基于ESP-8266的智能家居系統(tǒng)概述

海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院 海南 海口 570100

1 智能家居總體架構(gòu)

本系統(tǒng)融合了傳感器技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)以及云平臺，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)中通過APP對傳感器模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表展示，直觀反映了監(jiān)測到的數(shù)據(jù)情況，簡單明了知曉家中或者寢室的空氣溫濕度，環(huán)境質(zhì)量，花卉土壤的溫度濕度。系統(tǒng)還能自動的對數(shù)據(jù)進(jìn)行回饋。對環(huán)境和土壤進(jìn)行控制，并對用戶進(jìn)行相應(yīng)的提示。系統(tǒng)大體運(yùn)行流程如圖1所示。

智能家居是融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，傳感器技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)的具體應(yīng)用，系統(tǒng)架構(gòu)可劃分為三個部分：傳感器監(jiān)測感知及其動作層，網(wǎng)絡(luò)傳輸層，云端數(shù)據(jù)儲存及應(yīng)用層。

在這套智能家居系統(tǒng)中，傳感器和機(jī)械動作模塊是底層應(yīng)用，其中傳感器包含土壤濕度，土壤溫度傳感器，粉塵傳感器，溫度濕度傳感器，光照傳感器，熱釋電紅外傳感器。機(jī)械動作設(shè)備有水泵，加熱棒，滴灌設(shè)備，通風(fēng)扇，紅外控制設(shè)備。在傳感器監(jiān)測中，傳感器將監(jiān)測到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸送到物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，并在開發(fā)板里進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)數(shù)值達(dá)到用戶設(shè)定的閾值時，將根據(jù)程序設(shè)定啟動或者關(guān)閉各項(xiàng)。并同步將數(shù)據(jù)通過開發(fā)板經(jīng)WIFI上傳至云端并反饋在手機(jī)APP端，使用戶用直觀的圖表來了解最新的情況。并且用戶還可以通過APP按鈕直接操控連接物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板的機(jī)械裝置，根據(jù)自己的需求調(diào)節(jié)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要依靠物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板自帶的WIFI模塊接入網(wǎng)關(guān)連接物聯(lián)網(wǎng)，如果不方便可以使用GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其主要功能是連接底層設(shè)備與云端設(shè)備，上傳數(shù)據(jù)和下傳APP控制指令，是設(shè)備與用戶端溝通的橋梁[1]。

云端主要采用Blinker作為服務(wù)提供商，使用其提供的SDK和API進(jìn)行開發(fā)，解析物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板上傳至云端的數(shù)據(jù)，并且在APP上以圖表的形式展現(xiàn)出來。

2 物聯(lián)網(wǎng)芯片的選擇

此項(xiàng)目之所以選擇使用ESP8266物聯(lián)網(wǎng)芯片，是因?yàn)樗械土膬r格32位處理器架構(gòu)，802.11 b/g/n 無線標(biāo)準(zhǔn)并搭載PCB 板載天線，支持IPv4、TCP/UDP/HTTP/MQTT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有豐富的接口并且可在-40 °C～125 °環(huán)境下工作，除了C語言之外可以運(yùn)行 Lua (nodemcu)、JavaScript (Espruino)、Python (Micropython)。生態(tài)良好，兼容性強(qiáng)。

在ESP-8266的基礎(chǔ)上選擇了NodeMCU作為開發(fā)板，它集成了CH340 USB轉(zhuǎn)串口芯片，方便下載程序，作為ESP8266最穩(wěn)定好用的開源開發(fā)板，使用的人多，生態(tài)也非常完善，它提供硬件的高級接口可以像arduino一樣編寫硬件代碼。

3 云服務(wù)商的選擇

blinker作為云服務(wù)商，不但提供服務(wù)器，并且提供豐富且完整的arduino庫文件，使用其提供的arduino庫文件結(jié)合arduinoSDK進(jìn)行開發(fā)，調(diào)用接口非常方便。其基礎(chǔ)架構(gòu)如圖3所示。

4 OLED屏幕圖形庫字庫的選擇

選用U8g2 oled庫為oled顯示器提供字庫圖形庫顯示中文及符號。因?yàn)閒lash空間不足，需創(chuàng)建自己要用的字庫文件，大致分為以下幾步：創(chuàng)建map文件，它的坐標(biāo)就是16進(jìn)制的unicode碼，將所需文字和符號轉(zhuǎn)換為unicode碼，選擇字體，通過代碼和工具生成相應(yīng)文字字庫，運(yùn)行批處理程序生成.c文件，在程序里調(diào)用字庫。

5 傳感器模塊的選擇

溫度濕度傳感器選擇DHT11模塊濕度測量范圍在20%～95%，誤差±5%，溫度測量范圍0℃～50℃，誤差±2℃。

土壤濕度傳感器采用加寬鍍鎳處理的感應(yīng)器，可提高導(dǎo)電性能和解決與土壤接觸導(dǎo)致生銹的問題延長使用壽命，比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定。

人體紅外感應(yīng)模塊選用HC-SR501，使用LH1788探頭，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，可以低電壓工作。此模塊還裝有菲涅爾光學(xué)透鏡，可有效增加檢測范圍，檢測范圍可達(dá)120°，7m。

6 機(jī)械模塊選擇與參數(shù)設(shè)置

由于部分部件需要精準(zhǔn)控制，所以采用2相四線步進(jìn)電機(jī)作為動力來源，步進(jìn)電機(jī)安裝絲桿后脈沖數(shù)計算公式為（步每圈×微步）/毫米每圈；步每圈就是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的全部脈沖數(shù)，微步就是驅(qū)動選擇的細(xì)分?jǐn)?shù)，毫米每圈是步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿轉(zhuǎn)一圈滑塊所前進(jìn)的距離。

7 結(jié)束語

本文大體介紹了采用物聯(lián)網(wǎng)芯片打造智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)使用目前較為先進(jìn)的云平臺承載信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備部署地的溫濕度屏幕顯示和APP端顯示，通過APP可查詢數(shù)據(jù)變化趨勢，直觀了解設(shè)備所處環(huán)境信息。并能控制機(jī)械設(shè)備進(jìn)行環(huán)境調(diào)控。

簡略分析了目前智能家居的痛點(diǎn)，提出其解決方法。介紹物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的意義，對部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法和流程進(jìn)行簡要分析。簡單介紹云端服務(wù)實(shí)現(xiàn)方式和基礎(chǔ)架構(gòu)，說明了傳感器的選擇和部分機(jī)械部件的設(shè)置方法，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測，花卉控溫控濕的的功能，主要包括硬件的搭建，云服務(wù)的鏈接，APP數(shù)據(jù)顯示和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

通過調(diào)試測試，設(shè)備可以穩(wěn)定的進(jìn)行工作，監(jiān)測準(zhǔn)確度高，反應(yīng)快。可以更智能更美好的享受生活。