基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)作為一項(xiàng)新興技術(shù)深入人們的生活，智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一個(gè)大發(fā)展方向憑借智能、安全、高效等特點(diǎn)逐漸成為便利生活的一大支撐。本文基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，以單片機(jī)為主要控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了具有室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)回傳并分析、遠(yuǎn)程操控、人機(jī)交互功能的智能家居系統(tǒng)模型。該智能家居系統(tǒng)模型成本低、安全性高、效率高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且人性化。研究的智能家居系統(tǒng)模型可用于實(shí)際，模型的設(shè)計(jì)思路和方法能為同領(lǐng)域的學(xué)者提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；傳感器技術(shù)；STM32單片機(jī)；機(jī)智云平臺(tái)；無線通信

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）作為“信息化”時(shí)代的重要產(chǎn)物，變得更加安全高效和低功耗[1]。“智能家居”是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的代表，它利用先進(jìn)的技術(shù)，使生活變得更加便捷和智能化，智能家居系統(tǒng)賦予了原有家居不可能具備的能力，讓它們變得有“智慧”[2]。“智能家居”的設(shè)計(jì)理念是為家居生活“減負(fù)”。

基于安全、低功耗、低造價(jià)、操作簡(jiǎn)單的理念，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、無線通信、傳感器等設(shè)計(jì)構(gòu)建出簡(jiǎn)單、安全、人性化的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能燈光照明、溫濕度檢測(cè)、空氣質(zhì)量檢測(cè)、智能風(fēng)扇、智能屋頂以及遠(yuǎn)程手機(jī)APP控制等功能。

1 智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本次智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)板[3]，該系統(tǒng)包含ESP8266數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、DHT11溫濕度傳感器、0.96寸OLED顯示屏模塊、光敏電阻、MQ-135空氣質(zhì)量傳感器、USB風(fēng)扇、步進(jìn)電機(jī)模塊等。

設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)有兩種模式。

自動(dòng)模式：使用DHT11溫濕度傳感器模塊采集室內(nèi)環(huán)境的溫濕度，光敏電阻負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)室外光照強(qiáng)度，利用MQ-135空氣質(zhì)量傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，并將這些數(shù)據(jù)在OLED顯示屏上顯示。LED燈和步進(jìn)電機(jī)模擬的窗簾會(huì)根據(jù)光照強(qiáng)度來判斷是否打開或者關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了窗簾和燈光的自動(dòng)控制。USB風(fēng)扇根據(jù)室內(nèi)溫度判斷是否開啟，溫度超過設(shè)置的閾值，USB風(fēng)扇打開，反之則關(guān)閉。同時(shí)，所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)通過ESP8266數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)，云平臺(tái)將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至手機(jī)APP并在APP顯示數(shù)據(jù)。

手動(dòng)模式：在手動(dòng)模式下，可通過手機(jī)端移動(dòng)應(yīng)用程序在室內(nèi)手動(dòng)控制燈光、窗簾和風(fēng)扇，同時(shí)在手機(jī)APP上也會(huì)顯示當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。模式切換由單片機(jī)的按鍵執(zhí)行[4]。

智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 器件選擇

本智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需在安全可靠的前提下盡可能節(jié)約成本并縮短開發(fā)周期[5]。系統(tǒng)的硬件部分主要包括收發(fā)數(shù)據(jù)的ESP8266模塊、測(cè)量空氣質(zhì)量的空氣質(zhì)量傳感器模塊、OLED顯示屏、采用光敏電阻法測(cè)量光強(qiáng)的相關(guān)模塊、測(cè)量溫濕度的DHT11傳感器模塊。硬件選擇見表1所列。

（1）STM32F103C8T6主控芯片

研究選用的STM32F103C8T6是STM32系列的最小系統(tǒng)板，它是一個(gè)32位微型控制器，擁有高速內(nèi)存，其I/O端口豐富，可與多個(gè)外設(shè)連接。提供的外設(shè)有[6]復(fù)位按鍵、Micro-USB接口、供仿真器連接的SWD接口、32.768 kHz的RTC晶振以及8 MHz高速外部晶振。除USB占用的GPIO口之外，剩余所有的GPIO接口全部引出，方便用戶擴(kuò)展其他模塊。

（2）ESP8266數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

WiFi模塊支持各類通信協(xié)議，其具有外觀較小、容易布置、價(jià)格低廉、通信鏈路穩(wěn)定、支持透?jìng)鞯忍攸c(diǎn)，且內(nèi)置

3.3 V電源供電[7]。

（3）OLED顯示模塊

顯示模塊選用0.96英寸OLED屏，這款OLED屏幕亮度較好，且不反光，可以在燈光下顯示，兼容四線SPI和I2C兩種通信方式。

（4）光照強(qiáng)度傳感器模塊

光敏電阻是最常見的傳感器之一，它有多種類型，對(duì)無線電信號(hào)特性要求不高。光敏電阻在使用過程中主要憑借暗電阻和亮電阻的差值工作，差值越大越靈敏。

（5）空氣質(zhì)量傳感器模塊

MQ-135傳感器是比較常見的傳感器，它可以檢測(cè)空氣中的氣體質(zhì)量，當(dāng)周圍環(huán)境的空氣中存在有害氣體時(shí)，傳感器電導(dǎo)率增大。它可以探測(cè)多種氣體，成本較低，適用范圍廣。

