基于阿里云的智能家居系統設計與應用

惠云HUI Yun；白偉BAI Wei

（寧夏師范學院數學與計算機科學學院，固原 756000）

0 引言

智能家居運用物聯網技術，將相關電子設備整合進行高效管理，實現智慧生活。智能家居概念于20 世紀70 年代提出，受限于當時技術只存在于科幻小說、電影中，實物從未推出。中國智能家居發展起步較晚，2000 年至2005年，深圳率先開始了智能家居實體設備的生產及銷售，面向高檔社區，普通民眾無相關概念與體驗，且技術單一、體驗度不高。2006 年至2010 年，隨著研發資金的不斷投入，智能家居整體技術與市場體系日趨完善，國內的眾多企業開始研發智能家居系統，其中以清華同方的E-Home 和海爾集團旗下的U-Home 為典型代表。2011 年以后，隨著IT、電子、5G 通信技術的進步以及國內政策大力扶持，產品設計研發與生產逐步走向產業化，智能家居徹底開始普及，智能家市場規模進一步擴大，進入高速發展期，擁有廣闊發展前景。讓住戶真正體驗到的智慧生活所帶來的品質與便捷。

本文設計了基于阿里云物聯網平臺智能家居系統，分硬件系統與軟件系統[1]。硬件系統設計原則單個模塊既能獨立運行又能組網聯動，網絡穩定可靠，能適應各種極端狀況，例如突發停電、網絡不通等，保證局部故障不影響整體使用，能迅速排查出故障便于維護。軟件系統設計原則操作界面簡潔、快捷、高集成性，可選擇預設場景或自定義使用場景，住戶在不需要改變傳統使用習慣的同時又能體驗智慧聯網控制帶來的智能生活體驗。整體運行模式如圖1 所示。

圖1 阿里云智能家居系統運行模式

1 硬件系統

主要硬件由七大模塊。

①主板模塊。核心主板能夠連接所有控制單元，并實現相應功能，保證各個模塊運行正常。可接入存儲設備，支持影像、聲音等數據的本地存儲且同步上傳云系統。主板選擇Arduino UNO，核心參數如表1 所示。

表1 Arduino UNO 核心參數

②電路控制模塊。室內照明、電器、能實現遠程控制、定時或延時開關，可編輯使用場景對光照時間、亮度家電使用等實現個性化設置。每個社會有單獨線路，保證網絡癱瘓后能獨立運行，不影響、不改變住戶傳統使用習慣。

SRL-12/16A 智能控制模塊支持內網/外網路由拓展、藍牙、4G、WIFI 通信，隨時能對回路進行定時、控制、編程，支持電能質量監測，真正實現能效管理。每回路獨立按鈕開關0～2000 毫秒可調延時控制、每回路4 組獨立時控。根據光線明暗、用戶是否在家可自動開關燈。觸發消防聯動時強制全開或全關掉電記憶，再來電后狀態可設置全開聯動。同時也可以通過外部信號強制開啟全部回路，根據使用場景設置相應模式。

③環境監測模塊。對室內環境數據進行采集，主要有溫濕度傳感器、氣體傳感器等。傳感器將采集數據傳遞給控制單元進行數據處理，并同步上傳云平臺。當室內環境出現異常時，蜂鳴器及警示燈會發出警報，并通絡網絡傳輸云平臺，云平臺通過APP 實時推送給住戶，以便做出及時響應。

DHT11 傳感器是溫濕度復合傳感器,利用紅外模塊遙控感知外界溫濕度變化，可靠性、穩定性高。室內氣體檢測可選擇MQ2-9/135 模塊。其中MQ2-9 傳感器可檢測煙霧氣、酒精、甲烷、液化天然煤氣、異丁烷丙烷、一氧化碳、氫氣等氣體，MQ-135 可進行常規空氣氧含量檢測等。

④視頻監控模塊。室內可根據需求安裝多路視頻監控，主控系統可實時查看畫面，并將數據保存在本地存儲，并同步于云系統存儲中。

ESP32-S2 模塊，是小尺寸的攝像頭模組，尺寸僅為27*40.5*4.5mm，深度睡眠電流最低達到6mA。采用了DIP封裝，可直接接入Arduino UNO 主板，實現多場合使用。

