智能家居控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

陳成瑞，王旭康，肖欣悅，李成勇

(1.重慶工程學院 電子信息學院，重慶400056；2.中國電子科技集團公司第五十三研究所，天津 300000)

0 引言

伴隨物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的源起與飛速發(fā)展，人們的生活已離不開智能化帶來的便利與享受。目前，家居智能化已成為當今的主流發(fā)展趨勢[1]，影響到人們的日常生活，智能化、信息化的生活方式，成為當今世界研究的熱點問題。而這一切發(fā)展的最終目的是為人們提供一個舒適、便捷、高效、安全的生活環(huán)境，智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展也日漸滿足人們對居住環(huán)境的多方面需求[2-3]。

智能家居控制系統(tǒng)不僅能給人們帶來不一樣的精神享受，更重要的是可以為人們節(jié)省寶貴時間。在本設計中，智能家居燈光控制系統(tǒng)采用無線通信技術與移動設備進行通信，通過移動設備發(fā)送指令來實現(xiàn)物與物之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對家居的遠程控制，這樣的方式能很好地緩解人們的生活節(jié)奏，帶來方便的同時，滿足人們對生活品質(zhì)的要求，實現(xiàn)隨時隨地對家居的管控能力[4-5]。

1 智能家居優(yōu)勢

智能家居同傳統(tǒng)家居的區(qū)別如表1所示。

設計的智能家居系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

① 實用性：為人們提供一個舒適、安全、方便和高效的生活環(huán)境；

② 便利性：通過傳感器，可以對家里的溫度、濕度和亮度進行檢測，可以通過OneNet平臺控制家居狀況，實時掌握家中信息；

③ 可靠性：24 h監(jiān)控，在保證系統(tǒng)正常安全使用的同時，擁有適應各種復雜環(huán)境變化的能力；

④ 節(jié)能性：家居整體采用節(jié)能LED燈，且每個燈都由系統(tǒng)控制(人走燈關)，能最大降低能耗，同時提供方便；

⑤ 安全性：智能門禁系統(tǒng)通過RFID控制，異常報警；

⑥ 智能化：通道、室內(nèi)等安裝探測器，人來燈開，人走燈關，提高智能化感受。

表1 智能家居同傳統(tǒng)家居的區(qū)別

Tab.1 Differences between smart home and traditional home

項目智能家居傳統(tǒng)家居安防系統(tǒng)自啟安防系統(tǒng)、智能門禁無照明系統(tǒng)燈光場景切換,顏色多樣化固定燈光音頻系統(tǒng)遠程控制、觸摸屏控制人工控制窗簾系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)動、人性化人工控制用電器系統(tǒng)遠程控制、觸摸屏控制、方便人工控制、繁瑣語言系統(tǒng)智能播報、溫馨提示無綠植養(yǎng)護系統(tǒng)智能養(yǎng)花人工澆水檢測系統(tǒng)實時檢測、實時更新無

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

硬件主要包括核心模組、照明單元、電機驅(qū)動模塊、安防單元、通信模塊、顯示單元和溫濕度檢測模塊，本設計硬件首先是通過通信模塊和溫濕度檢測單元給核心模組輸入信號，核心模組再對采集到的數(shù)據(jù)進行分析與處理，然后輸出相應的控制信號對語音播報器、燈光調(diào)節(jié)模塊和驅(qū)動模塊進行控制并通過通信模塊上傳到OneNET平臺[6-7]。驅(qū)動模塊分為2部分：一是通過驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)窗簾的角度調(diào)整；二是通過繼電器和水泵來實現(xiàn)自動澆花。顯示單元通過與核心模組進行串口鏈接，將接收到的數(shù)據(jù)進行顯示和控制，如圖1所示。

圖1 硬件總體框圖

① Arduino單片機中控處理模塊：Arduino單片機通過對最小系統(tǒng)的擴展，完成對其他模塊采集的信號進行處理，傳送到OneNet平臺；

② OneNet平臺：對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲并更新數(shù)據(jù)[8]；

③ ZigBee技術：通過ZigBee技術進行低功耗短距離無線設備鏈接[9]；

④ 傳感模塊：實現(xiàn)實時溫度、濕度數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)傳送至Arduino單片機中控處理模塊進行處理[10]；

⑤ 控制面板：手動控制室內(nèi)的全部設備；

⑥ 語音模塊：對室內(nèi)的信息進行語音智能提示；

⑦ 電機模塊：接收單片機信號，自動控制窗簾狀態(tài)[11]；

⑧ 空氣凈化器：減少空氣中PM2.5，凈化異味[12]。

2.2 軟件設計

系統(tǒng)主要以Arduino單片機為核心，系統(tǒng)初始化后，開始采集傳感器信息，對數(shù)據(jù)進行存儲和顯示，通過手機或控制面板進行控制以滿足用戶的需求，從而實現(xiàn)相應功能。

