基于云平臺的智能家居安防控制系統硬件設計

蔡湘繁，王 丹

（廣東科技學院 機電工程學院，廣東 東莞 523083）

0 引 言

常規的智能家居控制系統具有硬件電路布線復雜、功耗過大、模塊不易擴展、溫濕度數據采集不精確的缺點，本設計基于云平臺的智能家居安防控制系統，能夠自動檢測周圍環境的動態數據，將所檢測的數據通過物聯網方式傳輸至云平臺，進而發送到App顯示在手機上，并且實時監控變化，一旦檢測到的數據超過預先設定的閾值，則會進行用戶所設置的安防功能提醒，隨后通過一系列調控進行智能家居的安防控制。通過物聯網平臺，使用手機App 實現遠程數據的顯示以及指令的下達，打破了傳統局域網的空間限制，實現了“隨時、隨地”訪問和控制智能家居安防控制系統。本文對基于云平臺的智能家居安防控制系統的硬件部分進行了設計，具體如下。

1 系統概述

1.1 系統結構

基于云平臺的智能家居安防控制系統由STM32最小系統模塊、溫濕度檢測模塊、物聯網模塊、繼電器控制模塊、安防模塊、用戶App 端等構成，具體如圖1 所示。

圖1 基于云平臺的智能家居安防控制系統結構

1.2 系統原理

使用STM32F103C8T6 作為控制芯片，配合DHT11溫濕度傳感器模塊檢測環境數據，通過ESP8266 Wi-Fi實現物聯網功能，將數據上傳到云平臺，云平臺通過數據報文發送到用戶App 端，用戶通過手機端界面可查看相關環境數據并進行控制。云平臺收到用戶App端發送的指令報文后再發送指令報文回主控芯片，控制繼電器模塊進行設備控制，工作原理如圖2 所示。

圖2 基于云平臺的智能家居安防控制系統工作原理

1.3 云平臺

使用阿里云物聯網平臺作為云平臺端，阿里云是阿里巴巴物聯網開放式平臺，支持多種網絡協議接入。本次選擇的消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）有發布和訂閱2種消息模式，都屬于開放式系統互連（Open System Interconnect，OSI）參考模型的傳輸層協議[1]。MQTT協議的報文有格式精簡的優點，可以更高效地傳輸數據；3 種級別的服務質量（Quality of Service，QoS）滿足不同消息的傳輸要求，可在保證可靠性的基礎上減小開銷；帶Topic 的訂閱模式可以實現消息的一對多發布。MQTT 設計規范的優點使得它更能滿足部分物聯網設備低功耗、網絡帶寬小、延時高、不穩定等局限的需求，廣泛應用于各領域的物聯網設備。眾所周知，物聯網云平臺的初始創建和實際應用本來是個復雜的過程，但阿里云物聯網平臺簡化了諸多復雜的技術細節，可適配各類網絡環境和協議，支持各類智能設備的快速接入，其簡化的操作流程如圖3所示[2]。

圖3 阿里云物聯網平臺創建應用操作流程

2 系統硬件部分設計

2.1 STM32 最小系統模塊

STM32F103X 系列ARM 芯片是由意法半導體（ST）公司推出的內核為Cortex-M3 的32 位微控制器，其硬件采用LQFP38 封裝。該芯片具有價格實惠、外設接口多、實時性能優異、控制功耗低以及開發成本低等優點。本系統使用的芯片型號為STM32F103C8T6，該芯片具有20K×8bit 的靜態隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）、63K×8bit 的快閃存儲器，自帶3 個定時器，3 個USART 串口，功能強大，價格適中[3]。STM32 最小系統模塊電路原理如圖4 所示。

