基于OneNET云平臺的智能家居系統實現

張雄，劉斌，王簫揚，高瑞，賀凡

（延安大學物理與電子信息學院，陜西延安，716000）

隨著物聯網、云計算、大數據的迅猛發展，人們生活方式也隨之產生著巨大的變化。為了便于管理眾多家居電器，人們需要將各種家居設備實現互聯，并能允許智能移動終端訪問，進而實現日常家居生活的個性化及智能化管理。智能家居[1,2]以住宅為平臺，以局域網為通信基礎連接至智能移動終端，實現對各種家居設備的集成與控制。本文基于中國移動開放的OneNET云平臺，采用STM32為主控芯片，結合煙霧傳感器、一氧化碳傳感器等傳感器，手機、平板電腦等移動終端設備和無線傳輸模塊實現了家用電器的互聯及管理的智能家居系統[3]，從而使人們的家居生活更加便捷、智慧。

1 系統總體設計

基于OneNET云平臺的智能家居控制系統主要包括：空氣質量監測模塊、語音及顯示模塊、智能窗簾控制模塊、藍牙音響模塊、室內燈光控制及信息傳輸交互模塊，如圖1所示。智能家居系統可進行模塊化設計，主機部分以STM32作為主控芯片，將MQ7氣體傳感器、MQ135有毒氣體傳感器連接至LM393電壓比較器實現室內有害氣體的監測，采用DHT11溫度傳感器對室內溫濕度進行監測，以WT588D語音芯片實現語音播報，觸摸屏顯示相關數據。從機部分由智能窗簾控制模塊、藍牙音響模塊和室內燈光控制模塊組成。主機與從機之間通過ESP8226芯片與ZigBee[4]模塊實現無線傳輸功能，主機發出指令通過ZigBee模塊對從機進行控制，從機采集采集到數據由ZigBee模塊對主機進行反饋，從而實現主從機間的信息交流。采用OneNet移動平臺實現人機交互模式，用戶可通過移動智能終端對主機發出指令從而對從機進行控制。

圖1 智能家居系統總體結構圖

圖2 主機部分組成框圖

2 系統硬件設計

2.1 主機部分

主機部分主要由STM32單片機、空氣質量監測模塊、語音及顯示模塊組成，組成框圖如圖2所示。

2.1.1 空氣質量監測模塊

空氣質量監測模塊采用一氧化碳傳感器、有毒氣體傳感器、溫濕度傳感器進行室內空氣質量及溫濕度的檢測并將數據傳輸至主控芯片。

MQ—7氣體傳感器的氣敏材料為二氧化錫(SnO2)，其電導率在清潔空氣中較低且隨著空氣中一氧化碳氣體濃度增高而增大。該傳感器采用高低溫循環檢測方式，低溫(1.5V加熱)檢測一氧化碳，高溫(5.0V)清洗低溫時吸附的雜散氣體。MQ—7氣體傳感器對一氧化碳靈敏度高且成本低的優點。

MQ135氣體傳感器的氣敏材料為二氧化錫(SnO2)，傳感器電導率隨空氣中污染氣體的濃度增高而變大，該傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽靈敏度高，壽命長成本低的優勢。

DHT11傳感器是一款具有已校準數字信號輸出的溫濕度符合傳感器，其應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8為單片機相連，具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等優點。

2.1.2 語音及顯示模塊

WT588D語音芯片是一款可重復擦出燒寫的語音單片機芯片。該芯片高度集成的單片機技術，使之不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機電路。配套WT588D VoiceChip主機操作軟件可隨意更換任何一種控制模式，將信息下載至SPI—Flash即可。軟件操作方式簡潔易懂，支持在線下載。WT558D語音模塊電路圖如圖3所示。

圖3 WT558D語音模塊電路圖

顯示模塊采用 OLED(Organic Light—Emitting Diode)，即有機發光二極管。

2.2 從機部分

從機部分主要由智能窗簾控制模塊、藍牙模塊、室內燈光控制模塊組成。

2.2.1 智能窗簾模塊

智能窗簾模塊由主控芯片STM32控制，通過處理主控芯片的命令實現窗簾的自動開關及遠程控制。系統供電后，主控芯片讀取EEPROM存儲的數據并于環境數據對比判斷是否打開或閉合窗簾。系統在接收到終端數據包后再次處理主控芯片的命令，完成遠程控制窗簾打開或閉合命令。

2.2.2 藍牙模塊

藍牙模塊與智能移動終端藍牙匹配連接，完成手機控制音頻數據播放、暫停、音量加減的指令，藍牙模塊電路圖如圖4所示。

2.2.3 室內燈光模塊

主控芯片STM32完成對室內燈光模塊的控制，主控芯片解析命令指令達到室內燈光的自動開關及遠程控制。系統通電后，主控芯片讀取EEPROM存儲的數據并與環境數據比較最終確定是否執行室內燈開關指令。系統確認接收到智能移動終端數據包后，再次處理主控芯片的命令來實現遠程控制燈光的控制。

圖4 藍牙模塊電路圖

2.3 信息傳輸交互模塊

信息傳輸交互模塊方框圖如圖5所示。信息傳輸交互模塊用以建立家庭局域網，采用ESP8266和ZigBee協議實現室內各種家居電器的互相連接[5]。ESP8266支持softAP模式、station模式、soft AP+station共存模式。ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網絡解決方案，能夠獨立運行也可以作為slave搭載于其Host運行，可實現靈活的組網方式和網絡拓撲。

ZigBee基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，其組網便利、信號穩定可靠、修復能力強、不易受到干擾，可以自由組網接入龐大數量設備且不產生運營費用。ZigBee模塊采用廣播方式，各節點配置同一波特率同一頻道，以廣播形式進行信息交互組建家庭局域網。

圖5 信息傳輸交換模塊方框圖

3 系統軟件設計

基于OneNET平臺的智能家居系統設計[6]，在系統供電后初始化CPU，然后讀取EEPROM中存儲的數據，確定即將執行的動作，是否開燈，是否打開WiFi模塊，系統連接云平臺，主控芯片判斷是否收到終端發送的數據包，若收到數據包，則執行數據包命令，否則檢查定時時間是否到達，若定時時間到達則執行定時指令，若定時沒到，再次檢查是否收到終端指令。主機軟件設計流程如圖6所示。

圖6 主機軟件設計流程圖

4 系統結果測試

將設計好的系統供電并連接至OneNET平臺，完成軟件程序的植入。在實驗環境下對實際數據進行采集。實驗表明：本文設計的智能家居控制系統能實現通過OneNET平臺對室內的家電進行遠程控制，并能準確的采集室內空氣質量和環境溫濕度數據反饋給終端且進行語音播報。通過清晨、離家、回家模式智能調節室內燈光及窗簾打開閉合。藍牙模式下，可以通過手機進行語音播報及音量調節。智能家居控制系統軟件顯示界面如圖7所示。

圖7 智能家居控制系統軟件顯示界面

5 結論

測試表明，基于OneNET移動平臺的智能家居控制系統，不僅實現了設計要求，同時具有組網靈活，功耗低及功能強大等優點，同時適用于其他類似需求的領域。