基于手機(jī)APP控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘順明，洪遠(yuǎn)泉，黃俊鋒，陳思杰，周永明

基于手機(jī)APP控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘順明，洪遠(yuǎn)泉，黃俊鋒，陳思杰，周永明*

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

為了提升人們的生活質(zhì)量，開(kāi)發(fā)了一種基于手機(jī)APP可視化、移動(dòng)、遠(yuǎn)程家居智能控制系統(tǒng).系統(tǒng)由兩部分組成，一是以STM32F103ZET6為核心，由攝像頭、室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)傳感器、控制電機(jī)和GPS/WIFI模塊等模塊組成室內(nèi)控制電路，可以進(jìn)行本地監(jiān)測(cè)與控制；另一是以手機(jī)作為可視屏，以手機(jī)APP作為移動(dòng)、遠(yuǎn)程控制終端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可視化監(jiān)測(cè)居室內(nèi)的情況及環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行在線(xiàn)控制，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以期能給人們的生活帶來(lái)更多的便利.

智能家居；環(huán)境參數(shù)；手機(jī)APP；遠(yuǎn)程可視控制；語(yǔ)音播報(bào)

隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，可視化、移動(dòng)、遠(yuǎn)程家居的室內(nèi)防盜與監(jiān)測(cè)、家居室內(nèi)生活環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)與控制（包括煤氣泄漏、空氣質(zhì)量、溫度濕度等）、窗戶(hù)與窗簾狀態(tài)檢測(cè)與控制等越來(lái)越受到人們的關(guān)注.傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)，只是簡(jiǎn)單地對(duì)室內(nèi)生活環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)家電進(jìn)行控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、可視化的功能［1-3］.筆者提出了可視化、移動(dòng)、遠(yuǎn)程控制的家居安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的方案，并設(shè)計(jì)了一款利用現(xiàn)代電子智能控制技術(shù)，結(jié)合無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及手機(jī)APP的智能家居系統(tǒng).通過(guò)手機(jī)就可以監(jiān)測(cè)室內(nèi)狀況，室內(nèi)生活生存環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)窗戶(hù)與窗簾進(jìn)行方便開(kāi)閉控制，可極大地增強(qiáng)人們?cè)谕夤ぷ髋c學(xué)習(xí)的安全感，提升生活與生存質(zhì)量.經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可較好地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、可視和遠(yuǎn)程相關(guān)設(shè)置與控制功能.

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心，采用UCOSIII操作系統(tǒng)編程，結(jié)合傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫濕度、空氣質(zhì)量指數(shù)、一氧化碳濃度、室內(nèi)安全狀況等參數(shù)，運(yùn)用SIM900aGSM/GPRS無(wú)線(xiàn)模塊、ESP8266WIFI模塊及物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，可遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)到戶(hù)主手機(jī)APP（見(jiàn)圖1）；一旦室內(nèi)出現(xiàn)意外情況，如小偷進(jìn)屋、煤氣泄漏、漏水等，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通知出門(mén)在外的戶(hù)主；戶(hù)主還可通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制室內(nèi)家用電器的工作狀況，了解室內(nèi)的安全狀況.

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2模塊功能介紹與設(shè)計(jì)

2.1遠(yuǎn)程與本地相結(jié)合的防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的家居防盜系統(tǒng)，大多是室內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，突發(fā)情況時(shí)會(huì)有室內(nèi)報(bào)警［4-5］.本設(shè)計(jì)的防盜功能對(duì)傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)有空閑和布防兩種模式，用熱釋電模塊檢測(cè)是否有人進(jìn)入監(jiān)控范圍，結(jié)合紅外線(xiàn)檢測(cè)門(mén)鎖狀況，增加了人聲模擬，攝像頭拍照并遠(yuǎn)程傳送相片的功能.空閑模式下，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉防盜功能；當(dāng)處于布防模式下，一旦可疑人物進(jìn)入監(jiān)控范圍，并在監(jiān)控范圍內(nèi)逗留一定時(shí)間同時(shí)出現(xiàn)門(mén)鎖損壞的現(xiàn)象，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行拍照并用語(yǔ)音模塊模擬室內(nèi)有人在家的場(chǎng)景，抓住小偷心虛的弱點(diǎn)，讓小偷聞風(fēng)喪膽.并且自動(dòng)拍照將相片轉(zhuǎn)發(fā)到戶(hù)主手機(jī)APP，提醒防盜，極大的增強(qiáng)了戶(hù)主在外的安全感.

