基于Android和WiFi的智能家居監控系統設計與實現

李昌奇　何志琴　周恒　王霄

摘? 要： 針對更具現代化的智能家居以及更好的用戶體驗需求，設計基于Android和WiFi的智能家居遠程監控系統。該系統將嵌入式控制技術、WiFi無線網絡以及Android技術相結合，通過傳感器對家居環境進行監測，并發送數據至云服務器，在Android人機交互界面顯示環境參數值以及報警信息，再以語音播報的形式提示用戶，用戶可通過Android客戶端來實現遠程控制。實驗結果表明，該系統可以實現家居環境監測及設備遠程控制，且功能強大，實時性好，穩定性強。

關鍵詞： 智能家居; 遠程監控; 系統設計; 家居環境監測; 無線傳輸; 語音識別

中圖分類號： TN92?34; TU855? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）20?0067?04

Design and implementation of smart home monitoring system based on Android and WiFi

LI Changqi， HE Zhiqin， ZHOU Heng， WANG Xiao

（School of Electrical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： In allusion to the demands of more modern smart home and better user experience， a smart home remote monitoring system based on Android and WiFi is designed. In this system， the embedded control technology， WiFi wireless network and Android technology are combined， the sensor is used to monitor the home environment and send the data to the cloud sever. The environment parameter values and alert information are displayed on the Android human?computer interaction interface. Its users can be prompted in the form of voice broadcast， and realize the remote control of smart home through the Android client. The experimental results show that the system can realize home environment monitoring and equipment remote control， and has powerful functions， excellent real?time performance and strong stability.

Keywords： smart home; remote monitoring; system design; home environment monitoring; wireless transmission; speech recognition

0? 引? 言

伴隨著科技時代的來臨，人們的生產生活越來越智能化，而傳統家居設計方法的弊端不斷顯現，因此對智能家居的設計有更高層次的要求[1]。

近年來，物聯網技術優勢特征鮮明，能夠有效滿足家居在智能控制方面的具體要求，在聯系實際基礎上圍繞現代化家居設計理念、要求、原則，通過多樣化路徑科學應用物聯網，促使設計的智能家居控制系統更加高效運轉，在實現多層次功能作用中同步提高設計與應用經濟效益。尤其是智能手機的普及與應用，通過語音的新型人機交互模式，為智能家居領域提供了新的設計思路[2]。

隨著更具現代化智能家居的出現，給人們的日常生活帶來極大的便利。因此，為了解決傳統家居所帶來的不便，研究出一種可以實時遠程控制的智能家居系統。

1? 系統總體設計方案

本系統以單片機控制為核心，實現對智能家居監測與控制的功能。

系統主要功能包括數據采集、無線通信、語音播報、遠程控制、人機交互等功能。能夠滿足用戶的生活需求，為用戶創造了更為舒適、便捷的生活體驗。該系統包含了三個關鍵部分，即系統硬件、系統服務器、Android客戶端APP，三部分之間通過TCP/IP協議通信。

系統總體設計如圖1所示。

2? 系統硬件設計

本設計以STM32F407ZGT6控制器為核心，WiFi?ESP8266無線模塊和云平臺服務器協作，進行信息反饋和遠程操作。一方面，將傳感器所采集環境數據上傳到物聯網云服務器，服務器接收數據之后，用戶利用Android客戶端對智能家居進行控制，同時支持室內局域網和室外遠程控制;另一方面，采集數據與數據閾值作比較，若出現異常，則語音識別/播報模塊就會發出相應的報警，用戶可以發出指令，處理相應的異常情況。系統硬件結構圖如圖2所示。

2.1? 微控制器

本系統采用意法半導體公司設計生產的STM32處理器作為單片機平臺，相比51單片機而言，STM32單片機具有更豐富的函數庫，更多的管腳資源，更強大的計算能力和多任務處理能力。它采用ARM構架，性能高、成本低、功耗低且體系結構超前[3]。

