基于點(diǎn)燈科技的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張桂蓮 石宜金 譚貴生 戴志超 魏文文

摘? 要：隨著科技的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用愈加廣泛，涌現(xiàn)出越來(lái)越先進(jìn)的智能設(shè)備。智慧農(nóng)業(yè)、智能家居就是智能設(shè)備最好的體現(xiàn)。文章提出并設(shè)計(jì)一種基于點(diǎn)燈blinker、AVR單片機(jī)、Esp8266的智能家居控制系統(tǒng)。使用Arduino控制傳感器采集數(shù)據(jù)并通過(guò)Esp8266將數(shù)據(jù)上傳至云端。用戶可借助手機(jī)查看數(shù)據(jù)、下發(fā)指令并通過(guò)云服務(wù)器和Arduino控制臺(tái)控制家居設(shè)備。實(shí)踐證明，智能家居可提供全方位的信息交互，實(shí)現(xiàn)了方便快捷、節(jié)能環(huán)保的目的。

關(guān)鍵詞：智能家居；云平臺(tái)；Blinker；傳感器；AVR

中圖分類號(hào)：TP399? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0185-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， the application of the Internet of Things has become more and more extensive， and more and more advanced intelligent devices have emerged. Smart agriculture and smart home are the best embodiment of smart devices. This paper proposes and designs a smart home control system based on lighting blinker， AVR single-chip microcomputer and Esp8266. It uses Arduino to control the sensor to collect data and upload the data to the cloud through Esp8266. Users can view data， issue instructions and control home devices through the cloud server and Arduino console with mobile phones. Practice has proved that smart home can provide all-round information interaction and achieve the purpose of convenience， energy conservation and environmental protection.

Keywords： smart home; cloud platform; Blinker; sensor; AVR

0? 引? 言

智能家居屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用比較廣泛的領(lǐng)域，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在一定程度上推動(dòng)了智能家居行業(yè)的發(fā)展。連接感知層和應(yīng)用層的重要媒介就是網(wǎng)絡(luò)層，它更像是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心。物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與物體之間的可控連接，連接方式有局域連接和廣域連接。云平臺(tái)的興起離不開(kāi)智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的搭建，物聯(lián)網(wǎng)智能家居可謂互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的必然產(chǎn)物，主要以智能單品為主。智能設(shè)備具有獨(dú)立的物理地址，基于云平臺(tái)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的激活與鑒權(quán)，利用計(jì)算機(jī)、手機(jī)APP等也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展一定程度上改變了人們的生活方式，智能交通、智慧農(nóng)業(yè)、智能物流、電子支付等各個(gè)領(lǐng)域都有物聯(lián)網(wǎng)的身影。在各種智能技術(shù)的充斥下，通過(guò)語(yǔ)音來(lái)控制家庭設(shè)備就顯得尤為重要。通過(guò)接入第三方應(yīng)用平臺(tái)，由自己配置指令，并結(jié)合米家智能音箱的使用，同樣可以按照需求對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行控制和管理，大大節(jié)省了人們手動(dòng)操作的時(shí)間，提高了人們的生活質(zhì)量，符合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能化發(fā)展理念。

文獻(xiàn)[1]提出了基于OneNET云平臺(tái)的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，控制芯片使用的是STM32，集成有OpenMV視覺(jué)模塊實(shí)現(xiàn)了人臉檢測(cè)。文獻(xiàn)[2]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制部分采用的是ESP32單片機(jī)。文獻(xiàn)[3]提出了基于樹(shù)莓派和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以樹(shù)莓派為主控中心，傳感器通過(guò)Wi-Fi連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。文獻(xiàn)[4]提出了基于ZigBee和Wi-Fi深度結(jié)合的智能家居控制系統(tǒng)，以STM32單片機(jī)為核心，把數(shù)據(jù)連接到OneNET云平臺(tái)，結(jié)合ZigBee和Wi-Fi通信組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家電控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

