基于無線通信的智能家居設(shè)計(jì)

鄧懷俊，柳琳娜，張忠禺，史世陽

(中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院，河南 鄭州 451191)

0 引言

隨著德國(guó)工業(yè)4.0的提出，智能化逐漸成為生產(chǎn)方式的主導(dǎo)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能的結(jié)合為各行各業(yè)提供了一種制造方式[1-3]。此外，伴隨著我國(guó)進(jìn)入新時(shí)代，人們對(duì)家庭居住環(huán)境的要求也逐漸提高，人們期待一種舒適化、安全化、智能化的家居環(huán)境。因此，智能家居在近些年快速發(fā)展，并且有了一定的成就，但同時(shí)也造成了智能家居系統(tǒng)良莠不齊、無法兼容等問題[4-5]。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速崛起的今天，智能家居的要求也越來越高，其信息化程度也越來越深，但其最終朝向一定會(huì)是為了用戶居住的安全與方便兩大核心來設(shè)計(jì)[6]。本文通過中國(guó)移動(dòng)提供的云平臺(tái)，結(jié)合SM32 開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款基于云平臺(tái)的無線智能家居系統(tǒng)[7-9]，在智能家居創(chuàng)新領(lǐng)域提出了一種新的探討方案。

1 系統(tǒng)概述

本文所提出的智能家居系統(tǒng)在無線通信的基礎(chǔ)上，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種設(shè)備連接到一起。相對(duì)于大多數(shù)廠家采用有線通信的方式，布線復(fù)雜、造價(jià)高且不便于用戶布置，本設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單、靈活的布線方式，且制造成本低，方便用戶使用。

智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包含云平臺(tái)、通信節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)與主控制器[10]。其中控制節(jié)點(diǎn)主要有家庭電視、空調(diào)、門窗、照明、報(bào)警等常用設(shè)備；傳感節(jié)點(diǎn)主要由煙霧、光照、火焰、溫濕度等傳感器件組成；路由節(jié)點(diǎn)與通信節(jié)點(diǎn)采用無線Wi-Fi 收發(fā)數(shù)據(jù)，主控制器把接收到的數(shù)據(jù)處理后上傳到云平臺(tái)，最后由云平臺(tái)把信息推送給用戶APP端和PC 端。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，采用STM32 開發(fā)平臺(tái)作為系統(tǒng)的核心控制，以中國(guó)移動(dòng)提供的云平臺(tái)并結(jié)合無線通信Wi-Fi 技術(shù)作為通信媒介，在傳感節(jié)點(diǎn)方面主要采用溫濕度、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒐饷魝鞲衅鳌熿F傳感器等器件實(shí)時(shí)采集家庭環(huán)境信息，并通過顯示設(shè)備顯示相關(guān)數(shù)據(jù)；同時(shí)，系統(tǒng)通過多路繼電器來控制并聯(lián)動(dòng)家庭設(shè)備，其系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103 芯片作為主控制器，其最小系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路、晶振電路組成。對(duì)復(fù)位電路而言，如圖3 所示，系統(tǒng)上電時(shí)，由于電容的存在，NRST 處為低電平，當(dāng)電容充滿電后，復(fù)位引腳(NRST)處為高電平，系統(tǒng)正常工作，當(dāng)按鍵按下后，該引腳接地，系統(tǒng)形成手動(dòng)復(fù)位。對(duì)晶振電路而言，可切換內(nèi)外部晶振，系統(tǒng)外接8 MHz的晶振和32.768 kHz 晶振，系統(tǒng)最高倍頻到72 MHz。

圖3 系統(tǒng)復(fù)位圖

2.2 部分硬件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)硬件設(shè)備比較復(fù)雜，數(shù)量較多，本文只對(duì)部分硬件進(jìn)行介紹。在顯示終端，采用IIC 協(xié)議的硬件設(shè)計(jì)方式，這種設(shè)計(jì)方式相對(duì)SPI 協(xié)議的設(shè)計(jì)減少了系統(tǒng)通用IO 口，節(jié)約硬件資源；在控制終端，考慮到系統(tǒng)工作電壓與繼電器等硬件設(shè)備的工作電壓不一致的問題，通過LM393 芯片設(shè)計(jì)了一款電平轉(zhuǎn)換器，從而解決設(shè)備之間電平不一致導(dǎo)致的誤判現(xiàn)象；在傳感終端，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都保留直接輸出(0-1)和模擬輸出接口，方便系統(tǒng)調(diào)用；在傳輸終端，選擇ATK-ESP8266 型號(hào)的Wi-Fi 模塊，其傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，只需要保留兩個(gè)數(shù)據(jù)接口和兩個(gè)電源接口即可工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，主要分為感知層的傳感器信息采集、網(wǎng)絡(luò)層的信息傳輸、應(yīng)用層的多路繼電器控制與數(shù)據(jù)顯示，最后對(duì)系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)通過歸一化算法進(jìn)行處理，對(duì)異常數(shù)據(jù)作報(bào)警處理。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)上，首先對(duì)系統(tǒng)用到的傳感器模塊、顯示模塊、控制模塊、通信模塊等進(jìn)行初始化工作，待初始化工作完成后與云平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，當(dāng)連接到云平臺(tái)后，系統(tǒng)把感知層的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)并進(jìn)行判斷，若異常系統(tǒng)便啟動(dòng)報(bào)警功能，同時(shí)用戶可通過云平臺(tái)下發(fā)命令，控制家庭設(shè)備，并實(shí)時(shí)上傳家庭設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 Wi-Fi 傳輸設(shè)計(jì)

