[8]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，單片機(jī)發(fā)送命令接入家中無(wú)線路由從而接入互聯(lián)網(wǎng)。但手機(jī)和智能家居都屬于內(nèi)網(wǎng)，無(wú)法簡(jiǎn)單直接訪問(wèn)，需要具有公網(wǎng)地址的服務(wù)器做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接。因此租用了騰訊公司的云服務(wù)器，在云服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)Socket數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)，手機(jī)端APP為Socket客戶端。

2 智能家居模型搭建

2.1 整體房屋功能區(qū)搭建

本次智能家居系統(tǒng)在手工房屋模型上實(shí)現(xiàn)。智能家居的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)構(gòu)思作為依據(jù)進(jìn)行功能區(qū)搭建。除基礎(chǔ)模型搭建外，一些所用外設(shè)的界面也需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖6所示為房屋模型，圖7所示為功能布區(qū)，圖8所示為功能構(gòu)架分層。

2.2 傳感器位置

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能照明、光感窗簾、可燃?xì)鈾z測(cè)、背景音樂(lè)、中央換新風(fēng)、OLED紅外控制（數(shù)據(jù)參數(shù)查詢、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)查詢和基礎(chǔ)功能開(kāi)關(guān)）以及遠(yuǎn)程手機(jī)APP控制（紅外所有功能以及外延參數(shù)設(shè)計(jì)）等功能。為了使智能家居系統(tǒng)更加人性化并保證住戶的安全，合理布局傳感器尤為重要。傳感器應(yīng)根據(jù)家庭環(huán)境的實(shí)際需求進(jìn)行布局。本次智能家居的傳感器位置針對(duì)房屋功能區(qū)的用途和區(qū)域進(jìn)行了細(xì)致劃分，以保證各功能區(qū)的空間及功能。傳感器位置如圖9所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試

硬件制作和軟件編寫(xiě)后，得出本次智能家居系統(tǒng)模型實(shí)例。實(shí)物完成后必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，檢查設(shè)計(jì)功能是否實(shí)現(xiàn)。調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)硬件部分調(diào)試方法

硬件調(diào)試[9]主要包括測(cè)試各部分的焊接情況以及各硬件部分能否完成設(shè)計(jì)功能，如測(cè)試是否有短路和虛焊、測(cè)試輸入輸出電壓、測(cè)試ISP下載、測(cè)試串口通信。

由于顯示系統(tǒng)功能的測(cè)試需要軟件配合，所以在硬件調(diào)試部分只測(cè)試單片機(jī)復(fù)位電平，功能部分測(cè)試放在系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試部分完成。

3.2 軟件調(diào)試方法

軟件調(diào)試[9]是軟件編譯和將各功能塊程序分別寫(xiě)入以驗(yàn)證其功能的可實(shí)現(xiàn)性。在進(jìn)行功能調(diào)試前須用KEIL對(duì)所有程序進(jìn)行編譯，編譯成功產(chǎn)生可執(zhí)行的.hex后方可進(jìn)行功能測(cè)試。

測(cè)試串口程序的功能是否完善不但要連接單片機(jī)系統(tǒng)還要借助串口調(diào)試工具。串口調(diào)試工具[10]選用串口調(diào)試助手，按照設(shè)定的串口、波特率向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收單片機(jī)向PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并把發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示在狀態(tài)欄內(nèi)。因此只要設(shè)定PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送的內(nèi)容和單片機(jī)向PC機(jī)發(fā)送的內(nèi)容就可以通過(guò)串口調(diào)試助手驗(yàn)證串口通信是否準(zhǔn)確，是否滿足功能要求。

串口程序測(cè)試成功后為測(cè)試程序提供準(zhǔn)確的顯示內(nèi)容。顯示程序和中斷程序編譯成功后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，以驗(yàn)證其功能的可行性。

3.3 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

經(jīng)過(guò)硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，排除了硬件的連接問(wèn)題并驗(yàn)證了串口功能的可實(shí)現(xiàn)性，其余功能可在此基礎(chǔ)上調(diào)試驗(yàn)證。為了能夠完成聯(lián)合調(diào)試，在家居模型上進(jìn)行智能家居系統(tǒng)環(huán)境模擬測(cè)試，檢測(cè)各功能傳感器讀取數(shù)據(jù)及反饋能力，然后進(jìn)行遠(yuǎn)程云服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程控制是否能夠正常運(yùn)行。最后通過(guò)多狀態(tài)并行來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，隨著新興信息技術(shù)的發(fā)展，智能家居等高技術(shù)和新知識(shí)已經(jīng)影響到了人類生活和學(xué)習(xí)的方方面面，改變著人類的生活習(xí)慣和思考方式，使家庭生活變得更加現(xiàn)代化，衣食住行變得更加舒適，居住環(huán)境變得更加安全。我們只有不斷學(xué)習(xí)和進(jìn)步才能跟得上時(shí)代的步伐，才能用我們學(xué)過(guò)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)更好地解決現(xiàn)實(shí)生活中存在的問(wèn)題，提高我們的生活質(zhì)量。

注：本文通訊作者為商春雪。

參 考 文 獻(xiàn)

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