模塊式智能家居系統構建

沈陽工業大學信息科學與工程學院 劉 帥 王向東 劉芮辰

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模塊式智能家居系統構建

沈陽工業大學信息科學與工程學院 劉 帥 王向東 劉芮辰

【摘要】智能家居系統以其人性化的設計越來越被人們所接受，然而其高昂的價格成為推廣的最大阻礙。對比高成本的智能家居系統以及無法完全滿足人們需求的低端產品，文章基于嵌入式技術設計了功能可以模塊化組合的降低成本智能家居系統。

【關鍵詞】智能家居；嵌入式；模塊化

0　引言

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、通信技術及自動控制技術等有關技術實現家居設施的互聯，構建智能的住宅設施管理系統，從而實現安全舒適且環保節能的居住環境［1］。智能家居以人為本的設計理念讓使用者體會到了科技帶來的生活改變，得到了人們極大的推崇，有著廣泛的市場前景。然而作為新興的市場產品，智能家居系統高昂的價格讓很多人望而卻步，成為其全面走向市場的阻礙［2］。本文以STM32F103ZET6為主控制器設計了模塊式低成本智能家居系統，系統擁有室內溫濕度檢測功能、窗簾控制功能和室內安全檢測功能的，同時擁有APP端主動控制、系統自動控制以及本地語音控制方式。

1　系統概況

系統各個功能模塊之間以路由器為核心，采用Wi-Fi方式組網，以星型結構進行鏈接。系統包含語音控制模塊、窗簾控制模塊以及室內安全檢測功能模塊，其中室內安全檢測功能包括漏水檢測、煙霧燃氣檢測和移動物體檢測。各功能模塊構成系統的感知層［3］，系統工作時，感知層設備利用USR-WIFI232-S模塊連接到網絡，將采集到的信息發送至服務器，用戶端設備訪問服務器獲取該信息，可在APP界面顯示。手持設備通過APP可將指令發送至服務器，經路由器傳至功能模塊，執行相應的指令動作。

2　硬件解決方案

2.1Wi-Fi網絡構建

功能模塊基于USR-WIFI232-S構建了Wi-Fi網絡。在USR-WIFI232-S集成模塊中可利用處理器的串口進行數據傳輸，同時，擁有基頻芯片、支持射頻收發和MAC協議具備功率放大能力。該集成模塊支持IEEE802.11b/ g/n無線局域網以及TCP/IP傳輸控制協議，支持用戶的個性需求配置。在系統的功能拓展目模塊使用USR-WIFI232-S 模塊一方面便利的實現感應層設備組網，另一方面實現了感應層設備與服務器通信。這種網絡連接方式為實現系統模塊功能的增、減提供了技術便利。

2.2可重組功能模塊

部分功能模塊可插拔化的設計理念既能大程度的壓縮產品成本，又能夠提高系統功能實現的靈活性。在系統中擴展的功能模塊設計成獨立的插拔形式，通過USB接口可實現與擁有無線組網能力的功能模塊的快速鏈接與分離。USB接口中包含電源線和數據線，用以實現模塊的供電和數據傳輸，對于數據傳輸的實現，系統中采用IIC總線協議。同時，對于所有的功能模塊都擁有編碼，當其掛載到總線時，系統識別編碼，避免出現混亂情況。在IIC總線掛載的設備中設有存儲器，本套智能家居系統中使用16KB非易失性鐵電隨機存儲器［4］即可滿足需求，將功能模塊采集到的家居信息保存到存儲器中，可優化系統中各功能模塊的運作。

2.3模塊功能原理

2.3.1語音控制功能

系統中基于LD3320芯片實現語音控制功能［5］，LD3320芯片擁有模擬量和數字量轉化功能，不需要額外添加Flash 和 RAM芯片，指令發出者不需要進行特定的語音。其工作過程是：當用戶發出語音指令后，LD3320芯片對語音指令進行頻譜轉換提取指令特征，之后將其特征與設定的指令列表進行識別比對，將匹配最佳的做為識別結果。

2.3.2窗簾控制功能

系統中對于窗簾可以進行手動控制、自動控制和語音控制。手動控制是用戶通過APP控制窗簾狀態；自動控制方式是系統根據功能模塊采集的家居信息以及存儲器中保存的信息，自主決定窗簾狀態，并執行相應的動作；語音控制方式使得操作上具有極好的便利性，只通過語音指令就能完成對窗簾狀態控制，比如語音指令“小智，關窗簾”，其中“小智”是系統預先設置的指令，可以激活系統。此外，窗簾控制模塊中含有光敏電阻原件，用以收集外界信息，同時，將以獨立模塊形式設計的溫濕度測量功能模塊通過USB接口連接到窗簾控制模塊上，用以收集溫濕度信息，豐富窗簾自動控制模式依據。窗簾控制模塊結構如圖1所示。

圖1　窗簾控制模塊結構圖

2.3.3安全監測功能

系統安全檢測功能包含漏水檢測、非法入侵監測和煙霧燃氣檢測。對于漏水檢測功能，系統中主要利用NE555芯片進行實現，其電路設計圖如2所示。當發生漏水時U6中的1、2兩端被導通，NE555芯片的3引腳輸出電平將發生變化。因此，處理器檢測NE555的3引腳的電平信號就可分辨出是否出現漏水情況。

