基于云平臺的智能家居安防控制系統(tǒng)硬件設計

蔡湘繁，王 丹

（廣東科技學院 機電工程學院，廣東 東莞 523083）

0 引 言

常規(guī)的智能家居控制系統(tǒng)具有硬件電路布線復雜、功耗過大、模塊不易擴展、溫濕度數(shù)據(jù)采集不精確的缺點，本設計基于云平臺的智能家居安防控制系統(tǒng)，能夠自動檢測周圍環(huán)境的動態(tài)數(shù)據(jù)，將所檢測的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)方式傳輸至云平臺，進而發(fā)送到App顯示在手機上，并且實時監(jiān)控變化，一旦檢測到的數(shù)據(jù)超過預先設定的閾值，則會進行用戶所設置的安防功能提醒，隨后通過一系列調(diào)控進行智能家居的安防控制。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺，使用手機App 實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的顯示以及指令的下達，打破了傳統(tǒng)局域網(wǎng)的空間限制，實現(xiàn)了“隨時、隨地”訪問和控制智能家居安防控制系統(tǒng)。本文對基于云平臺的智能家居安防控制系統(tǒng)的硬件部分進行了設計，具體如下。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結構

基于云平臺的智能家居安防控制系統(tǒng)由STM32最小系統(tǒng)模塊、溫濕度檢測模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、繼電器控制模塊、安防模塊、用戶App 端等構成，具體如圖1 所示。

圖1 基于云平臺的智能家居安防控制系統(tǒng)結構

1.2 系統(tǒng)原理

使用STM32F103C8T6 作為控制芯片，配合DHT11溫濕度傳感器模塊檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，通過ESP8266 Wi-Fi實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，云平臺通過數(shù)據(jù)報文發(fā)送到用戶App 端，用戶通過手機端界面可查看相關環(huán)境數(shù)據(jù)并進行控制。云平臺收到用戶App端發(fā)送的指令報文后再發(fā)送指令報文回主控芯片，控制繼電器模塊進行設備控制，工作原理如圖2 所示。

圖2 基于云平臺的智能家居安防控制系統(tǒng)工作原理

1.3 云平臺

使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為云平臺端，阿里云是阿里巴巴物聯(lián)網(wǎng)開放式平臺，支持多種網(wǎng)絡協(xié)議接入。本次選擇的消息隊列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）有發(fā)布和訂閱2種消息模式，都屬于開放式系統(tǒng)互連（Open System Interconnect，OSI）參考模型的傳輸層協(xié)議[1]。MQTT協(xié)議的報文有格式精簡的優(yōu)點，可以更高效地傳輸數(shù)據(jù)；3 種級別的服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）滿足不同消息的傳輸要求，可在保證可靠性的基礎上減小開銷；帶Topic 的訂閱模式可以實現(xiàn)消息的一對多發(fā)布。MQTT 設計規(guī)范的優(yōu)點使得它更能滿足部分物聯(lián)網(wǎng)設備低功耗、網(wǎng)絡帶寬小、延時高、不穩(wěn)定等局限的需求，廣泛應用于各領域的物聯(lián)網(wǎng)設備。眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)云平臺的初始創(chuàng)建和實際應用本來是個復雜的過程，但阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺簡化了諸多復雜的技術細節(jié)，可適配各類網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議，支持各類智能設備的快速接入，其簡化的操作流程如圖3所示[2]。

圖3 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建應用操作流程

2 系統(tǒng)硬件部分設計

2.1 STM32 最小系統(tǒng)模塊

STM32F103X 系列ARM 芯片是由意法半導體（ST）公司推出的內(nèi)核為Cortex-M3 的32 位微控制器，其硬件采用LQFP38 封裝。該芯片具有價格實惠、外設接口多、實時性能優(yōu)異、控制功耗低以及開發(fā)成本低等優(yōu)點。本系統(tǒng)使用的芯片型號為STM32F103C8T6，該芯片具有20K×8bit 的靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）、63K×8bit 的快閃存儲器，自帶3 個定時器，3 個USART 串口，功能強大，價格適中[3]。STM32 最小系統(tǒng)模塊電路原理如圖4 所示。

圖4 STM32 最小系統(tǒng)模塊電路原理

2.2 溫濕度檢測模塊

采用DHT11 作為系統(tǒng)的溫濕度檢測模塊。DHT11 是一款數(shù)字溫濕度傳感器，適用于測量一定環(huán)境內(nèi)的溫度和濕度，具有使用方便、占用空間小、品質(zhì)卓越、抗干擾能力強、快速響應、低功耗、性價比極高等優(yōu)點，表現(xiàn)出極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性，因此被廣泛應用于家居自動化、氣象站、智能農(nóng)業(yè)等領域。此外，DHT11 采用單總線數(shù)據(jù)傳輸，可以通過數(shù)字信號直接與微控制器連接，測量范圍為0 ～50 ℃的溫度和20%RH ～90%RH 的濕度，精度分別為±2 ℃和±5%RH[4]。DHT11 溫濕度檢測模塊如圖5 所示。

