基于普適計算的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李兆陽,邱昱清,苗 凱

(咸陽師范學(xué)院 計算機學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

0 引言

近年來,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步,人民的生活水平不斷提高,對生活的需求有了更高的要求,極大地促進了智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 目前,現(xiàn)有的智能家居通常使用藍牙技術(shù)、WiFi、ZigBee 等技術(shù),實現(xiàn)智能家居管理,但對用戶在時間和空間等方面具有一定的局限性。

普適計算的核心思想是小型、便宜、網(wǎng)絡(luò)化的處理設(shè)備廣泛分布在日常生活的各個場所,計算設(shè)備將不只依賴命令行、圖形界面進行人機交互,而更依賴“自然”的交互方式[1]。 以普適計算為核心的新型智能家居,將構(gòu)建更加高效的住宅設(shè)施與家庭日常事務(wù)管理,提升家居系統(tǒng)的安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性,并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。 因此,以普適計算為核心思想的智能家居系統(tǒng)將有效提高人們的家居質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計,通過硬件和軟件的結(jié)合,充分利用嵌入式處理器、儲存器、通信模塊和傳感器結(jié)合,加上普適計算思想,使用戶擁有全新的體驗。

采用功能模塊設(shè)計分層的思想,使系統(tǒng)具有較好的擴展性,即當(dāng)硬件發(fā)生變化時,不需要重新修改設(shè)計,僅需要添加或刪除相應(yīng)部分即可在系統(tǒng)中使用[2]。首先,將一個應(yīng)用進行功能模塊劃分,將整體結(jié)構(gòu)劃分為:硬件驅(qū)動層、功能模塊層、應(yīng)用層,具體如圖1 所示。 硬件驅(qū)動層提供公共接口供上層調(diào)用;各個功能模塊可以獨立編譯或調(diào)用驅(qū)動層接口,封裝出各個功能獨立的可復(fù)用的功能模塊[3]。 其次,設(shè)計出功能獨立的各個模塊(如門禁、客廳、臥室、安保4 個模塊),在模塊之上開放公共接口,具體如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

(1)門禁模塊可以采用人臉識別或語音識別進入系統(tǒng)。 ①門鎖采用人臉面部識別系統(tǒng)。 進門之后地下壓力傳感器,感應(yīng)到超過25 kg 的重量,整個智能家居系統(tǒng)會完全打開,攝像頭開始錄像。 ②語音輸入密碼。5 次密碼輸入錯誤后,蜂鳴器會直接報警。

(2)客廳模塊能夠根據(jù)密碼、語音識別或攝像頭控制客廳燈、窗簾等。 ①輸入密碼正確后,系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)亮度選擇是否打開客廳燈。 ②借助語音輸入打開或關(guān)閉電視、空調(diào)、窗簾、客廳燈。 ③當(dāng)攝像頭檢測不到人體15 min 后客廳燈光會自動關(guān)閉。

(3)臥室模塊。 當(dāng)攝像頭檢測到人體進入臥室后,臥室主燈會自動打開;當(dāng)人體躺上床時,系統(tǒng)會將臥室主燈關(guān)閉,打開床頭燈。

(4)安保模塊。 系統(tǒng)在每天晚上12 點刷新前一天數(shù)據(jù);用戶也可以直接使用語音選擇關(guān)閉任何模塊,從而保護用戶隱私。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的底層硬件邏輯結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)境光感傳感器BH1705、壓力傳感器BMP085、溫濕度傳感器DTH11、煙霧傳感器MQ-2 和攝像頭、LD3320 語音交互傳感器組成,進行溫度、濕度、壓力、煙霧等數(shù)據(jù)信息的采集,如圖3 所示。 本系統(tǒng)利用WiFi 模塊將數(shù)據(jù)傳給單片機,實現(xiàn)相應(yīng)的功能及控制。 電源模塊為智能家居控制系統(tǒng)的各個模塊提供所需電壓。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件模塊主要包括傳感器模塊、語音識別模塊、WiFi 模塊等,如圖4 所示。 本系統(tǒng)軟件模塊主要將各種傳感器收集到的信息進行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)對相應(yīng)部件的控制。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵問題

本系統(tǒng)實現(xiàn)過程中需要解決的關(guān)鍵問題包括:光感傳感器信息采集問題、溫濕度傳感器DTH11 信息采集問題及多個傳感器之間的通信問題。

4.1 光感傳感器信息采集問題

本系統(tǒng)采用BH1705 光照傳感器進行信息采集。BH1750 是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路。 BH1750 的內(nèi)部由光敏二極管、運算放大器、ADC 采集、晶振等組成。 PD 二極管通過光生伏特效應(yīng)將輸入光信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)運算放大電路放大后,由ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換采集電壓,再通過邏輯電路轉(zhuǎn)換成16 位二進制數(shù)存儲在內(nèi)部的寄存器中。進入光越強,光電流越大,電壓就越大,所以通過電壓的大小就可以判斷光照大小[4],具體原理如圖5 所示。

圖5 BH1750 原理

4.2 溫濕度傳感器DTH11 信息采集問題

DHT11 是一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。 該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC 測溫元件,并與一個高性能8 位單片機相連接。 單片機簡單的電路連接能夠?qū)崟r采集本地濕度和溫度[5]。 DHT11 與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信,僅需要一個I/O 口。 DHT11 有效總線包含3 條,VCC,GND,DAT,看起來與DS18B20 類似,但簡單很多,不需要設(shè)置命令,只需要讀取數(shù)據(jù)包即可。 DHT11 每次讀取數(shù)據(jù)一共讀取40 個bit 也就是5 個字節(jié),高位在前MSB5 個字節(jié)分別是:8 bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)及8 bit 校驗和,仿真電路如圖6 所示。

圖6 溫濕度模塊仿真電路

4.3 多個傳感器之間的通信

由于本系統(tǒng)用到的傳感器較多,傳感器和單片機之間的數(shù)據(jù)通信方式,成為主要考慮的問題之一。 通信方式分為有線通信和無線通信兩種。 由于無線通信方式中的WiFi 通信方式在室外無障礙物的傳輸范圍為可達300 m,室內(nèi)有障礙的情況下最大100 m 且可以承受密集接入,因此,該方式是現(xiàn)在使用最多的傳輸協(xié)議,其所需成本較小,算法實現(xiàn)比其他通信方式容易[6]。

5 結(jié)語

本文利用普適計算思想,設(shè)計了一款智能家居系統(tǒng)。 該系統(tǒng)采用多種傳感器進行信息采集,WiFi 通信方式進行數(shù)據(jù)傳遞,通過單片機控制整個系統(tǒng)。 該系統(tǒng)不僅能方便用戶使用,還能在一定程度上節(jié)省財力,但該系統(tǒng)整體設(shè)計仍需進一步優(yōu)化,功能仍需進一步完善。