綜上所述，本文提出基于點(diǎn)燈科技的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)所用的硬件模塊主要有Esp8266和UNO主控板以及小愛(ài)音箱、1602LCD、OLED屏幕、5 V風(fēng)扇、繼電器、MQ-5傳感器、光敏電阻、步進(jìn)電機(jī)、有源蜂鳴器、若干電源等。所用的軟件有Blinker和Arduino IDE。用戶隨時(shí)隨地可以通過(guò)手機(jī)客戶端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。本系統(tǒng)主要采用云服務(wù)器平臺(tái)+單片機(jī)+無(wú)線通信技術(shù)+移動(dòng)智能終端的新型物聯(lián)架構(gòu)。其目標(biāo)為：

1）比較各類云平臺(tái)服務(wù)器，選擇合適的云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的服務(wù)器。

2）掌握各種傳感器采集數(shù)據(jù)的方法。

3）研究如何通過(guò)手機(jī)APP來(lái)控制設(shè)備。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由四大功能模塊組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、遠(yuǎn)程操控和語(yǔ)音控制、自動(dòng)調(diào)控和報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集屬于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的最底層，主要由各類傳感器（如光敏傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、語(yǔ)音傳感器等）來(lái)完成。

2）數(shù)據(jù)上傳。也稱為數(shù)據(jù)傳輸，是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的中間層。本系統(tǒng)使用Wi-Fi模塊將各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺(tái)，用戶可隨時(shí)登錄云平臺(tái)查看數(shù)據(jù)。

3）遠(yuǎn)程操控和語(yǔ)音控制。本系統(tǒng)主要是利用手機(jī)上的點(diǎn)燈Blinker平臺(tái)，在平臺(tái)中設(shè)置相應(yīng)控件級(jí)，編寫相應(yīng)代碼即可進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，本系統(tǒng)還利用該平臺(tái)連接小米音箱中的小愛(ài)語(yǔ)音助手，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音控制功能。

4）自動(dòng)調(diào)控和報(bào)警。由繼電器、風(fēng)扇、蜂鳴器和傳感器組成，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)達(dá)到所設(shè)定的閾值時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控，使整個(gè)系統(tǒng)具有一定的自動(dòng)調(diào)控能力。

1.2? 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)又稱為單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，具有電源電路、復(fù)位電路、程序下載電路、晶振電路等。單片機(jī)最小系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度采集、可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)以及數(shù)據(jù)顯示的控制核心。本系統(tǒng)中單片機(jī)選擇的是AVR單片機(jī)，芯片采用的是ATmega328P。焊接的最小系統(tǒng)如圖2所示。其中，數(shù)字引腳有14個(gè)，模擬引腳有6個(gè)，使用單片機(jī)最小系統(tǒng)的主要目的是系統(tǒng)資源完全開(kāi)放，配合其他模塊可以實(shí)現(xiàn)任意功能，同時(shí)接口設(shè)計(jì)比較靈活。

1.3? Esp8266電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中Esp8266選用的是Esp12F主控芯片，該芯片處理器具有32位的MCU，主頻在80 MHz到160 MHz之間，具有TCP和IP協(xié)議棧。另外，Esp8266-12F是一塊Wi-Fi模塊，不僅可以獨(dú)立使用，也可以與單片機(jī)最小系統(tǒng)一起使用，從而提高開(kāi)發(fā)效率。在本系統(tǒng)中，通過(guò)USART串口將Esp8266與單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，把單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳輸至Esp8266-12F，再通過(guò)Esp8266連接互聯(lián)網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP端或網(wǎng)頁(yè)端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的檢測(cè)和控制。

Esp8266-12F模塊支持STA、AP、STA+AP三種工作模式。本文采用的STA+AP模式，既可以通過(guò)路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。Esp8266-12F中主要使用RX和TX進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)物圖如圖3所示。

1.4? 窗簾設(shè)計(jì)

