基于ESP8266與機智云的物聯(lián)網智能家居

管嘉誠，李曉烽，黃志芳，吳培煒，蘇妙燕

（嘉應學院，廣東 梅州 514015）

0 引 言

傳統(tǒng)家電產品性能已發(fā)展到極限，難有大幅度上升。傳統(tǒng)家電行業(yè)急需創(chuàng)新產品，時下最熱門的人工智能便成了行業(yè)突破口。因此，智能家居成為了家電大廠和互聯(lián)網巨頭的必爭紅海[1]。隨著智能家居相關技術的不斷成熟與發(fā)展，智能家居系統(tǒng)的發(fā)展前景將更加廣闊。移動互聯(lián)技術在智能家居系統(tǒng)中扮演著重要角色，能夠有效地對家居環(huán)境進行遠程監(jiān)控和管理，對智能家居系統(tǒng)設計有著至關重要的作用。因此研發(fā)出一套價格適合、穩(wěn)定性高的智能云家居顯得非常緊迫和重要。

本文設計的智能云家居系統(tǒng)能夠將傳感器采集到的信息通過ESP8266傳輸到機智云物聯(lián)網平臺的服務器，再通過智能手表對其進行遠程監(jiān)控和管理。本系統(tǒng)采用的傳感器較為常見且價格低廉，配件來源廣且精準度高，可擴張且移植性強，從而降低了硬件成本，大幅提高了產品的性價比[2]。

1 系統(tǒng)的硬件組成結構

本系統(tǒng)第一部分硬件結構如圖1所示，它以STM32F103ZET6單片機作為核心，搭載溫濕度傳感器、氣體傳感器、光強傳感器、煙霧傳感器、繼電器、電機，并將ESP8266作為數據云傳輸的通信模塊等。

圖1 硬件系統(tǒng)框架

為了使系統(tǒng)數據傳輸更加穩(wěn)定可靠，本系統(tǒng)采用了意法半導體的STM32F103ZET6微控制器。此款微控制器主頻能達到72 MHz，擁有4通道PWM、13個通信接口和16位定時器等資源，能夠滿足本設計的要求[3]。

本系統(tǒng)第二部分硬件結構實物如圖2所示。WT-32-SC01是一款以ESP32為核心的可視化觸摸屏，采用這塊開發(fā)板作為智能手表的核心，通過連接機智云平臺對家居進行遠程監(jiān)控和管理。

圖2 WT-32-SC01實物

ESP32是樂鑫公司的一款產品，它集成了電源管理、功率放大、RF balun、濾波器、接收低噪聲器等于一體，可以實現強大的處理性能和WiFi功能。

1.1 智能家居數據云傳輸

本系統(tǒng)的數據云傳輸功能采用的是樂鑫公司的ESP8266，它自成體系又有完整WiFi網絡解決方案。ESP8266在AP模式下能夠接入無線服務，例如路由器等，從而與機智云的云端互聯(lián)。本系統(tǒng)的主控芯片會將采集到的各種信息分析處理后，通過ESP8266傳輸到機智云的云平臺上[4]。

1.2 智能手表遠程監(jiān)控

本系統(tǒng)設計的智能手表采用ESP32作為核心，在ESP32的STA模式下連接到路由器上，進而連接到移動互聯(lián)網；通過訪問機智云云端的IP地址，讀取智能家居在云端存儲的各項信息，實時反饋顯示到智能手表上，以達到遠程監(jiān)控的目的。智能手表監(jiān)控端如圖3所示。

圖3 智能手表監(jiān)控端

1.3 智能手表遠程管理功能

本系統(tǒng)的智能家居在正常運行時，可以通過智能手表上的觸摸屏對智能家居進行遠程管理。通過觸控顯示屏，智能手表會將命令實時反饋到機智云平臺上，智能云家居會讀取機智云的命令，進行自檢并執(zhí)行命令。例如，遠程開啟電風扇和LED照明燈等[5]。

