基于物聯網技術的智能家居場景設計

摘 要：得益于物聯網技術的成熟和發展，智能家居應用場景越來越豐富。本智能家居場景設計基于物聯網四層架構，開發一個可通過手機APP遠程跨網絡監測和控制的智能家居系統。該系統可實現對家居環境的監測和控制，并將監測數據存儲在云端，在使系統更加穩定的同時綜合提升用戶家居體驗。

關鍵詞：物聯網；智能家居；阿里云；ESP32；傳感器；自動控制

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

隨著社會的不斷發展，人們逐漸開始追求品質化生活。得益于物聯網技術的成熟和發展，智能家居的應用場景越來越豐富。科學分析、嚴謹設計的智能家居能夠解決傳統智能家居的缺陷和不足，更符合人們對生活品質的追求[1]。

智能家居系統是以服務日常為主，通過技術及設備，完成對相關智能化設備的驅動控制，例如，布線技術、通信技術、傳感技術以及監測技術等，通過設備與物聯網之間的融合，實現家居日常事務的數字化控制[2]。

本次設計旨在依據現有物聯網技術，基于Arduino和阿里云生活物聯網平臺，利用ESP32開發板、傳感器和控制硬件，開發可通過“云智能”手機APP遠程跨網絡監測和控制的智能家居模型，營造一個舒適安全的家居環境。

1 系統總體設計

本次設計基于物聯網四層架構，自下而上分別為感知層、網絡層、平臺層和應用層。基于物聯網四層架構的系統總體設計如圖1所示[3]。

1.1 感知層設計

感知層的主要功能是采集物理世界的數據，是人類與物理世界信息交流的媒介和橋梁[4]。感知層包括核心控制板、各類傳感器和控制硬件，實現對家居環境的感知識別、信息收集和自動控制，并將采集的信息連接到網絡層。

從功能上將其分為智能家居系統和智能安防系統進行設計，同時保證家居環境的舒適性和安全性[5]。兩個系統分別采用樂鑫科技的ESP32-WROOM-32開發板作為控制板[6]，其板載2.4 GHz WiFi可直接連接至路由器。ESP32開發板豐富的I/O引腳可連接各類傳感器和控制硬件，并通過電源模塊向其供電，通過傳感器采集信息并對控制硬件進行控制。兩個控制板接線如圖2、圖3所示。

1.2 網絡層設計

網絡層的主要功能是傳輸信息，將感知層獲取的數據傳送至平臺層。控制板的WiFi模塊可無線連接至路由器[7]，通過路由器接入網絡并與服務器通信，其通信遵守MQTT協議。MQTT協議是一種基于客戶端服務端架構的發布/訂閱模式的消息傳輸協議，由于其低開銷、低帶寬和即時通信特性，MQTT協議已成為最受歡迎的物聯網協議之一[8]。

在本次設計中，兩個控制板作為客戶端發布傳感器信息并訂閱指令，云智能APP分別作為客戶端訂閱傳感器信息并發布指令，阿里云平臺的MQTT服務器為服務端，過程如圖4所示。

1.3 平臺層設計

平臺層可為設備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設備，支撐數據上報至云端，向上提供云端API，服務端通過調用云端API將指令下發至設備端，實現遠程監測和控制[9]。在本次設計中，選用阿里云生活物聯網平臺，其簡單易用、手機APP端可免開發，主要功能有設備接入、設備管理、安全管理、消息通信、監控運維以及數據應用等。

感知層的控制板通過設備三元組（ProductKey， DeviceName， DeviceSecret）的方式接入阿里云生活物聯網平臺，云平臺上可以為其選擇MQTT服務器，定義數據類型并設置數據接口，設計云智能APP界面并選擇向云智能APP傳遞的數據類型。此外，阿里云生活物聯網平臺接收的來自感知層的數據可直接上傳至阿里云RDS MySQL云數據庫存儲，更有利于監測家庭各項數據，維護系統設計。

1.4 應用層設計

應用層是物聯網的最終目的，即利用感知層的數據為各行各業提供智能服務。在本次設計中，云智能APP可顯示來自感知層的監測數據，可直觀看到家庭的各項數據，并根據這些數據對硬件或智能家電進行遠程控制。

2 功能實現

2.1 智能家居系統

（1）監測室內溫濕度并聯動小風扇：利用DHT11溫濕度傳感器對室內溫濕度進行監測。當小風扇處于智能擋位時，通過監測值與程序閾值的對比實現對小風扇的自動化控制；當小風扇處于手動擋位時，可遠程控制小風扇的開關。

（2）監測室內光照并聯動智能小燈：利用光敏電阻傳感器對室內光照進行監測。當小燈處于智能擋位時，小燈將根據監測值動態調節小燈的電壓，使室內光照維持在恒定值；當小燈處于手動擋位時，可遠程控制小燈開關。

（3）監測室外光照并聯動智能窗簾：利用光敏電阻傳感器對室外光照進行監測。當智能窗簾處于智能擋位時，通過監測值與程序閾值的對比實現對窗簾的自動化控制；當智能窗簾處于手動擋位時，可遠程控制窗簾的啟停。

（4）小屏溫濕度計模塊：利用一塊OLED屏顯示DHT11溫濕度傳感器采集的室內溫濕度數據。

2.2 智能安防系統

（1）檢測有害氣體、火焰，聯動報警裝置、排風扇：利用MQ-135空氣質量傳感器模塊檢測空氣中是否存在有害氣體，利用火焰傳感器檢測房間里是否有火焰。報警按鍵處于常開狀態，當任意一個監測值超過設定閾值后，通過蜂鳴器蜂鳴、紅色LED小燈閃爍報警，并自動打開排風扇進行排煙處理。無有害氣體且無火焰時，可遠程控制排風扇開啟或關閉。

（2）刷卡開門模塊：用RFID射頻模塊MFRC RC522 IC卡感應傳感器檢測IC卡內部UID數據，并與ESP32開發板中存儲的家庭成員UID進行對比判斷，為家庭成員自動開門。

（3）嵌入式攝像頭感知模塊：利用樹莓派4B外接攝像頭對入戶門外的環境進行監測，利用家庭內網傳輸視頻畫面作為電子貓眼與遠程開、關門按鍵聯動[10]。

3 系統測試

3.1 系統功能測試

經測試，云智能APP上可實時顯示房間內的各項數據，控制硬件也可對來自云智能APP上的指令及時響應。云智能APP界面如圖5、圖6所示。

3.2 程序代碼測試

經過白盒測試，初始化函數、連接服務器、獲取傳感器數據、上傳傳感器數據、回調函數接收參數、硬件控制函數均正常，程序流程如圖7、圖8所示。

4 結 語

本次設計實現了利用現有物聯網技術對智能家居場景化的設計，開發了通過手機APP遠程跨網絡監測和控制的系統模型。

此外，在系統上還可加入其他類型的傳感器和控制硬件，進行更加豐富的場景化設計。隨著傳感器和控制硬件數量的增加，可進一步對“一鍵晚安”“休閑模式”等高級場景進行設計。

參考文獻

[1]黃海軍，喬成.智能家居發展趨勢及其解決方案[J].日用電器，2015，58（9）：65-68.

[2]胡寶玲，王彥貞，陳淑春.物聯網技術在智能家居系統中的應用

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[3]韓濟澤，張永林.物聯網USN體系與混合式架構應用[J].電子設計工程，2021，29（12）：128-132.

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[9]嚴清虎，龔家元，汪雪濤.基于阿里云物聯網平臺的無線風速監測系統設計[J].湖北汽車工業學院學報，2022，36（3）：46-50.

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