基于物聯網技術的智能家居控制系統設計研究

曾海燕，鄭鑫，韋燚

（廣西民族師范學院，廣西崇左，532200）

0 引言

當今社會，人們因為不停的忙于工作、社交活動，身心疲憊地回到家后總希望覓得一片安寧。舒適、溫馨、智能的家庭環境可以很快緩解工作帶來疲勞，因此家居環境的好壞直接影響著人民的生活水平，傳統的方式需要對家居設備進行手動調節，這不僅繁瑣，而且不具備提前開啟的條件，只有當人們返回到家中后才可實施操作，如果家居設備具有遠程控制功能，將大大提高用戶的使用感受，家居的智能化，可以給人們創造更加溫馨的生活環境。隨著科學技術的發展，科學工作者不斷探索如何讓人們的雙手從繁瑣的家居操控中解脫出來，讓家居智能化，不需過多的操作即可實現家居根據人們的生活習慣而自行啟動，并進入令人們舒適的工作模式。

智能家居作為人類社會發展智能化的重要體現，國內外專家學者均進行了廣泛深入的研究。人們借助移動通信技術、物聯網技術、安防技術等手段，不斷拓寬智能家居系統的應用深度，同時也為智能家居發展做出重要貢獻。盡管研究取得的成效顯著，但是智能家居系統依然面臨較多迫切需要解決的問題，諸如系統安全性不高、系統穩定系不佳、靈敏度低的問題，家居設備無緣無故與系統斷開連接、或者反復操作但是系統無法執行命令等問題。本文所探討的基于物聯網的智能家居系統研究，旨在找到一種安全性高、操作容易、靈敏度高的家居智能控制系統。

1 系統設計思路

本系統從軟硬件兩方面進行設計，硬件系統主要執行各種信息采集、顯示、操作，軟件系統負責對功能模塊發出具體指令。通過軟件與硬件的相結合，利用物聯網技術，將數據上傳到云平臺，通過手機或者電腦便能隨時隨地監控家庭內的設備。在電路設計過程中，需采用processon輔助工具進行系統框架圖的繪制，采用Altium Designer 10繪板工具進行實現根據各模塊的設備繪制設備原理圖、封裝圖，最終實現系統電路封裝圖，并進行電路板的繪制工作。

2 系統硬件的設計

如圖1所示，智能家居系統核心部件是主控模塊，通過主控模塊，實現對按鍵模塊的輸入信息進行判斷，采集模塊負責對環境溫濕度進行采集，經過數據處理后匯總到主控模塊，從而實現對家居系統的控制、顯示、報警功能。同時，主控模塊可將采集到的信息以及控制指令通過無線通信模塊傳輸到云平臺，登錄到云平臺可以實時查看相關數據。

圖1 系統框架圖

■ 2.1 主控模塊

主控模塊是系統的指揮官，采用的是STM32單片機，接收周邊附屬模塊采集過來的信號，并對各操作模塊發出操作指令，從而實現對各系統模塊的有機協調、相互配合，最終實現系統的各項功能。

■ 2.2 遠程控制模塊

遠程控制模塊主要采用的LED、電機。LED模擬遠程開關燈，通過云平臺或者手機發送指令便可以控制LED的開關，實現遠程控制家用電器的功能。電機模擬家庭環境的風扇，電機需要與繼電器配合使用，通過遠程發送的指令控制繼電器內置磁片的吸合，當繼電器磁片處于常開狀態，電機的連接形成一個斷路狀態，當繼電器磁片處于常閉狀態，電機的連接形成一個短路狀態。

■ 2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用的是ESP8266模塊，該模塊帶有WiFi傳輸功能，將系統采集到的數據以及控制指令轉換為數字信號后傳輸到云平臺。單片機數據通過串口協議發送給ESP8266WiFi模塊，RX引腳和單片機的TX引腳相連，RX、TX分別為WiFi模塊數據的發送端、接收端。WiFi模塊通過無線通信的方式將數據發送到云平臺，實現了基本的物聯網功能，對數據進行遠程的傳輸。

■ 2.4 按鍵模塊

按鍵模塊采用的是四引腳的輕觸開關，輕觸開關可分成兩種組合方式。一種是兩組常開狀態的開關，一種是兩組常閉狀態的開關。系統采用的是一組常開的開關，四個開關共地，另一個引腳與單片機相連。當按下開關之后，斷開狀態形成閉合狀態，此時想單片機輸入低電平信號。開關的作用主要是調節溫濕度的閾值大小，通過當前環境的不同，對應調節溫濕度的限定值。