2.2? 傳感器模塊設計

傳感器模塊主要采集住宅環境的盆栽土壤濕度、蓄水池液位、溫濕度、光照強度以及煙霧濃度。監測盆栽土壤濕度選用FC?28，其具有雙輸出模式，且靈敏度可調，可以針對不同的濕度需求進行調節，得到更精確的土壤濕度;蓄水池液位選用水位傳感器，工作電壓為直流5 V，其工作原理是通過電路板上一系列裸露的印刷平行導線測量水量的大小，由水量決定輸出電壓，能完成水量到模擬信號的轉換，完成水位報警 [4];環境溫濕度監測選用DHT11，一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[5]，它采取專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的穩定性;光照度傳感器選用BH1750FVI，可以大范圍檢測周圍光照度的兩線式串行總線接口的光照傳感器[6]。傳感器體積小、可靠性高，能夠實時監控植物周圍環境的光照度變化;煙霧濃度選擇MQ?2，它具有靈敏度高，響應信號快，可在復雜環境下工作[7]。其原理是將被測氣體的物理量轉為模擬電壓信號，能夠實時檢測環境的煙霧濃度變化。

2.3? WiFi模塊設計

WiFi通信模塊選用ESP8266芯片，當混合模式通信時，采用ESP8266的AP+Station模式，可以在其他主機上作為從機運行，也可以進行獨立運行[8]。這款芯片使用3.3 V的直流電源，體積相對較小，性能穩定，功耗低，支持透傳，丟包現象不嚴重，而且價格便宜[9]。

2.4? 語音識別及播報模塊設計

LD3320是一款基于非特定人語音識別技術的語音識別芯片，它內部集成了高精度的A/D接口，無需外接輔助的FLASH和RAM，即可實現語音識別、聲控、人機對話功能，并且識別的關鍵詞語列表可動態編輯[10]，其原理圖如圖3所示。

語音播報模塊采用YS?M3，它是一款提供串口的MP3芯片，完美的集成了MP3，WMV的硬解碼，支持FAT16，FAT32文件系統。

3? 系統軟件設計

3.1? 主程序設計

智能家居監控系統主程序流程如圖4所示。首先進行STM32F407ZGT6單片機的外設初始化，然后初始化云平臺協議，判斷ESP8266WiFi模塊是否已接入云服務器，若已接入，進行數據采集和處理，并將數據處理后發送至OLED顯示屏顯示，同時系統將數據上傳云服務器，服務器將數據轉發給Android客戶端，Android客戶端接收狀態信息后更新數據并通過手機APP界面顯示。系統判斷Android客戶端是否有下發控制指令，有則執行相應命令，若無則按順序執行。

3.2? 網絡配置設計

智能家居監控系統網絡配置流程如圖5所示。系統上電后，ESP8266WiFi模塊首先檢測是否有WiFi信息，如果有WiFi信息則連接當前WiFi網絡，建立TCP/IP連接服務器，連接成功后設置進入業務工作子程序。反之ESP8266WiFi模塊未存儲WiFi信息，則需要按鍵進入Airlink模式，并通過Android客戶端將WiFi信息發送至ESP8266WiFi模塊，然后連接WiFi網絡，建立TCP/IP連接服務器，進入業務工作子程序。

3.3? 語音識別設計

智能家居監控系統語音識別流程如圖6所示，在語音模塊相應狀態初始化之后，通過狀態值的變化來進行語音識別，同時使用語音來控制家居系統。

對發出的任何語音指令，模塊都能準確識別，且根據指令能夠實時對智能家居進行控制，這就要求程序設計里有與之相關的中斷子程序。智能家居控制系統語音中斷子程序流程如圖7所示。

4? 系統運行

經過不斷調試，系統能夠良好運行。首先對各個模塊通電，對智能家居控制系統進行配置入網，連接云服務器。當網絡配置成功之后，可在人機交互界面上對所有家居設備或所需監控的家居參數進行配置，在家居設備配置成功及各模塊通電工作后，打開Android客戶端便可查看相關傳感器檢測的環境參數值，通過Android客戶端可實現對家居設備的控制。當傳感器檢測的環境參數值小于所設定的閾值時，Android客戶端應用程序會收到相關報警信息，智能家居系統Android客戶端如圖8所示。

5? 結? 語

為了滿足更具現代化的智能家居，讓用戶擁有更好的生活體驗，設計出基于Android和WiFi的智能家居監控系統。實驗結果表明，該系統能夠實時監測家居設備狀態，可在無網條件下近距離人機交互來控制系統，也可以遠程控制家居設備。系統能夠準確識別語音指令，符合人性化、智能化的發展趨勢，極大地滿足了人們的生活需求，為使用者創造出更為舒適、便捷的家居體驗。

注：本文通訊作者為何志琴。

參考文獻

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