⑤智能門禁模塊。強調高安全性，鎖體需機電一體化，電機內嵌于鎖體中，非外置式背包電機，提高安全性的同時響應速度更快、更靜音、更穩定，延長使用壽命。需內置防拆感應器，撬動門鎖能發出警報，堅固耐摔，工作溫度-20 到60 度。低電量提醒，支持USB 充電、機械鑰匙解鎖等。

軟件方面支持WIFI，支持密碼、遠程授權臨時密碼（可設置有效時間）、指紋、等解鎖方式。開關門時，上鎖未到位，會立即發出語音提醒。手機App 能查看剩余電量，能推送開門、警報等消息，可隨時查看操作記錄等，住戶可自行決定安裝款式。

⑥網絡傳輸模塊。須保證網絡數據傳輸的穩定性與速度[2]。Esp8266 是面向物聯網應用的高性價比、高集成度的Wi-Fi MCU，工作溫度范圍大，運行穩定能適應各種操作環境。內置TCP/IP 協議，支持Wi-Fi 網絡連接，具有GP10、PWM、12C、1-Wire、ADC 等功能，結合Node MCU可快速一鍵配網（smartConfig）。

⑦語音識別控制模塊。語音經過識別合成后，轉換成二進制碼下發給電路控制器，進行設備識別與控制。語音控制系統大大降低了智能家居系統的使用門檻，任何手動操作都無法與智能語音識別控制比擬。智能語音設備極易受到環境干擾，尤其嘈雜、有回音或者有其他聲音干擾時，會影響智能語音設備工作穩定性。特別是中國方言、口音、同義詞、近音詞眾多，使得語音識別變得困難。

語音識別與控制模塊采用ASR-M09C。該模塊支持用戶自行修改喚醒詞，可識別詞條、播報音、音樂等，用戶可不限次數修改。使用簡單，適合零基礎開發者，通過串口進行數據傳輸，適合做人機交互開發實驗，兼容C51、STM32、Arduino、Microbit 等平臺。板載LD3320 非特定人語音識別芯片，識別率高。支持連續對話、喚醒及按鍵模式，最多可設置50 組識別詞條，單個詞條長達79 個字符。采用最簡單的TTL 串口輸出，使得應用范圍大大增強。內置高品質MP3 解碼芯片，可實時播報，內置USB 讀卡功能，支持32GB 以內的TF 卡，可與Arduino UNO 搭配使用，系統穩定可靠。

對上述七個模塊安裝，搭建的實物模型如圖2 所示。

圖2 智能家居實物模型

2 軟件系統

由本地軟件平臺與阿里云物聯網平臺組成。

2.1 本地軟件平臺

本地系統是基于Arduino UNO 主板的Arduino IDE開發平臺。Arduino 語言基于wiring 語言開發[3]，對于初學者來說，只需要掌握基本的單片機、編程知識，就可快速設計開發。支持Windows、Mac OS、Linux，Arduino 的硬件原理圖、電路圖、IDE 軟件及核心庫文件開源，在開源協議范圍內里可任意修改原始設計及相應代碼。

越來越多的軟件開發者使用Arduino 進入硬件、物聯網等開發領域，已成為物聯網開發的主要趨勢之一[4]。開發者只需關注創意與實現，不再需要浪費大量時間在底層物理硬件邏輯上，從根本上提高項目開發效率，節約成本，大大縮短了開發周期。且應用領域廣泛，醫療、交通、藝術等行業也紛紛進入研究。

將上述模塊全部連接到Arduino UNO 主板，Arduino IDE 平臺可正常檢測到后，就可進行編程。以溫濕度DHT11 傳感器為例編寫核心代碼如圖3 所示。

圖3 DHT11 代碼舉例

2.2 阿里云物聯網平臺

阿里云以飛天云操作系統為核心，建立了自研芯片、服務器、計算、存儲、網絡等軟硬一體的新型計算體系架構，“飛天”是中國唯一自研云操作系統，能將全球的數百萬服務器連接成一臺超級計算機，單集群規模突破10 萬臺。阿里云物聯網平臺提供安全可靠的設備連接通信能力，支持設備數據采集上云，規則引擎流轉數據和云端數據下發設備端。此外，也提供方便快捷的設備管理能力，支持物模型定義，數據結構化存儲，和遠程調試、監控、運維。