圖2　NE555外圍電路

在系統中利用MQ系列傳感器進行煙霧、燃氣的檢測，該系列的傳感器工作時需要外加加熱電壓 和測量電壓 。 加熱傳感器工作部件溫度，用以維持工作環境； 用來測量負載電阻 兩端的電壓 。在系統設計過程中，電源能夠滿足 和 的工作需求，因此可以采用同一個供電電路。該傳感器是依據其在不同空氣濃度下導電率不同而實現煙霧檢測功能，其工作原理如圖3所示。

圖3　MQ系列傳感器工作原理圖

系統中為了實現移動物體檢測功能，利用多普勒原理［6］，設計了人體紅外感應開關。該紅外檢測開關能夠實現非接觸探測，并且對工作環境要求較低，抗干擾能力強。此外，該紅外檢測開關的輸出功率小不對人體構成危害。當系統監測模塊工作后，一旦室內發生非法入侵情況，在終端的APP中啟顯示“不安全”，同時語音報警，在終端的APP中可以手動關閉警報。

2.3.4溫濕度檢測

對于室內溫度和濕度的測量，系統中使用了DHT11數字溫濕度傳感器。DHT11數字溫濕度傳感器其輸出是已校準的數字信號，對溫度和濕度的分辨率分別為1℃和1%RH，測量精度為 ℃和 RH。在系統的實現中將此功能模塊制作成通過USB口插拔的獨立模塊，加大程度的壓縮了產品成本，并且提高了系統模塊實現的靈活性。模塊采集到的室內溫濕度數據通過IIC總線發送到具備無線網絡連接能力的模塊控制器中，之后通過服務器傳輸到終端設備，在APP中顯示當前測量值。同時，最新的數據將存儲到FM24C16芯片中，當系統的功能模塊處于自動控制模式時，可讀取FM24C16芯片中的所有數據，作為動作執行的依據。

圖4　APP程序流程圖

3　軟件解決方案

3.1IIC總線

IIC總線是由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，是各種總線中使用信號線最少，并具有自動尋址、多主機時鐘同步和仲裁等功能。IIC總線只利用一條數據線（SDA）和一條時鐘線（SCL）即可完成數據傳輸和其他功能模塊的掛載，為了避免總線信號的混亂，要求各設備連接到總線的輸出端時必須是漏極開路輸出或集電極開路輸出。設備上的數據線接口電路應該是雙向的，輸出電路用于向總線上發送數據，輸入電路用于接收總線上的數據。同時，時鐘線也必須是雙向的，一方面要通過時鐘線輸出時鐘信號，另一方面還要檢測總線上的時鐘電平?？偩€空閑時，上拉電阻使數據線和時鐘線都保持高電平。在系統中，將數據存儲芯片以及通過USB接口插拔的功能模塊掛載到IIC總線上，實現各個功能模塊在所有的工作模式下協調工作。

3.2APP編寫

智能家居系統的實現必須要有相應的應用程序，系統中基于安卓操作系統，使用Java語言編寫APP程序，Java語言作為面向對象的優秀編程語言既涵蓋了C++語言的所有長處，又在編程過程中舍棄了C++語言中難懂的概念。故而，強大完備的功能以及簡單實用的操作是Java語言兩大顯著特征［7］。Java語言可使程序員以優雅的思維方式解決復雜的編程問題，可稱為面向對象編程語言的典范。程序流程圖如圖4所示。

4　總結

本文以模塊式的理念設計了一套低成本、功能增減靈活的智能家居系統。部分功能設計成獨立模塊形式，一方面降低了產品成本，另一方面也使得系統功能可按需組合。擁有APP端控制、語音控制、自動控制多種控制方式使得系統的操作更加人性化。與目前市場上的其它智能家居相比在價格方面和靈活上具有顯著優勢，因此，本文設計的智能家居系統擁有大范圍推廣的潛力，為智能家居系統的廣泛應用提供一種可行的設計方案。

參考文獻

［1］馬振，宋雅慶，王珂，陳超.低成本智能家居系統設計［J］.自動化儀表，2015，3（3）：49-52.

［2］朱敏玲，李寧.智能家居發展現狀及未來淺析［J］.電視技術，2005（4）：82-86.

［3］申斌，張桂清，汪明，李成棟.基于物聯網的智能家居設計與實現［J］.自動化儀表，2013（2）：6-10.

［4］周保國.16kbit非易失性鐵電存儲器芯片FM25C160原理及其應用［J］.電子產品世界，2003（8）：76-78.

［5］禹琳琳.語音識別技術及應用綜述［J］.現代電子技術，2013，36（3）：43-45.

［6］劉馨寧，黃宇，孫協昌，李勐.非勻速運動環境對超聲波相位測距影響研究［J］.電子設計工程，2016，24（3）：192-132.

［7］谷慶華，李成貴.基于Java語言實現數據庫的訪問［J］.計算機技術與發展，2008，18（2）：13-16.