基于物聯網技術的智能家居系統模型設計

和鑫 田路 羅毅 商春雪 郭進軍

摘 要：隨著互聯網的發展，物聯網作為新一代信息技術逐漸融入并影響著人們的生活。作為物聯網的一部分，智能家居以其智能化、人性化以及安全可靠等優勢廣泛吸引著大眾的關注。研究采用云服務、傳感器、無線通信、電路設計等技術，基于安全、舒適、人性化的智能家居系統設計理念，通過單片機控制，設計了具有網絡遠程控制能力、傳感器環境參數讀取并完成智能控制功能以及近程OLED人機交互的人性化智能家居系統模型。該系統具有智能照明、光感窗簾、可燃氣體檢測、背景音樂、中央換新風、OLED紅外控制以及遠程手機APP控制等功能。研究設計的系統可用于現實生活中，同時，該系統模型的構建思路能為同領域的研究者提供一定的參考，還能在物聯網技術相關專業的教學方面獲取實效。

關鍵詞：物聯網;智能家居;傳感器應用;無線通信;光感窗簾;人機交互

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-05

0 引 言

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

它是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要產物。現階段，隨著物聯網技術在歐美等發達國家的迅速發展，我國政府對國內發展物聯網的方向目標給予了明確指示，未來將物聯網發展上升至國家戰略新興產業層面。作為物聯網的一部分，智能家居[2]（smart home，home automation）是以住宅為平臺，利用物聯網技術構建的高效住宅設施及管理系統，智能家居系統可根據住宅內的實際情況做出合理反應，同時，運行過程中無需用戶過多干預，可實現環保節能，提升居住環境的安全性、便利性、舒適性、藝術性。

為了能使傳統的家居產品變成智能化、人性化且具有家庭環境感知及信息交流等功能的智能家居。本研究通過對物聯網技術的研究，綜合互聯網、無線通信、物理電路、傳感器等技術，設計并構建了具有安全、舒適、個性化環境的智能家居系統。該系統具有智能照明、光感窗簾、可燃氣檢測、背景音樂、中央換新風、OLED紅外控制以及遠程手機APP控制等功能。智能家居系統的設計包括器件選型、硬件電路設計以及軟件設計。

（1）器件選取方面，本次智能家居系統的設計主要依托STC15F2K60S2系列單片機。為了達到研究效果，在設計過程中，器件的選擇還包括傳感器、通信模塊、解碼器、電源等硬件設備。

（2）硬件電路設計方面，本研究設計了基于AMS1117-3.3的電源轉化電路;基于VS1003B解碼芯片的解碼電路和基于TF卡電路的MP3電路;OLED驅動顯示電路等。

（3）軟件設計方面，本次設計主要通過單片機控制，設計了具有網絡遠程控制能力、傳感器環境參數讀取并完成智能控制功能以及近程OLED人機交互的人性化智能家居系統。

智能家居模型搭建包括整體房屋功能區的搭建、合理的布局傳感器位置及光感窗簾的機械結構設置。硬件制作和軟件編寫過后，得到實物模型。實物裝配完成后必須對其進行調試，檢查設計功能是否能夠成功實現。系統調試完成后本次智能家居系統設計的作品才算真正意義上的功能實現。

1 智能家居系統設計

1.1 器件選型

為了達到研究效果，選擇合理的器件是首要任務，本研究的器件選型見表1所列。

1.2 硬件電路設計

本研究的智能家居系統設計主要依托于STC15F2K60S2系列單片機，單片機電路如圖1所示。為達到研究目的，還設計了以下電路。

（1）基于AMS1117-3.3的電源轉化電路。因為本研究設計的智能家居系統供電為直流5 V和12 V，12 V電壓用于驅動窗簾、換新風電機，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電路設計中設計了基于VS1003B解碼芯片的解碼電路和TF卡電路。因為此次智能家居系統設計采用了單片機控制播放、TF（SD）卡存儲音樂文件、VS1003B解碼芯片解碼方式，單片機與TF卡的接口為SPI，音樂播放時單片機定時將音樂數據從TF卡內讀出，通過SPI接口傳輸到VS1003B芯片將數據轉換為模擬信號后由揚聲器發聲。