圖4 STM32 最小系統模塊電路原理

2.2 溫濕度檢測模塊

采用DHT11 作為系統的溫濕度檢測模塊。DHT11 是一款數字溫濕度傳感器，適用于測量一定環境內的溫度和濕度，具有使用方便、占用空間小、品質卓越、抗干擾能力強、快速響應、低功耗、性價比極高等優點，表現出極高的可靠性與卓越的長期穩定性，因此被廣泛應用于家居自動化、氣象站、智能農業等領域。此外，DHT11 采用單總線數據傳輸，可以通過數字信號直接與微控制器連接，測量范圍為0 ～50 ℃的溫度和20%RH ～90%RH 的濕度，精度分別為±2 ℃和±5%RH[4]。DHT11 溫濕度檢測模塊如圖5 所示。

圖5 DHT11 溫濕度檢測模塊

2.3 Wi-Fi 物聯網模塊

采用ESP8266 Wi-Fi 芯片作為系統的Wi-Fi 物聯網模塊，常應用于物聯網設備、智能家居、智能家電等領域。該芯片集成了Wi-Fi 模塊和處理器，內置傳輸控制協議和網絡協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協議棧，其主要特點包括體積小、功耗低、易于開發、性價比高等。ESP8266 Wi-Fi 芯片可以通過串口與單片機連接，也可以獨立作為一個微控制器使用，而且支持多種編程語言，如C、C++、Python 等。因此，ESP8266 Wi-Fi 片具有廣泛的應用前景，是物聯網和智能家居領域的重要組成部分[5]。Wi-Fi 物聯網模塊如圖6 所示。

圖6 Wi-Fi 物聯網模塊

2.4 繼電器模塊

采用繼電器模塊拓展控制其他智能家居設備。繼電器是一種電控制器件，其基本結構主要由線圈、鐵芯、觸點等組成，工作原理為小電流控制大電流。一般來說，控制電路包括電源、信號輸入以及繼電器驅動3 個部分。其中，電源一般使用直流電源，信號輸入可以是開關量信號或模擬信號，繼電器驅動則是通過控制電路將3.3 V 的電壓轉換為驅動繼電器線圈的電壓，從而使繼電器動作。低電壓繼電器常用于嵌入式系統、物聯網設備等領域，使用時需注意其額定電壓和額定電流，避免過載和損壞。同時，還需要注意控制電路的設計和調試，確保繼電器能夠正常工作[6]。其中，繼電器模塊如圖7 所示。

圖7 繼電器模塊

2.5 安防模塊

使用蜂鳴器模擬安防提醒，當室內環境數據到達安全隱患閾值時，蜂鳴器響起提醒用戶，同時自動啟動室內循環通風系統進行環境控制，保障用戶安全。

2.6 室內照明

使用LED 燈模擬室內照明，其工作電壓為3.3 ～5 V。在實際應用時，該部分可接室內燈光系統，用戶可通過手機端App 開關進行發送指令，通過繼電器模塊實現室內照明控制。

2.7 室內循環通風系統

使用低電壓電機與扇葉模擬室內循環通風系統，其工作電壓為3.3 ～5 V。在實際應用時，該部分可接室內循環通風系統，用戶可設定環境閾值自動啟閉室內循環通風系統，也可通過手機端App 開關發送指令，通過繼電器模塊實現室內循環通風系統控制。

2.8 物聯網云平臺配置

使用阿里云物聯網平臺Web 網頁端進行物聯網設備的添加，配置設備信息，主要流程為設備功能定義→人機交互設置→設備調試設置等，如圖8 所示。

圖8 阿里云物聯網平臺Web 網頁

3 實驗與分析

系統硬件部分搭建完成后，接通電源，各模塊提示燈正常亮滅，系統電路通路正常，無短路情況，硬件部分總體搭建合理，電路布線簡約，經過后期實際運行檢測，該系統的硬件部分表現出了高度的可靠性和穩定性，初步調試時控制反應非常靈敏，各模塊功能能夠成功響應，可以進行系統的軟件部分設計，進行程序編寫與調試。

4 結 論

在物聯網技術飛快發展與“互聯網+”對智能交互需求的背景下，本文進行了一款基于云平臺的智能家居安防控制系統的硬件部分設計。通過測試證明，本系統的硬件搭建分布合理、運行正常，可以進行系統的下一步程序編程調試開發，部署應用到現實生活中的智能家居生態環境中，在實際生活應用中有一定價值。