（6）溫濕度傳感器模塊

研究使用的溫濕度傳感器是一個(gè)將溫度模塊和濕度模塊混合的數(shù)字傳感器[8]，內(nèi)部擁有電阻式感濕元件和測(cè)量溫度的元件，信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)，模塊有4個(gè)引腳且接口簡(jiǎn)單，控制指令也相對(duì)簡(jiǎn)單。

（7）繼電器模塊

繼電器是在自動(dòng)控制系統(tǒng)中比較常用的硬件，可以保護(hù)電路，避免硬件損壞。

（8）步進(jìn)電機(jī)模塊

步進(jìn)電機(jī)是日常生活中應(yīng)用比較廣泛的硬件，步進(jìn)電機(jī)可分為一相、二相和多相，刺激方式可分為單相刺激方式和兩相刺激方式。如果步進(jìn)電機(jī)接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可通過控制脈沖的數(shù)量來精確控制步進(jìn)電機(jī)的角度偏移，通過控制脈沖的速率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度[9]。本系統(tǒng)采用五線制四相步進(jìn)電機(jī)，電壓為3.3 V，而步進(jìn)電機(jī)需要的電壓較大，不能直接控制，一般采用ULN2003達(dá)林頓陣列供電，通過對(duì)ABCD四相連續(xù)通電來控制器件的旋轉(zhuǎn)。

1.3 智能家居云平臺(tái)服務(wù)器

利用WiFi模塊建立單片機(jī)與云平臺(tái)的通信，首先進(jìn)行WiFi模塊固件的燒錄[10]。WiFi模塊燒錄固件可以使用USB轉(zhuǎn)TLL接口燒錄，燒錄完成后可通信。研究使用的通信硬件是ESP8266模塊，下載對(duì)應(yīng)的固件即可正常工作。云端數(shù)據(jù)采用機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的創(chuàng)建，需根據(jù)需求規(guī)定數(shù)據(jù)格式，具體數(shù)據(jù)見表2所列。

2 系統(tǒng)測(cè)試

在完成智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，需測(cè)試各模塊的運(yùn)行情況，檢查預(yù)期功能是否實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

2.1 硬件系統(tǒng)測(cè)試

在程序開始時(shí)設(shè)置的初始模式為自動(dòng)模式，此時(shí)，各傳感器模塊開始工作，收集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過串口傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)處理后將數(shù)據(jù)顯示在OLED屏幕。溫濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示正常，如圖2所示。

測(cè)試按鍵，修改環(huán)境閾值，如圖3所示。

2.2 APP控制測(cè)試

在APP界面中點(diǎn)擊Light按鈕，將其設(shè)置為開啟狀態(tài)，系統(tǒng)板上的LED燈亮起，說明聯(lián)網(wǎng)配置測(cè)試成功。防止環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)有波動(dòng)造成信息傳輸過快導(dǎo)致通信擁堵，設(shè)置數(shù)據(jù)3 s更新一次。經(jīng)過測(cè)試，證明數(shù)據(jù)可正常傳輸至手機(jī)APP界面，如圖4所示。模型成品如圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，綜合利用硬件控制和軟件操作，設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)模型。該模型擁有家居環(huán)境數(shù)據(jù)采集、回傳分析、遠(yuǎn)程操控和人機(jī)交互等功能。系統(tǒng)模型的開發(fā)成本低且安全高效，具有良好的可擴(kuò)展性。研究的智能家居系統(tǒng)模型可應(yīng)用于實(shí)際生活，同時(shí)，該設(shè)計(jì)思路可為同領(lǐng)域研究人員提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] LEE S H，LEE H Y. Smart IoT home data analysis and device control algorithm using deep learning [J]. KIPS transactions on computer and communication systems，2018，7（4）.

[2]和鑫，田路，羅毅，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（9）：63-67.

[3]李博，尹禮鵬.基于STM32的智能家居的電路與設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2020，28（7）：177-180.

[4]丁飛，吳飛，艾成萬(wàn)，等.基于OneNET平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，38（4）：24-29.

[5] SHAO C H，ZHANG Q X，SONG Y，et al. Smart home healthcare system based on middleware and counter neural network [J]. Journal of medical imaging and health informatics，2020，10（5）.

[6] GONG L F. Research on smart home system based on SC2440 and ZigBee protocol [J]. MATEC Web of Conferences，2018，228.

[7] ELDIB M，PHILIPS W，AGHAJAN H. Discovering human activities from binary data in smart homes [J]. Sensors（Basel，Switzerland），2020，20（9）.

[8]薛鴻檳，吳娟，王思謙.人工智能、物聯(lián)網(wǎng)背景下智能家居系統(tǒng)的思考[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2019，13（12）：154-155.

[9]田啟松，江祖旺，葉鵬.基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019，9（35）：29-30.

[10] SHEN J，WANG C，LI T，et al. Secure data uploading scheme for a smart home system [J]. Information sciences，2018，453：186-197.