■ 2.5 傳感器模塊

傳感器模塊集成有環境溫濕度采集、煙霧信息采集、光照信息采集、液化氣體采集等功能。溫濕度傳感器主要采用的是SHT30，SHT30主款溫濕度傳感器體積小，測量的溫度濕度精度較高，能夠快速測量當前環境的溫濕度。采用的通信方式是I2C協議，SCL引腳為同步時鐘引腳，是I2C總線的串行時鐘引腳，SDL為數據引腳，用于發送和接收數據的引腳。光敏傳感器是通過光敏電阻實現對環境光照條件的采集，負責監測當前環境是處于黑暗還是白天，對智能燈控提供參考依據。通過DO引腳發送當前環境的光度的狀態，當黑暗降臨的時候，DO引腳會發送與之相反的狀態給單片機，發出開燈信號，實現燈具的遠程控制功能。煙霧傳感器采用的是MQ-2，內置一個狀態燈，主要是檢測煙霧和可燃氣體，當模塊檢測到當前環境存在煙霧或者可燃氣體，狀態燈會打開，并通過DO引腳發送數據給單片機，便于單片機做后續工作。MQ-5液化氣體傳感器對家庭環境是否有液化氣體泄露進行判斷，并生成相關信號傳送到主控系統，為智能家居系統提供安全檢測參考。

■ 2.6 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用的OLED液晶顯示屏，采用OLED屏不需要背光支持，屏幕本身自帶有機的發光二極管，像素清晰度極高，用于顯示當前的環境溫濕度。

■ 2.7 報警模塊

報警模塊根據主控模塊給出的信息進行分析，結合其他附屬模塊，判斷當前環境是否存在超過預設的問題，并通過蜂鳴器進行反饋，實現系統的報警功能。比如當前環境存在煙霧，系統的煙霧傳感器檢測到并發送到主控模塊，主控模塊便會發送指令給蜂鳴器，便可觸發報警功能。同時，可對環境溫濕度進行預設，一旦采集數據超過預設值，將會觸發報警。

系統的電路原理圖如圖2所示。

圖2 系統電路原理圖

3 系統軟件的設計

■3.1 系統主程序的設計

程序的主要流程：首先對各個模塊進行初始化，然后要與云平臺建立連接，同時，液晶顯示屏出現“正在與云平臺嘗試連接”，當連接不成功會采用循環連接方式一直嘗試連接，需要連接成功才能進行下一步操作。成功連接后，液晶顯示屏展示當前環境的溫濕度數據，并實時刷新屏幕數據；系統對按鍵進行掃描，通過對按鍵信息進行讀取，進一步調整溫濕度設定的閾值，并返回給單片機。單片機實時接收溫濕度傳感器、液化氣傳感器等采集回來的信息，以及LED燈、蜂鳴器等設備的狀態信息，將信息分析、編譯后傳送到控制模塊，實現對家居的智能監測功能。同時單片機通過網絡傳輸將數據實時上傳到云平臺，云平臺可以下發命令給單片機，云平臺設置多個控制控件以及顯示控件，當旋動溫濕度對應的控制控件時，將下發對應的數據流到單片機，單片機需對下發的數據流進行解析，根據KEY去除對應數值。每一個控件指定為設備的名字，便于命令的下發。控件能對硬件設備進行控制，修改對應設備的數值及狀態。顯示控件需提供上傳的數據流，通過javascript腳本語言解析數據流中的json字符串，獲取到有效的數值，并能對數據實時刷新。

圖3 系統主程序流程圖

■ 3.2 云平臺的設計

本系統采用ONENET云平臺，云平臺需要提供設備ID、鑒權信息、產品ID給單片機才能建立長連接。連接成功之后，系統會通過WiFi傳輸模塊將數據及指令上傳到云平臺，數據傳輸是雙向的，云平臺也可以下發命令給單片機。下發命令需要在平臺上創建應用管理，創建一個可控制界面。在創建設備的時候，需要與單片機約定好交互的數據KEY，VALUE的數據格式。在云平臺的管理界面，提供溫濕度閾值設定功能，不僅可以實時查看溫濕度信息，也可對環境溫濕度閾值進行設置，環境溫濕度超過預設值則發出報警信號。同時，云平臺提供LED和電機開關按鈕，實現遠程開關家庭設備。命令下發流程如圖4所示。