（3）OLED驅動顯示電路。因為OLED的數據接口為SPI接口，字庫芯片GT20L16S1Y接口也為SPI接口，且單片機引腳有限，因此在設計電路時將其MOSI與CLCK公用。

（4）紅外通信電路。本次設計采用已集成的紅外線發射器作為紅外通信設備。

（5）紅外物體檢測電路。

（6）電燈驅動電路。本設計使用的電燈模擬器件為LED燈[4-7]，由于單片機驅動電流較小無法直接驅動LED燈，因此設計了單片機輸出信號驅動三極管導通，從而點亮LED燈。

（7）使用DS1302計時芯片設計時鐘電路。

（8）運用擁有高性能無線SOC，內部具有32位高性能MCU的樂鑫ESP8266設計WiFi通信模塊電路。

（9）溫濕度、光照傳感器電路設計。本設計采用的溫濕度、光照傳感器均為I2C接口，地址不同，可以同時連接到同一I2C總線，分時讀取傳感器數據，大大節省了單片機的I/O資源。傳感器設計電路如圖2所示。

1.3 軟件設計

本研究的軟件設計包括OLED菜單顯示、I2C驅動程序設計、時鐘程序設計、窗簾功能設計、智能換新風與報警功能設計、MP3播放程序設計、鬧鐘功能設計、燈光控制設置、手機智能家居網絡通信設計共9部分。

（1）OLED菜單顯示。受數字電路中狀態機的啟發，OLED顯示將基于狀態機完成。

（2）I2C驅動程序設計。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，每個溫度傳感器有唯一的地址，溫度數據讀取包括如圖3所示的光照、溫度數據和圖4所示的溫濕度傳感器數據。

（3）時鐘程序設計。時鐘芯片與單片機通信具有嚴格的時序，時鐘芯片實現的接口有讀取時間Read_time和設置時間Set_tiem，手機通過APP與智能家居進行時間同步。

（4）窗簾功能設計。本模型窗簾具有環境感知功能，當外界光照發生變化時，MCU根據用戶預設的光照閾值自動拉開/關閉窗簾，除自動控制外，還可通過遙控或手機APP一鍵關閉/拉開窗簾。窗簾控制如圖5所示。

（5）智能換新風與報警功能設計。通過手機APP設定煙霧可燃氣體濃度值，當傳感器檢測到的數據超過閾值時啟動換新風功能，當濃度過大有危險時，自動向手機端發送警報信息，換新風功能也可通過遙控器和手機APP控制。

（6）MP3播放程序設計。本次智能家居系統設計采用了單片機控制播放、TF（SD）卡存儲音樂文件、VS1003B芯片解碼的方式實現，音樂播放時單片機定時將音樂數據從TF卡內讀出后通過SPI接口傳輸到VS1003B解碼，VS1003B芯片將數據轉換為模擬信號后由揚聲器發聲。設計的音樂播放可由遙控器或手機端APP控制。

（7）鬧鐘功能設計。本研究基于常規的鬧鐘功能設計理念，設計了能用手機APP控制播放音樂的鬧鈴。

（8）燈光控制設置。燈光的開關控制通過光照傳感器、紅外人體感應共同決定，當光線過暗時，如果紅外感應到房間內有人則打開燈，如果光線較強，則無論是否檢測到人都不會自動開燈。燈光還可由遙控器和手機APP控制。

（9）手機智能家居網絡通信設計。本研究的單片機通過串口與WiFi模塊ESP8266[8]實現數據交換，單片機發送命令接入家中無線路由從而接入互聯網。但手機和智能家居都屬于內網，無法簡單直接訪問，需要具有公網地址的服務器做數據轉接。因此租用了騰訊公司的云服務器，在云服務器上實現Socket數據接收轉發，手機端APP為Socket客戶端。

2 智能家居模型搭建

2.1 整體房屋功能區搭建

本次智能家居系統在手工房屋模型上實現。智能家居的基礎設計構思作為依據進行功能區搭建。除基礎模型搭建外，一些所用外設的界面也需要根據實際應用的需求進行設計。圖6所示為房屋模型，圖7所示為功能布區，圖8所示為功能構架分層。