智能家居通電后，系統(tǒng)初始化，可以調(diào)節(jié)窗簾關閉的遮擋角度，比如1/2或1/3 。點一下開啟，電機開始轉(zhuǎn)動，再點一下電機停止，從而達到合適的角度；點擊綠植信息，顯示當前濕度，紫外線強度，左邊顯示綠植7天水分情況。當開啟無人值守模式，土壤濕度低于一定值時將自動澆水，也可通過澆水按鈕給綠植澆水。燈光會切換到相應燈光模式，提供不同的室內(nèi)體驗。軟件程序總體設計圖如圖2～圖5所示。

圖2 智能家居控制系統(tǒng)軟件流程

圖3 電窗單元

圖4 溫濕度檢測單元

圖5 照明單元

3 系統(tǒng)測試

3.1 電路板表面

用眼睛主觀觀察每塊電路板的元器件有無貼反、漏裝，也可以結(jié)合電路原理圖對照元器件；電路使用數(shù)字萬用表檢測是否有虛焊和短路。

3.2 通電測試

電路板表面測試無誤后，就可以給各個模塊進行通電測試，觀察是否有無冒煙以及觸摸電路板是否發(fā)熱等現(xiàn)象，如表2所示。

表2 各模塊電壓值

Tab.2 Voltage values of each module

模塊工作電壓/V輸入電壓/V輸出電壓/V測試Arduino5.0接上USB無需供電;外部DC7.0～12.0DC5.0DC3.3正常ATK-ESP8266 WiFi模塊3.3～5.05.0-正常溫濕度傳感器模塊5.05.0-正常燈光調(diào)節(jié)傳感器DC5.0～35.05.0-正常繼電器≤36.012.0-正常語音播報器3.33.3-正常

3.3 程序燒錄

在以上2個步驟順利完成后，則可進入電路板的程序燒錄，測試各個模塊是否正常運行。使用工具：① PC機；② 操作系統(tǒng)：Windows；③ 軟件：ArduinoIDE；④ 云平臺：OneNet。燒錄界面：程序驗證無誤，就可上傳至模塊，如圖6和圖7所示。

圖6 程序驗證

圖7 程序上傳

3.4 功能測試

(1) 自動澆花

智能家居上電，使用者可以手機登錄OneNet平臺，查看綠植信息，并根據(jù)信息來決定是否澆花。當要澆花時，可以開啟ON，自動澆花模塊便開始運行，當數(shù)值達到要求時自動關閉。使用者也可以在液晶屏上進行相應工作。

(2) 智能窗簾

智能家居上電后，使用者可以手機登錄OneNet平臺。在平臺上點擊ON，電機開始工作，窗簾打開；點擊OFF，電機停止工作，再點擊ON窗簾開始關閉。使用者也可以在液晶屏上進行相應選擇。

(3) 燈光調(diào)整

當使用者在室內(nèi)休息時可以根據(jù)自己的心情選擇燈光模式，共有4種：活力清晨、浪漫晚餐、放松心情和激情舞會。使用者可以手機登錄OneNet平臺，點擊臥室燈光進行相應選擇。使用者也可以在液晶屏進行相應選擇。

(4) 云平臺

傳感器將搜集到的數(shù)據(jù)由核心模組處理并上傳至創(chuàng)建好的OneNet云平臺，形成大數(shù)據(jù)，并能正常顯示數(shù)據(jù)。

(5) 語音提示

當使用者離家后，檢測到有其他人在室內(nèi)將報警。當使用者在家時，可以用來聽歌。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)由單片機處理器進行整體控制，通過無線模塊ESP8266讓手機APP與單片機間以及OneNet平臺進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)包含環(huán)境檢測模塊、智能安保模塊、語音控制模塊、智能語音提示模塊、智能插座模塊、智能燈光模塊、智能窗簾模塊、指紋鎖模塊、手機APP和OneNet平臺。通過APP，OneNet平臺以及單片機之間的信息采集、數(shù)據(jù)交互，對數(shù)據(jù)進行準確分析并做出相應的應對，組成一個完整的智能家居系統(tǒng)。目前市場上智能家居的受歡迎程度非常高，系統(tǒng)功能性強大，成本低，性價比極高，針對市面上其他功能不齊全、功能較為單一的產(chǎn)品，本系統(tǒng)整合度較高，功能齊全，并且基本具備智能家居應具有的最重要功能，能很好地避免浪費電，從而實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目的，同時具有較高的應用價值。多次測試結(jié)果表明本系統(tǒng)的系統(tǒng)需求達到了預定目標。