2.2室內(nèi)PM2.5檢測(cè)

室內(nèi)PM2.5微小顆粒檢測(cè)，采用GP2YAU1010OF傳感器.該傳感器有兩個(gè)對(duì)射的二極管，通電待傳感器工作穩(wěn)定后，對(duì)射管檢測(cè)到有微粒進(jìn)入時(shí)，電壓比較器采集對(duì)射二極管兩端的電壓變化，經(jīng)過(guò)放大電路采集電壓的變化值（見(jiàn)圖2）.LED驅(qū)動(dòng)周期T=10 ms，LED驅(qū)動(dòng)時(shí)間Pw=0.32 ms，取樣時(shí)間：0.28 ms，軟件編程讀取Vo引腳的輸出電平，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，測(cè)出室內(nèi)PM2.5濃度大小.

圖2PM2.5檢測(cè)電路圖

圖3一氧化碳基本測(cè)試電路

2.3室內(nèi)一氧化碳檢測(cè)

MQ-7氣敏傳感器，用于檢測(cè)室內(nèi)一氧化碳的濃度，圖3為MQ-7傳感器基本測(cè)量電路.該傳感器需要施加兩個(gè)電壓，加熱電壓（VH）和測(cè)試電壓（VC）.其中，VH為傳感器提供特定的工作溫度；VC用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）.輸出電壓隨室內(nèi)一氧化碳濃度增加而加大.這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源，在滿(mǎn)足傳感器電性能的前提下，VC和VH可以共用一個(gè)電源電路要到達(dá)更好的傳感器性能，需要選擇合適的RL值.

2.4家居系統(tǒng)可視化、移動(dòng)、遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

以往智能家居的大多無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、移動(dòng)、可視化控制功能［6-7］.系統(tǒng)利用下位機(jī)接口SIM900AGSM/GPRS模塊，通過(guò)串口與主控部分相連，能很好地實(shí)現(xiàn)了這一功能特點(diǎn).戶(hù)主手機(jī)下載APP終端，打開(kāi)APP可隨時(shí)了解家居電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)（如煤氣泄漏、溫濕度、PM2.5濃度等）.同時(shí)，通過(guò)點(diǎn)擊APP上相應(yīng)的按鈕，無(wú)線(xiàn)傳輸相關(guān)指令，觸發(fā)相應(yīng)的繼電器，可實(shí)現(xiàn)控制家用電器工作的功能.

2.5其他功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)還可對(duì)家居中常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)處理.例如檢測(cè)到水閥、氣閥異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警，提醒室內(nèi)人員，并在第一時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉水閥、氣閥；溫濕度傳感器檢測(cè)室內(nèi)溫、濕度，并進(jìn)行比較，可自動(dòng)加濕去濕，以達(dá)到智能加濕除濕的效果；亮度模塊BH1750檢測(cè)室內(nèi)亮度，控制窗簾自動(dòng)開(kāi)合，為室內(nèi)提供適宜的亮度環(huán)境；雨滴傳感器檢測(cè)雨水，當(dāng)檢測(cè)到下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)窗，以免雨水弄濕室內(nèi)的家居，物品等.

2.6APP主界面設(shè)計(jì)

安卓APP軟件使用AndroidStudio開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主界面見(jiàn)圖4，主要功能：實(shí)時(shí)環(huán)境及參數(shù)監(jiān)控、緊急事件監(jiān)控、家庭電器遠(yuǎn)程控制、環(huán)境數(shù)據(jù)詳細(xì)介紹等［8］.

（1）APP主界面顯示了室內(nèi)傳感器測(cè)量的相關(guān)參數(shù)、并用軟件進(jìn)行上下限設(shè)置，有相應(yīng)的等級(jí)判別；（2）APP可以顯示室內(nèi)的環(huán)境情況，如是否發(fā)生火災(zāi)；門(mén)鎖開(kāi)關(guān)的狀況；廚房煤氣的是否泄漏；還有預(yù)留端口，以便系統(tǒng)的后續(xù)升級(jí)；（3）APP可獲取客廳圖像，進(jìn)行相關(guān)遠(yuǎn)程家電控制，了解家居安全狀況，了解家居健康知識(shí)等，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕實(shí)現(xiàn)想要的功能.