2.2 傳感器位置

本次設計實現了智能照明、光感窗簾、可燃氣檢測、背景音樂、中央換新風、OLED紅外控制（數據參數查詢、網絡狀態查詢和基礎功能開關）以及遠程手機APP控制（紅外所有功能以及外延參數設計）等功能。為了使智能家居系統更加人性化并保證住戶的安全，合理布局傳感器尤為重要。傳感器應根據家庭環境的實際需求進行布局。本次智能家居的傳感器位置針對房屋功能區的用途和區域進行了細致劃分，以保證各功能區的空間及功能。傳感器位置如圖9所示。

3 系統調試及測試

硬件制作和軟件編寫后，得出本次智能家居系統模型實例。實物完成后必須對其進行調試，檢查設計功能是否實現。調試分為硬件調試、軟件調試和系統聯合調試。

3.1 系統硬件部分調試方法

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

由于顯示系統功能的測試需要軟件配合，所以在硬件調試部分只測試單片機復位電平，功能部分測試放在系統聯合調試部分完成。

3.2 軟件調試方法

軟件調試[9]是軟件編譯和將各功能塊程序分別寫入以驗證其功能的可實現性。在進行功能調試前須用KEIL對所有程序進行編譯，編譯成功產生可執行的.hex后方可進行功能測試。

測試串口程序的功能是否完善不但要連接單片機系統還要借助串口調試工具。串口調試工具[10]選用串口調試助手，按照設定的串口、波特率向單片機發送數據和接收單片機向PC機發送的數據，并把發送和接收的數據內容顯示在狀態欄內。因此只要設定PC機向單片機發送的內容和單片機向PC機發送的內容就可以通過串口調試助手驗證串口通信是否準確，是否滿足功能要求。

串口程序測試成功后為測試程序提供準確的顯示內容。顯示程序和中斷程序編譯成功后進行聯合調試，以驗證其功能的可行性。

3.3 系統聯合調試

經過硬件調試和軟件調試，排除了硬件的連接問題并驗證了串口功能的可實現性，其余功能可在此基礎上調試驗證。為了能夠完成聯合調試，在家居模型上進行智能家居系統環境模擬測試，檢測各功能傳感器讀取數據及反饋能力，然后進行遠程云服務數據傳輸測試，檢測網絡連接遠程控制是否能夠正常運行。最后通過多狀態并行來測試系統的穩定性和可操作性。

4 結 語

近年來，隨著新興信息技術的發展，智能家居等高技術和新知識已經影響到了人類生活和學習的方方面面，改變著人類的生活習慣和思考方式，使家庭生活變得更加現代化，衣食住行變得更加舒適，居住環境變得更加安全。我們只有不斷學習和進步才能跟得上時代的步伐，才能用我們學過的物聯網相關知識更好地解決現實生活中存在的問題，提高我們的生活質量。

注：本文通訊作者為商春雪。

參 考 文 獻

[1] KESKIN A F ，ARABUL A Y ，KUMRU C F ，et al. Providing energy management of a fuel cell-battery-wind turbine-solar panel hybrid off grid smart home system [J]. International journal of hydrogen energy，2017，42（43）：26906-26913.

[2]吳功宜，吳英.物聯網技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2015.

[3] STOJKOSKA B L R ，TRIVODALIEV K V . A review of Internet of Things for smart home：challenges and solutions [J]. Journal of cleaner production，2017，140：1454-1464.

[4] VANUS J ，NOVAK T ，KOZIOREK J，et al. The proposal model of energy savings of lighting systems in the smart home care [Z]. The proposal model of energy savings of lighting systems in the smart home care，2013.

[5]郭昱明，郭佳穎，侯瑞琦.基于物聯網的智能家居照明系統[J].電子世界，2014（16）：9-10.

[6]梁人杰.智能照明控制技術發展現狀與未來展望[J].照明工程學報，2014，25（2）：15-26.

[7]楊平，李少林，譚剛林.智能家居照明系統設計[A]// 高精度幾何量光電測量與校準技術研討會論文集，2008.

[8]閔麗娟，盧捍華，陳玲，等.智能家居的系統結構及相關無線通信技術研究[J].計算機技術與發展，2011，21（8）：169-172.

[9] SMIREK L，ZIMMERMANN G ，BEIGL M. Just a smart home or your smart home ？ a framework for personalized user interfaces based on eclipse smart home and universal remote console [J]. Procedia computer science，2016，98：107-116.

[10]田莉.物聯網在智能家居領域應用展望[J].通信與信息技術，2011（2）：74-77.