在模擬智能家居系統(tǒng)中，窗簾需要根據(jù)參數(shù)設(shè)定成為能夠自我控制的電動(dòng)窗簾，通過(guò)在窗簾上安裝步進(jìn)電機(jī)及相關(guān)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的開(kāi)關(guān)、狀態(tài)檢測(cè)等功能。傳感器節(jié)點(diǎn)屬于感知層，當(dāng)采集到窗簾的狀態(tài)時(shí)就會(huì)觸發(fā)電機(jī)并進(jìn)行指令操作。智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備處于接入層，與窗簾上的傳感器進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP端，再將命令下發(fā)到傳感器節(jié)點(diǎn)。本文是基于阿里云公有云服務(wù)端而設(shè)計(jì)的，手機(jī)、電腦、平板都屬于應(yīng)用層。通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)連接訪問(wèn)服務(wù)管理平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的控制與檢測(cè)。如圖4所示為窗簾控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。窗簾控制部分主要的設(shè)備是步進(jìn)電機(jī)（四相），若要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，需要連接ULN2003A驅(qū)動(dòng)板。實(shí)物中ULN2003A的ABCD引腳與電機(jī)的ABCD引腳相連，ULAN2003A的1、2、3、4引腳與單片機(jī)的引腳相連，由單片機(jī)引腳的高低電平值控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

1.5? 燈光設(shè)計(jì)

照明燈是模擬智能家居系統(tǒng)中一個(gè)最基本的設(shè)備，它可以控制家里的明亮程度。通過(guò)將燈與傳感器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈狀態(tài)的控制，使一個(gè)普通的LED燈或燈帶具有遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、無(wú)極調(diào)光、狀態(tài)匯報(bào)等功能。燈光系統(tǒng)的控制框架如圖5所示。傳感器節(jié)點(diǎn)與LED燈相連，位于感知控制層，手機(jī)APP端屬于應(yīng)用層，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的檢測(cè)和控制，方便用戶操作。本系統(tǒng)主要使用LED燈和WS2812B燈帶。LED燈有兩個(gè)引腳，分別為“+”和“-”。WS2812B有4個(gè)引腳（VCC、VSS、DIN、DOUT），可以顯示三種顏色（紅、綠、藍(lán)），WS2812b具有級(jí)聯(lián)功能，主要通過(guò)DOUT實(shí)現(xiàn)。

1.6? 可燃?xì)怏w檢測(cè)設(shè)計(jì)

可燃?xì)怏w的濃度關(guān)系到每個(gè)家庭居住環(huán)境的安全，在模擬智能家居設(shè)備中使用了MQ-5的可燃?xì)怏w檢測(cè)模塊。該模塊主要用于檢測(cè)丁烷、甲烷等K可燃性氣體，當(dāng)可燃?xì)怏w的濃度升高時(shí)檢測(cè)的數(shù)值也會(huì)變高并通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，該檢測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭可燃?xì)怏w濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，用戶可登錄網(wǎng)站實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)。如圖6所示為可燃?xì)怏w檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框架圖?？扇?xì)怏w模塊主要包含MQ-5傳感器、蜂鳴器、直流電機(jī)和風(fēng)扇?？扇?xì)怏wMQ-5傳感器有四個(gè)引腳（VCC、GND、DO、AO），工作電壓為5 V，傳感器內(nèi)置2個(gè)LED燈，當(dāng)傳感器工作時(shí)，LED燈亮起。蜂鳴器有兩個(gè)引腳，通過(guò)控制引腳的高低電平來(lái)控制聲音。風(fēng)扇主要由直流電機(jī)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，其中直流電機(jī)有兩個(gè)引腳，一個(gè)為正極，一個(gè)為負(fù)極。若要使可燃?xì)怏w模塊正常運(yùn)行，在與單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行連接時(shí)，確保數(shù)字引腳和模擬引腳接線正確。

1.7? 小愛(ài)音箱設(shè)計(jì)

小愛(ài)音箱的主要功能是實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的控制。本系統(tǒng)首先通過(guò)各參數(shù)和指令的相關(guān)配置，將小愛(ài)mini與點(diǎn)燈Blinker進(jìn)行綁定；然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將Esp8266接入點(diǎn)燈Blinker；最后在客戶端進(jìn)行界面的設(shè)計(jì)和配置，并將相關(guān)程序代碼燒入Esp8266和UNO中。通過(guò)以上步驟小愛(ài)智能音箱就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的語(yǔ)音全控制。

