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【摘要】 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于云平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32作為下位機(jī)的控制核心，通過傳感器搜集家庭環(huán)境信息并上傳之云服務(wù)
器，手機(jī)APP端通過云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)各用電器的狀態(tài)監(jiān)控。該系統(tǒng)通過云平臺(tái)對(duì)家居環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能化，提高人們?nèi)粘＜揖由畹纳钯|(zhì)量。
0 引言
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)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，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)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。該智能家居系統(tǒng)分為移動(dòng)控制終端模塊和硬件模塊。軟件模塊作為移動(dòng)控制端，系統(tǒng)選擇android操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋、以及遠(yuǎn)程操控等功能。系統(tǒng)的硬件模塊采用了STM32F103C8T6主控芯片、esp8266WI-FI模塊和功能外設(shè)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制等功能。云端選取的是機(jī)智云。
1 智能家居系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)
整體設(shè)計(jì)以機(jī)智云為中心。移動(dòng)控制端可以透過機(jī)智云與下位機(jī)進(jìn)行雙向通信。移動(dòng)控制端通過云端對(duì)下位機(jī)所有設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并對(duì)部分用電器進(jìn)行控制。下位機(jī)以STM32F103C8T6為核心對(duì)所有用電器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取與控制，并將數(shù)據(jù)整合后通過ESP8266WI-FI模組與云進(jìn)行雙向通信，云服務(wù)器在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中充當(dāng)著一個(gè)中繼器的角色。下位機(jī)共包括個(gè)7部分，分別為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、溫濕度感應(yīng)器模塊、紅外傳感器模塊、煙霧感應(yīng)器模塊和WIFI模塊。LED燈驅(qū)動(dòng)模塊用于模擬現(xiàn)實(shí)中可調(diào)亮度LED燈。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于控制窗簾的開關(guān)，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及工作時(shí)間實(shí)現(xiàn)窗簾的開關(guān)。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于控制門的開關(guān)，當(dāng)接收到MCU命令時(shí)，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)90°從而實(shí)現(xiàn)門的自動(dòng)開關(guān)。溫濕度數(shù)據(jù)通過溫濕度傳感器進(jìn)行收集。紅外傳感器模塊用于防盜系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到警報(bào)信號(hào)時(shí)，發(fā)出警報(bào)并向云上報(bào)警報(bào)信息。煙霧感應(yīng)器模塊用于對(duì)廚房氣體的監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，及時(shí)進(jìn)行警報(bào)和向云端發(fā)送警報(bào)信息。WIFI模組用于STM32F103C8T6主控芯片與云之間通訊。
2 移動(dòng)終端設(shè)計(jì)
移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)要取決于數(shù)據(jù)類型和指令的執(zhí)行方式。在對(duì)需求分析之后，移動(dòng)端采用當(dāng)前廣泛流行的開放的Android系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)控制終端的設(shè)計(jì)，配合機(jī)智云的開放數(shù)據(jù)庫(kù)，使該終端具有良好的擴(kuò)展性。然后設(shè)計(jì)出各個(gè)功能的模塊的界面，包括圖標(biāo)、電燈的開關(guān)功能、反饋的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示方式、以房間為單位對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行分組控制以及煙霧和紅外的報(bào)警功能。主要工作流程：應(yīng)用程序啟動(dòng)后，后臺(tái)服務(wù)啟動(dòng)，與機(jī)智云取得連接，輸入用戶名密碼登錄進(jìn)入主界面，主界面后以房間為單位選取需要操作的設(shè)備，云會(huì)定時(shí)發(fā)送當(dāng)前設(shè)備信息到移動(dòng)控制端，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)計(jì)界面圖如圖1所示。
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3 硬件模塊結(jié)構(gòu)及功能
硬件模塊的設(shè)計(jì)采用了STM32F103C8T6芯片為主控制芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備控制和設(shè)備狀態(tài)信息的獲取、通過與ESP8266WI-FI模塊通信實(shí)現(xiàn)與云端的數(shù)據(jù)傳輸。外設(shè)設(shè)備包括各類傳感器和家居應(yīng)用設(shè)備，其硬件模型圖如圖2所示。
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3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊
環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊主要依靠多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，主要包括有光電紅外開關(guān)、煙霧感應(yīng)器、溫度感應(yīng)器。系統(tǒng)通過對(duì)傳感器狀態(tài)信息的獲取，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)。煙霧感應(yīng)器可以對(duì)廚房氣體進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，煙霧報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各自向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，電流，電壓就會(huì)有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，煙霧感應(yīng)器向STM32發(fā)送警報(bào)信息，STM32接收到警報(bào)信息后進(jìn)行警報(bào)并向云端發(fā)送警報(bào)信息，從而防止火災(zāi)的發(fā)生。在對(duì)門控制中，可以對(duì)光電感應(yīng)器狀態(tài)信息的獲取實(shí)現(xiàn)門的自動(dòng)開關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到門內(nèi)用紅外信息時(shí)，STM32向舵機(jī)發(fā)送開門信息并將當(dāng)前門的狀態(tài)上報(bào)到云，從而實(shí)現(xiàn)門的自動(dòng)感應(yīng)。在陽(yáng)臺(tái)裝置的紅外感應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)防盜功能，當(dāng)獲取到異常信息時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置和上報(bào)警報(bào)信息。溫濕度感應(yīng)器采用的是DHT11溫濕度傳感器，STM32向溫濕度傳感器發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，將采集的溫度高8位數(shù)據(jù)和濕度高8位數(shù)據(jù)上傳到云，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的有效控制。
3.2 家居應(yīng)用設(shè)備
家居應(yīng)用設(shè)備包括：可調(diào)亮度LED燈、排氣扇、可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速風(fēng)扇、智能窗簾等。這些設(shè)備均與STM32F103C8T6芯片進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。通過STM32F103C8T6芯片向控制LED和風(fēng)扇的串口發(fā)送PWM信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。通過對(duì)控制電機(jī)電流的方向、大小的及工作時(shí)間的實(shí)現(xiàn)的控制，能夠準(zhǔn)確的移動(dòng)窗簾的位置，從而實(shí)現(xiàn)窗簾的智能化。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中也可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行設(shè)備的增減。
4 智能家居系統(tǒng)的測(cè)試分析
該智能家居系統(tǒng)通過一個(gè)智能家居模型進(jìn)行調(diào)試分析，通過對(duì)各個(gè)模塊的分別調(diào)試，使得設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確上傳到云，云下發(fā)的指令能準(zhǔn)確的控制各個(gè)對(duì)應(yīng)的模塊，各個(gè)模塊都能夠?qū)崿F(xiàn)自己對(duì)應(yīng)的功能。之后將所有的模塊進(jìn)行整合，整合后設(shè)備也能夠?qū)崿F(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的功能，基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的初衷。在軟件部分，通過應(yīng)用使用機(jī)智云開放的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行對(duì)界面、功能的設(shè)計(jì)。開發(fā)的軟件訪問系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)入機(jī)智云開發(fā)者中心進(jìn)行調(diào)試，通過調(diào)試虛擬設(shè)備與手機(jī)軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸，使之實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳輸。將云、手機(jī)軟件、硬件設(shè)備整合后，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)下發(fā)和上傳，從而實(shí)現(xiàn)了智能家居的遠(yuǎn)程控制。
5 總結(jié)
智能家居系統(tǒng)是近年來(lái)比較熱門的研究課題，對(duì)居民的生活方式也造成了很大的影響，越來(lái)越多的家庭采用智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)還存在不足之處，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)的安全性、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性等方面還是需要進(jìn)一步研究。
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