在無線通信節(jié)點(diǎn)，主要是對(duì)Wi-Fi 模塊進(jìn)行相關(guān)模式初始化設(shè)置[11]，各項(xiàng)設(shè)置完成后，與云平臺(tái)建立TCP連接。當(dāng)系統(tǒng)連接到云平臺(tái)后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳與命令下發(fā)等操作。其軟件框圖如圖5 所示。

圖5 Wi-Fi 軟件設(shè)計(jì)框圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

完成對(duì)監(jiān)控信息的采集后，對(duì)采集的信息作預(yù)處理并分類，最后對(duì)處理后的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，推算出最適合的處理手段，通過云臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)給用戶[12]。針對(duì)智能家居多樣性的特點(diǎn)，采用直接化和歸一化的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

利用MATLAB 軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，用圖形表示各種類型的數(shù)據(jù)，其中正常區(qū)間的數(shù)據(jù)用方塊來表示，異常區(qū)間數(shù)據(jù)用實(shí)心圓表示，如圖6、圖7 所示，可以直觀地看出采集到的數(shù)據(jù)大小以及是否異常。

圖6 溫度仿真圖

圖7 濕度仿真圖

同時(shí)為確保異常信息能夠被監(jiān)控并推送給用戶，在系統(tǒng)內(nèi)部，通過歸一化算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過式(1)體現(xiàn)。

式中，Pnorm是歸一化后的信息數(shù)據(jù)，Pmax和Pmin是規(guī)定的信息區(qū)間的最大值和最小值。系統(tǒng)通過歸一化算法分析，把正常或安全區(qū)間的數(shù)據(jù)歸一化在0～1的區(qū)間，對(duì)區(qū)間外數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)報(bào)警設(shè)備，通過歸一化算法不僅利于系統(tǒng)判別，而且保證安全監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

通過MATLAB 對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控到的數(shù)據(jù)歸一化處理，得到如圖8、圖9 所示。

圖8 歸一化溫度曲線圖

圖9 歸一化濕度曲線圖

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

通過軟件、硬件、云平臺(tái)相結(jié)合的方式，最終設(shè)計(jì)出一款無線通信的智能家居模型，其監(jiān)測(cè)到的部分?jǐn)?shù)據(jù)流如圖10～圖12 所示,其中橫坐標(biāo)代表數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)，縱坐標(biāo)代表采集到的數(shù)據(jù)大小。

圖10 云臺(tái)濕度曲線圖

圖11 云臺(tái)窗簾正向控制曲線圖

圖12 云臺(tái)可燃?xì)怏w曲線圖

為方便用戶直觀地查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行控制，通過對(duì)終端顯示頁面進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化等操作[13-15]，創(chuàng)作出如圖13 所示的部分操作界面，用戶可直接登錄APP 端或PC 端查看室內(nèi)傳感數(shù)據(jù)并控制相關(guān)設(shè)備。

圖13 云臺(tái)操作端總體圖

5 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了一款基于無線通信的智能家居系統(tǒng)，可在系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)傳感信息歸一化分析，對(duì)異常信息可聯(lián)動(dòng)報(bào)警設(shè)備；在云平臺(tái)端，用戶能夠?qū)崟r(shí)查看并控制家庭設(shè)備。本設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)家居模型，系統(tǒng)采用UART+Wi-Fi 兩種通信方式，解決了有線通信的各種問題。此外，系統(tǒng)在任何能夠聯(lián)網(wǎng)的位置均可工作，實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，且系統(tǒng)小巧、穩(wěn)定，方便用戶布置，為人們有一個(gè)舒適、安全的居住環(huán)境提供了一種可能性。