1.8? 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

本文中UNO開(kāi)發(fā)板和Esp8266-12F使用的編程環(huán)境都是Arduino IDE。Arduino IDE是一些電子設(shè)計(jì)方面的愛(ài)好者、創(chuàng)客教育工作者以及專業(yè)人士使用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。諸如OLED、LCD顯示屏之類的一些復(fù)雜元件，溫濕度模塊等就可以通過(guò)調(diào)用庫(kù)文件使用C語(yǔ)言來(lái)編寫程序。

2? 系統(tǒng)集成測(cè)試

本文完成了智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，下面將對(duì)所用到的硬件和開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示為完整系統(tǒng)的成品展示圖。

2.1? 可燃?xì)怏w模塊、蜂鳴器及排氣扇檢測(cè)

可燃?xì)怏w模塊使用的是MQ-5，主要檢測(cè)甲烷等可燃?xì)怏w，使用打火機(jī)進(jìn)行模擬測(cè)試，蜂鳴器的作用是隨著可燃?xì)怏w模塊檢測(cè)數(shù)據(jù)的高低進(jìn)行報(bào)警，開(kāi)發(fā)板也會(huì)自動(dòng)觸發(fā)繼電器驅(qū)動(dòng)排氣扇工作，當(dāng)可燃?xì)怏w達(dá)到安全濃度時(shí)，排氣扇和蜂鳴器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

2.2? 光敏電阻模塊及LCD顯示

光敏電阻為四針式引腳，連接UNO主控開(kāi)發(fā)板，LCD選用的是具有IIC通信的1602藍(lán)屏顯示屏，具有SDL、SCL、VCC、GND四個(gè)控制引腳，連接UNO開(kāi)發(fā)板的電源和數(shù)字引腳。LCD顯示屏主要是實(shí)時(shí)顯示環(huán)境光照強(qiáng)度和可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)。

2.3? 窗簾控制測(cè)試

連接窗簾的電機(jī)使用的是28BYJ4步進(jìn)電機(jī)（四相），同時(shí)使用ULN2003驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，連接Esp8266芯片。窗簾的控制方式有三種：在手機(jī)端控制啟停、根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)啟停、使用小愛(ài)同學(xué)進(jìn)行控制。

2.4? 臥室燈以及WS2812B測(cè)試

使用5 V的LED燈條模擬臥室燈進(jìn)行測(cè)試。氛圍燈使用帶有驅(qū)動(dòng)芯片的WS2812的RGB彩燈，測(cè)試方式是通過(guò)客戶端進(jìn)行控制。

2.5? 客戶端點(diǎn)燈Blinker測(cè)試

手機(jī)控制端使用的是點(diǎn)燈Blinker，這是供物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)者使用的一款軟件。用戶應(yīng)用需要首先注冊(cè)開(kāi)發(fā)板設(shè)備和連接方式，選擇接入阿里云平臺(tái)。通過(guò)自行設(shè)計(jì)模塊，組件和指令匹配，完成手機(jī)端配置?？刂平缑嫒鐖D8所示。

3? 結(jié)? 論

本文系統(tǒng)是基于點(diǎn)燈科技的智能家居控制系統(tǒng)，其融合了點(diǎn)燈科技、Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)以及各類傳感器和常用模塊控制電路。該系統(tǒng)功能齊全，成本較低，硬件電路體積較小，控制可靠，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果表明，從底層的數(shù)據(jù)采集到中層的數(shù)據(jù)傳輸再到上層的數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，整個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)可靠且用時(shí)在規(guī)定的范圍之內(nèi)。目前設(shè)計(jì)的功能能夠滿足智能家居系統(tǒng)的控制要求。在以后的研究工作中會(huì)加入更多的傳感器和智能設(shè)備，實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。

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作者簡(jiǎn)介：張桂蓮（1989.12—），女，白族，云南大理人，講師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)視覺(jué)；通訊作者：石宜金（1985.12—），男，漢族，云南大理人，副教授，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)；譚貴生（1986.10—），男，漢族，重慶人，副教授，碩士，研究方向：人工智能在電力設(shè)備中的應(yīng)用；戴志超（1998.12—），男，漢族，安徽毫州人，軟件工程師，本科，研究方向：軟件開(kāi)發(fā)；魏文文（2001.02—），男，漢族，陜西漢中人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。