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【摘要】 設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于云平臺的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32作為下位機的控制核心，通過傳感器搜集家庭環(huán)境信息并上傳之云服務(wù)
器，手機APP端通過云服務(wù)器實現(xiàn)對下位機各用電器的狀態(tài)監(jiān)控。該系統(tǒng)通過云平臺對家居環(huán)境實現(xiàn)智能化，提高人們?nèi)粘＜揖由畹纳钯|(zhì)量。
0 引言
智能家居以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。該智能家居系統(tǒng)分為移動控制終端模塊和硬件模塊。軟件模塊作為移動控制端，系統(tǒng)選擇android操作系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控和反饋、以及遠程操控等功能。系統(tǒng)的硬件模塊采用了STM32F103C8T6主控芯片、esp8266WI-FI模塊和功能外設(shè)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制等功能。云端選取的是機智云。
1 智能家居系統(tǒng)總體的設(shè)計
整體設(shè)計以機智云為中心。移動控制端可以透過機智云與下位機進行雙向通信。移動控制端通過云端對下位機所有設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)視，并對部分用電器進行控制。下位機以STM32F103C8T6為核心對所有用電器進行數(shù)據(jù)的讀取與控制，并將數(shù)據(jù)整合后通過ESP8266WI-FI模組與云進行雙向通信，云服務(wù)器在整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中充當(dāng)著一個中繼器的角色。下位機共包括個7部分，分別為LED驅(qū)動模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、溫濕度感應(yīng)器模塊、紅外傳感器模塊、煙霧感應(yīng)器模塊和WIFI模塊。LED燈驅(qū)動模塊用于模擬現(xiàn)實中可調(diào)亮度LED燈。電機驅(qū)動模塊用于控制窗簾的開關(guān)，通過控制電機的正反轉(zhuǎn)及工作時間實現(xiàn)窗簾的開關(guān)。舵機驅(qū)動模塊用于控制門的開關(guān)，當(dāng)接收到MCU命令時，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)90°從而實現(xiàn)門的自動開關(guān)。溫濕度數(shù)據(jù)通過溫濕度傳感器進行收集。紅外傳感器模塊用于防盜系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測到警報信號時，發(fā)出警報并向云上報警報信息。煙霧感應(yīng)器模塊用于對廚房氣體的監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，及時進行警報和向云端發(fā)送警報信息。WIFI模組用于STM32F103C8T6主控芯片與云之間通訊。
2 移動終端設(shè)計
移動終端的設(shè)計要取決于數(shù)據(jù)類型和指令的執(zhí)行方式。在對需求分析之后，移動端采用當(dāng)前廣泛流行的開放的Android系統(tǒng)進行移動控制終端的設(shè)計，配合機智云的開放數(shù)據(jù)庫，使該終端具有良好的擴展性。然后設(shè)計出各個功能的模塊的界面，包括圖標(biāo)、電燈的開關(guān)功能、反饋的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示方式、以房間為單位對家電設(shè)備進行分組控制以及煙霧和紅外的報警功能。主要工作流程：應(yīng)用程序啟動后，后臺服務(wù)啟動，與機智云取得連接，輸入用戶名密碼登錄進入主界面，主界面后以房間為單位選取需要操作的設(shè)備，云會定時發(fā)送當(dāng)前設(shè)備信息到移動控制端，達到實時監(jiān)測的要求，設(shè)計界面圖如圖1所示。
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3 硬件模塊結(jié)構(gòu)及功能
硬件模塊的設(shè)計采用了STM32F103C8T6芯片為主控制芯片實現(xiàn)對設(shè)備控制和設(shè)備狀態(tài)信息的獲取、通過與ESP8266WI-FI模塊通信實現(xiàn)與云端的數(shù)據(jù)傳輸。外設(shè)設(shè)備包括各類傳感器和家居應(yīng)用設(shè)備，其硬件模型圖如圖2所示。
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3.1 環(huán)境監(jiān)測模塊
環(huán)境監(jiān)測模塊主要依靠多種傳感器進行數(shù)據(jù)搜集，主要包括有光電紅外開關(guān)、煙霧感應(yīng)器、溫度感應(yīng)器。系統(tǒng)通過對傳感器狀態(tài)信息的獲取，實現(xiàn)對家居環(huán)境的監(jiān)測。煙霧感應(yīng)器可以對廚房氣體進行有效的監(jiān)測，煙霧報警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，電離產(chǎn)生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，煙霧感應(yīng)器向STM32發(fā)送警報信息，STM32接收到警報信息后進行警報并向云端發(fā)送警報信息，從而防止火災(zāi)的發(fā)生。在對門控制中，可以對光電感應(yīng)器狀態(tài)信息的獲取實現(xiàn)門的自動開關(guān)，當(dāng)檢測到門內(nèi)用紅外信息時，STM32向舵機發(fā)送開門信息并將當(dāng)前門的狀態(tài)上報到云，從而實現(xiàn)門的自動感應(yīng)。在陽臺裝置的紅外感應(yīng)器可以實現(xiàn)防盜功能，當(dāng)獲取到異常信息時，自動觸發(fā)報警裝置和上報警報信息。溫濕度感應(yīng)器采用的是DHT11溫濕度傳感器，STM32向溫濕度傳感器發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，將采集的溫度高8位數(shù)據(jù)和濕度高8位數(shù)據(jù)上傳到云，實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的有效控制。
3.2 家居應(yīng)用設(shè)備
家居應(yīng)用設(shè)備包括：可調(diào)亮度LED燈、排氣扇、可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速風(fēng)扇、智能窗簾等。這些設(shè)備均與STM32F103C8T6芯片進行連接，從而實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制。通過STM32F103C8T6芯片向控制LED和風(fēng)扇的串口發(fā)送PWM信號可實現(xiàn)對LED亮度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。通過對控制電機電流的方向、大小的及工作時間的實現(xiàn)的控制，能夠準(zhǔn)確的移動窗簾的位置，從而實現(xiàn)窗簾的智能化。當(dāng)然，在實際應(yīng)用中也可以根據(jù)用戶的需求進行設(shè)備的增減。
4 智能家居系統(tǒng)的測試分析
該智能家居系統(tǒng)通過一個智能家居模型進行調(diào)試分析，通過對各個模塊的分別調(diào)試，使得設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確上傳到云，云下發(fā)的指令能準(zhǔn)確的控制各個對應(yīng)的模塊，各個模塊都能夠?qū)崿F(xiàn)自己對應(yīng)的功能。之后將所有的模塊進行整合，整合后設(shè)備也能夠?qū)崿F(xiàn)與之對應(yīng)的功能，基本上實現(xiàn)了設(shè)計的初衷。在軟件部分，通過應(yīng)用使用機智云開放的數(shù)據(jù)庫，進行對界面、功能的設(shè)計。開發(fā)的軟件訪問系統(tǒng)后臺服務(wù)器，進入機智云開發(fā)者中心進行調(diào)試，通過調(diào)試虛擬設(shè)備與手機軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸，使之實現(xiàn)了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳輸。將云、手機軟件、硬件設(shè)備整合后，能實現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)下發(fā)和上傳，從而實現(xiàn)了智能家居的遠程控制。
5 總結(jié)
智能家居系統(tǒng)是近年來比較熱門的研究課題，對居民的生活方式也造成了很大的影響，越來越多的家庭采用智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)還存在不足之處，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)的安全性、數(shù)據(jù)傳輸實時性等方面還是需要進一步研究。
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