圖4 命令下發流程圖

在應用管理界面，當點擊LED、電機開關或者旋動溫濕度閾值的旋鈕，會相對應下發不同的命令給單片機。單片機需要解析下發的命令，控制相關設備的狀態，從而實現遠程控制功能。當解析到KEY為LED時，獲取KEY對應的VALUE值從而賦值給LED燈。當解析到KEY為RELAY，單片機控制輸出連接繼電器的引腳，根據云平臺傳輸的內容，輸出高低電平。此時繼電器IN引腳接收到單片機控制信號，其他兩個引腳需接入單片機提供的電壓。繼電器另一端則接入負載，包含有兩種狀態，接入NC端為常閉狀態，接入NO端為常開狀態。默認情況下，采用繼電器的常開狀態，無法驅動設備，需要額外的控制信號引導，將內置磁片置為吸合狀態，形成短路狀態便可以驅動風扇。當解析到KEY為DOOR，讀取VALUE值并進行判斷，當判斷為開啟狀態，則給舵機的信號引腳輸入頻率為50Hz的PWM波形，從而實現驅動門板的開啟與關閉狀態。當解析到KEY為TEMP和HUM時，將獲取KEY對應的內容，進而修改溫度閾值和濕度閾值。

■3.3 按鍵程序的設計

按鍵程序流程：首先對各模塊進行初始化，對按鍵進行循環掃描，每一個按鍵接一個單片機輸入引腳，當按下按鍵的時候，會向單片機輸入低電平。按下鍵1、2會修改溫度的閾值，按下鍵3、4修改濕度的閾值，如圖5所示。

圖5 按鍵控制流程圖

■3.4 智能控制的設計

首先將各模塊的傳感器進行初始化，進行溫濕度數據的監測，當在指定環境下檢測的溫度或者濕度超出預先設定的數值時，當監測到室內環境出現煙霧、可燃氣體，傳感器將狀態反饋給單片機，由單片機控制蜂鳴器報警。在需要長時間光照的門外可添加光度控制，當夜晚降臨，光敏傳感器監測到當前環境處于黑暗狀態，會自動在門外開啟第一個LED燈，白晝則關閉。在黑暗的地方，當聲音傳感器監測到腳步聲或者其他聲音會自動開啟第二個LED燈。聲音消失后，LED燈延時關閉，延時時長可適當調整。

■ 3.5 手機 APP 的設計

智能操控，離不開手機端的支持，因此需要設計一款手機APP，將智能家居系統的數據同步傳輸到云平臺，實現對智能家居系統的隨手控制。采用Android Studio進行頁面的開發和設計，通過網絡傳輸，獲取云平臺的數據。設計手機APP需要指定云平臺上的APIKEY和URL地址，指定APIKEY是為了區別平臺上的設備，指定URL地址是為了獲取數據流。手機APP所呈現的數據有各個模塊當前的狀態、當前溫濕度數據、溫濕度的閾值，如圖7所示。當前環境下的溫濕度超過設定的閾值或者當前出現火災、煙霧、可燃氣體，硬件系統會觸發報警，同時向云平臺發送當前處于報警狀態，手機APP實時接收云平臺發送過來的數據，并通過QQ郵箱發送短信給用戶，短信內容為當前時間，報警的詳情信息。手機APP提供遠程控制功能，可通過按鍵遠程控制硬件設備的LED及電機，手機APP向云平臺發送數據，云平臺下發命令給單片機。提供歷史數據保存功能，通過歷史界面便可以查看溫濕度的歷史數據，查看歷史報警時間，家庭狀況。

圖7 數據圖

4 結論

本文從軟硬件兩方面介紹智能家居系統的設計原理，硬件部分主要介紹系統各模塊的基本功能，軟件部分介紹各功能模塊控制系統的實現流程。通過智能家居系統實現對家居環境進行檢測、對生活電器進行控制以及狀態監控，借助物聯網平臺，人們可以遠程對家居系統進行控制，實現家居智能化，最終通過手機客戶端將智能家居系統的功能呈現在用戶面前，實現對家居系統的檢測、控制、反饋功能。通過本系統可遠程查看家庭環境狀態、控制家庭主要電器、查詢歷史信息、監控家庭異常告警等功能。智能家居系統的發展，將進一步提升家居的智能、便利、安全、舒適性，相信定會給人們的生活帶來質的飛躍。

圖6 智能控制流程圖