1.4 智能家居智能調節(jié)

本系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下會開啟智能調節(jié)功能。該系統(tǒng)利用溫濕度傳感器檢測室內的溫濕度，當溫度超過所設定的閾值時，系統(tǒng)將會自動打開風扇，對室內進行降溫；當室內二氧化碳濃度達到閾值時，繼電器將驅動排氣扇，進行通風換氣；當光照強度低于所設定的閾值時，自動點亮LED照明燈；當室內產生大量的一氧化碳時，系統(tǒng)將會報警并通風，排盡室內的一氧化碳。智能調節(jié)的所有閾值均可根據情況調整[6]。

2 軟件設計與實現

2.1 智能云家居系統(tǒng)采集數據

本系統(tǒng)的單片機會對各個傳感器進行初始化，傳感器將采集到的溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度、一氧化碳濃度等信息傳輸到主控芯片上，主控芯片會對接收到的數據進行分析處理并等待發(fā)送。智能云家居數據采集流程如圖4所示。

圖4 智能云家居數據采集流程

2.2 智能云家居數據云傳輸

主控芯片通過定時器設定好每次發(fā)送數據的時間間隔，可有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。主控芯片將處理好的數據通過ESP8266連接互聯(lián)網再傳輸到機智云平臺。智能云家居數據云傳輸流程[7]如圖5所示。

圖5 智能云家居數據云傳輸流程

2.3 智能手表遠程監(jiān)控

智能手表通過接入移動互聯(lián)網進而讀取機智云平臺的數據，手表端的主控芯片ESP32將數據實時顯示在觸控屏上[8]。智能手表端顯示數據流程如圖6所示。

圖6 智能手表端顯示數據流程

2.4 智能手表遠程管理

通過觸控屏的觸摸反饋，ESP32實時將命令傳輸到機智云平臺，最后再傳輸給智能云家居系統(tǒng)。智能手表端觸摸反饋發(fā)送命令流程如圖7所示。

圖7 智能手表端觸摸反饋發(fā)送命令

2.5 智能調節(jié)

本系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下自動開啟調節(jié)系統(tǒng)，主控芯片通過分析各個傳感器傳輸的數據，判斷各個狀態(tài)是否處于閾值中，進行智能調節(jié)。智能調節(jié)流程如圖8所示。

圖8智能調節(jié)流程

3 實驗結果

系統(tǒng)實物如圖9所示。對系統(tǒng)進行硬件和軟件測試，本系統(tǒng)采用沙盤建筑為載體，將各個功能模塊固定在沙盤建筑的各個位置上，通過智能云家居數據采集系統(tǒng)測試、數據云傳輸測試、智能手表遠程監(jiān)控測試、智能手機遠程管理測試、智能云家居智能調節(jié)測試，證明系統(tǒng)均能夠正常運行[9]。智能手表遠程實時顯示“正常啟動”，與智能家居采集到的數據一致，系統(tǒng)的響應時間約為1 s。系統(tǒng)對溫濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度超過閾值的處理誤差為1%～5%，符合設計要求[10]。

圖9 智能家居實物

4 結 語

我國老齡化現象嚴重，面對這一問題，需要把年輕人從繁瑣復雜、高重復率的日常家務中解放出來，讓他們專注更有價值、更具創(chuàng)造性的事務。本文研究開發(fā)的智能云家居系統(tǒng)可安裝于絕大多數家庭的家居中，具有可擴張性高、穩(wěn)定性強、性價比高等優(yōu)點，能夠有效提高人們的生活品質。

本文方案還可以從以下方面進行優(yōu)化：優(yōu)化數據傳輸系統(tǒng)，降低數據延遲時間，使之能夠更快地在智能手表上實現顯示數據；增加手機APP遠程監(jiān)控管理功能，目前智能手機的使用率很高，是不錯的遠程監(jiān)控管理平臺。