使用云平臺，需完成設備端設備變成、云端服務器SDK 配置、數據庫創建、手機App 開發等[5]。本地設備通過MQTT 協議與物聯網平臺建立長連接，上報數據（通過Publish 發布Topic 和Payload）到物聯網平臺。通過AMQP消費組，將設備消息流轉到個人業務服務器上。通過物聯網平臺的云產品流轉功能，處理設備上報數據，將處理后的數據轉發到RDS、表格存儲、函數計算、TSDB、企業版實例內的時序數據存儲、DataHub、消息隊列RocketMQ 等云產品中，進行存儲和處理[6]。通過業務應用下發指令，使業務服務器調用基于HTTPS協議的API 接口Pub，給Topic發送指令，將數據發送到物聯網平臺。

①設備創建與管理。

登錄阿里云物聯網平臺。在實例概覽頁左側導航欄中，選擇設備管理產品，單擊創建產品。在新建產品頁面，配置參數后，單擊確認。設備證書由ProductKey、DeviceName、DeviceSecret 三部分組成，這是平臺進行通信的重要身份認證[6]。單擊發布上線按鈕后，該設備就上線了。重復上述步驟可完成所有設備、模塊添加。

②Web 設計與開發。

所有設備創建完成后，下一步在阿里云APP 開發Web 應用程序，添加按鈕連接到相應設備，調試配置相關參數，保證功能正確。設置后好與本地Arduino IDE 程序對接，實現同步。部分操作界面如圖4 所示。

圖4 智能家居APP 操作界面

3 系統測試

將所有硬件、軟件連接設置好后，開始系統測試。

①設備上線測試。檢測所有模塊物理安裝是否正確，連接信號能否正常傳輸。首先在本地Arduino IDE 開發平臺上檢測所有硬件是否全部在線[7]，尤其是單個模塊上附加的擴展控制模塊。本地硬件檢測全部正常后，測試軟件設置是否正確。登錄阿里云物聯網平臺，確認云端看到所有設備、主模塊、子模塊在線。②設備功能測試。檢測所有模塊是否工作正常，本地及云端指令能夠發出，實現正確功能，避免出現“張冠李戴”現象，尤其附加模塊與主模塊功能設置沖突問題，須避免。③智能家居環境異常測試。異常操作門禁系統、異常煙霧、溫度、氣體出現時，本地是否報警、數據是否上傳云端，手機APP 是否接收到數據并及時推送消息。特別是發生火災時能否聯動報警，避免出現更大損失。④阿里云平臺數據測試。上傳的數據是否正確保存，能瀏覽各模塊歷史數據。數據下發與上傳時，能正確接收，并實現同步。特別是設備管理控制數據與本地設備管理數據須保持一致。⑤語音控制測試。語音識別的穩定性和正確率直接影響到使用體驗。要對安靜、嘈雜等環境分別測試，語音控制命令能否正確控制相關設備、實現相應功能。完成測試后，形成標準的模型對比庫，優化語音識別。尤其ASR-M09C 語音識別控制模塊加載了WEGASUN 2560，需要測試離線語音識別與控制，保證網絡癱瘓的情況下，能正常識別語音。因此Arduino 中的每個關鍵詞要逐一測試。另外還要測試語音模塊與控制燈光、空調調溫、電視調臺、風扇風量、無線插座的聯網聯動功能，保證每項功能正常使用。⑥整體優化與安全測試。硬件系統與軟件系統完成基本功能測試后，要對整體系統進行優化測試。例如硬件方面過流保護、過壓保護、防反接保護，軟件方面單模塊內代碼優化，多模塊聯動代碼調測等。避免出現回路、邏輯錯誤等，保證系統的效率、穩定、安全性。其他例如單個模塊電路、功能、數據傳輸、特殊功能等測試不再贅述。

4 總結

本文依托Arduino，通過各種傳感器模塊的整合，完成智能家居的整體設計。軟件選擇云平臺最大的優勢是付費即使用，阿里云實現數據備份、數據庫配置、系統維護等，用戶完全不用擔心數據丟失等問題，只要網絡暢通就可訪問，用智慧家居如同用水、用電一樣，真正實現云應用、智享生活。