圖5 DHT11 溫濕度檢測模塊

2.3 Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)模塊

采用ESP8266 Wi-Fi 芯片作為系統(tǒng)的Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)模塊，常應用于物聯(lián)網(wǎng)設備、智能家居、智能家電等領域。該芯片集成了Wi-Fi 模塊和處理器，內(nèi)置傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)絡協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協(xié)議棧，其主要特點包括體積小、功耗低、易于開發(fā)、性價比高等。ESP8266 Wi-Fi 芯片可以通過串口與單片機連接，也可以獨立作為一個微控制器使用，而且支持多種編程語言，如C、C++、Python 等。因此，ESP8266 Wi-Fi 片具有廣泛的應用前景，是物聯(lián)網(wǎng)和智能家居領域的重要組成部分[5]。Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)模塊如圖6 所示。

圖6 Wi-Fi 物聯(lián)網(wǎng)模塊

2.4 繼電器模塊

采用繼電器模塊拓展控制其他智能家居設備。繼電器是一種電控制器件，其基本結構主要由線圈、鐵芯、觸點等組成，工作原理為小電流控制大電流。一般來說，控制電路包括電源、信號輸入以及繼電器驅(qū)動3 個部分。其中，電源一般使用直流電源，信號輸入可以是開關量信號或模擬信號，繼電器驅(qū)動則是通過控制電路將3.3 V 的電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動繼電器線圈的電壓，從而使繼電器動作。低電壓繼電器常用于嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設備等領域，使用時需注意其額定電壓和額定電流，避免過載和損壞。同時，還需要注意控制電路的設計和調(diào)試，確保繼電器能夠正常工作[6]。其中，繼電器模塊如圖7 所示。

圖7 繼電器模塊

2.5 安防模塊

使用蜂鳴器模擬安防提醒，當室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)到達安全隱患閾值時，蜂鳴器響起提醒用戶，同時自動啟動室內(nèi)循環(huán)通風系統(tǒng)進行環(huán)境控制，保障用戶安全。

2.6 室內(nèi)照明

使用LED 燈模擬室內(nèi)照明，其工作電壓為3.3 ～5 V。在實際應用時，該部分可接室內(nèi)燈光系統(tǒng)，用戶可通過手機端App 開關進行發(fā)送指令，通過繼電器模塊實現(xiàn)室內(nèi)照明控制。

2.7 室內(nèi)循環(huán)通風系統(tǒng)

使用低電壓電機與扇葉模擬室內(nèi)循環(huán)通風系統(tǒng)，其工作電壓為3.3 ～5 V。在實際應用時，該部分可接室內(nèi)循環(huán)通風系統(tǒng)，用戶可設定環(huán)境閾值自動啟閉室內(nèi)循環(huán)通風系統(tǒng)，也可通過手機端App 開關發(fā)送指令，通過繼電器模塊實現(xiàn)室內(nèi)循環(huán)通風系統(tǒng)控制。

2.8 物聯(lián)網(wǎng)云平臺配置

使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺Web 網(wǎng)頁端進行物聯(lián)網(wǎng)設備的添加，配置設備信息，主要流程為設備功能定義→人機交互設置→設備調(diào)試設置等，如圖8 所示。

圖8 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺Web 網(wǎng)頁

3 實驗與分析

系統(tǒng)硬件部分搭建完成后，接通電源，各模塊提示燈正常亮滅，系統(tǒng)電路通路正常，無短路情況，硬件部分總體搭建合理，電路布線簡約，經(jīng)過后期實際運行檢測，該系統(tǒng)的硬件部分表現(xiàn)出了高度的可靠性和穩(wěn)定性，初步調(diào)試時控制反應非常靈敏，各模塊功能能夠成功響應，可以進行系統(tǒng)的軟件部分設計，進行程序編寫與調(diào)試。

4 結 論

在物聯(lián)網(wǎng)技術飛快發(fā)展與“互聯(lián)網(wǎng)+”對智能交互需求的背景下，本文進行了一款基于云平臺的智能家居安防控制系統(tǒng)的硬件部分設計。通過測試證明，本系統(tǒng)的硬件搭建分布合理、運行正常，可以進行系統(tǒng)的下一步程序編程調(diào)試開發(fā)，部署應用到現(xiàn)實生活中的智能家居生態(tài)環(huán)境中，在實際生活應用中有一定價值。