2.7系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

（1）APP程序開(kāi)發(fā)流程有幾個(gè)步驟（見(jiàn)圖5）：①首先評(píng)估硬件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能，對(duì)APP進(jìn)行功能模塊化設(shè)計(jì)規(guī)劃；②進(jìn)行用戶(hù)界面（UI）的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；③使用HTTP協(xié)議與OneNet服務(wù)器建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送及接收測(cè)試；④匯總并編寫(xiě)所有APP所需功能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送及接收、其他功能等代碼；⑤對(duì)APP開(kāi)發(fā)工程的所有項(xiàng)目（包括UI界面元素，功能代碼等）進(jìn)行封裝，生成可安裝程序包（APK文件）；⑥調(diào)試APP，修復(fù)BUG或APP界面，功能改進(jìn)，發(fā)布可正常安裝使用的APK程序包；⑦調(diào)試成功，結(jié)合下位機(jī)進(jìn)行測(cè)試、使用.

（2）家居防盜系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程：系統(tǒng)及攝像頭功能初始化，當(dāng)選擇進(jìn)入布防狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)啟防盜功能.紅外人體感應(yīng)傳感器檢測(cè)是否有可疑目標(biāo)進(jìn)入設(shè)定范圍，當(dāng)條件成立時(shí)，被認(rèn)定為盜竊事件成立，語(yǔ)音模塊模擬有人在家的場(chǎng)景，自動(dòng)進(jìn)入拍照模式拍照.圖像經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳到戶(hù)主手機(jī)（見(jiàn)圖6）；室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程，空氣質(zhì)量模塊檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，檢測(cè)輸出端的輸出電平判斷質(zhì)量等級(jí)，如為設(shè)定的污染級(jí)別，就會(huì)觸發(fā)繼電器工作開(kāi)啟負(fù)離子空氣清新劑，以達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的效果（見(jiàn)圖7）.

圖4系統(tǒng)APP主界面

圖5 APP開(kāi)發(fā)流程

3結(jié)語(yǔ)

圖6防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7空氣質(zhì)量檢測(cè)

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，高科技智能家居產(chǎn)品逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的家居電器，而我國(guó)的智能家居相對(duì)國(guó)外起步較晚，研發(fā)集可視化、遠(yuǎn)程、可移動(dòng)控制和本地控制為一體的智能家居控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義.本設(shè)計(jì)較好的順應(yīng)了這一趨勢(shì)，能最大限度的監(jiān)測(cè)與協(xié)助人們控制生存與生活環(huán)境，解決后顧之憂(yōu).與傳統(tǒng)家居相比，本系統(tǒng)多處體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)，大大增加了戶(hù)主在外的安全感，具有一定的實(shí)用性及市場(chǎng)價(jià)值.

［1］曾松偉，章云，邱偉強(qiáng).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（9）：168-171.

［2］潘朝，羅小巧，黃佳，等.基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（6）：121-124.

［3］崔斌，韓峻峰，梁晉昌，等.基于嵌入式系統(tǒng)的智能門(mén)窗設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（22）：78-80.

［4］曾劍，王玲.基于藍(lán)牙的智能家居中視頻防盜監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007（11）：91-92，96.

［5］周結(jié)華，彭俠夫.基于公共電話(huà)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家居的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（4）：56-58.

［6］鄭娟，王建華.基于ARM的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（5）：183-186.

［7］邵鵬飛，王喆，張寶儒.面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（2）：474-476，479.

［8］周時(shí)偉，謝維波.基于Android的智能家居終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用.2012，31（14）：10-13.

On the Design of the Smart Home System Based on Mobile Phone APP Controller

ZHONG Shun-ming,HONG Yuan-quan,HUANG Jun-feng,CHEN Si-jie,ZHOU Yong-ming*
（Department of Electronic Engineering,Shaoguan University,Shaoguan 512005,Guangdong,China）

In order to enhance people's quality of life,it developed an intelligent control system based on mobile phone APP visualization,movement and remote home.The system consists of two parts.One is the STM32F103ZET6 as the core,and the surrounding interface has a camera,an indoor environment detection sensor,a control motor and an interface module such as GPS/WIFI module,composed of indoor control circuit,which can be local monitoring and control.The other is with the mobile phone as a visual screen and with a mobile phone APP as a mobile,remote control terminal.Through the network visualization,it can monitor the indoor situation,detect the indoor environmental parameters,for instance,carbon monoxide concentration,indoor PM2.5,temperature and humidity, and take online control.The design and implementation of the system will bring more convenience to people's life, and have certain practical significance and market value.

smart home；environmental parameters；mobile phone APP；remote visual control；voice broadcast

TP277

A%%%

1007-5348（2017）03-0039-04

（責(zé)任編輯：歐愷）

2017-02-02

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015A030310510)；韶關(guān)市科技項(xiàng)目(2013CX/K55)；廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610576-15).

鐘順明（1995-），男，廣東梅州人，韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生；研究方向：智能控制電路設(shè)計(jì)應(yīng)用.*通訊作者.