張凱達(dá) 趙延明 陳建勛

摘要：針對(duì)目前許多家庭的需求，深入分析無(wú)線通信的通信機(jī)制，比較各類通信方式的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組建智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，利用本地遙控器或遠(yuǎn)程智能手機(jī)對(duì)室內(nèi)空調(diào)、窗戶窗簾、防盜探測(cè)器、有害氣體檢測(cè)器、視頻監(jiān)視器進(jìn)行控制，對(duì)家庭燃?xì)鉂舛?、煙霧濃度及室內(nèi)溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取自動(dòng)開窗、智能通風(fēng)、打開防火設(shè)備等應(yīng)急處理措施，還可以在戶主外出期間通過視頻監(jiān)視器對(duì)家庭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在家庭出現(xiàn)非法闖入者時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，對(duì)實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行錄像以及對(duì)闖入者進(jìn)行抓拍，從而為將來(lái)破案提供資料。

關(guān)鍵詞：WiFi；智能控制；智能家居；遠(yuǎn)程監(jiān)控；報(bào)警系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.181360

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）010-0133-04

英文摘要Abstract：According to the needs of many families at present，the paper analyzes the communication mechanism of wireless communication and compares the characteristics of various communication methods.The system uses WiFi wireless network to set up intelligent home monitoring system.It uses local remote control or remote smart phone for indoor air conditioning，Anti-theft detectors，harmful gas detectors，video monitor，and monitor the home gas concentration，smoke concentration，indoor temperature etc. in real-time，and corresponding are take，such as opening window automatically，intelligent ventilation，switching on fire protection equipement，monitoring the house when no one is present through the video monitors，when the illegal intruder occurs in the house alarming automatically alarm，photographing the house real-time conditions and capturing videos of intruders，providing information for future cases.

英文關(guān)鍵詞Key Words：WiFi；intelligent control；intelligent home；remote monitoring；alarm system

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)水平的提高，科技不斷改變著人們的生活方式。對(duì)于家居生活而言，人們對(duì)家居智能化、舒適性與便捷性的要求越來(lái)越高。因此，智能家居應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)通過將綜合布線技術(shù)、設(shè)備自動(dòng)化控制技術(shù)及智能安防技術(shù)相結(jié)合，形成一個(gè)可對(duì)家居電器進(jìn)行智能化控制的便捷的管理系統(tǒng)[1]。目前，傳統(tǒng)的家居電器控制一般采取有線方式進(jìn)行控制及相互通信，但有線控制方式具有以下缺點(diǎn)：①布線成本高；②安全隱患多；③可擴(kuò)展性差。據(jù)公安部消防局網(wǎng)站公布的《2016年消防年鑒》數(shù)據(jù)顯示，2016年全國(guó)共發(fā)生電氣火災(zāi)31.2萬(wàn)起，其中94 848起電氣火災(zāi)的直接起火原因?yàn)殡姎饩€路故障，造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)11.308 8億元[2]。由此可見，由電線老化造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的。

隨著嵌入式技術(shù)及短距離無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。目前市面上常見的智能家居系統(tǒng)有基于紅外、ZigBee與藍(lán)牙的系統(tǒng)。如李偉[3]以Eson A01藍(lán)牙模塊為通信基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙通信；朱凱[4]采用ATmega8L作為處理器進(jìn)行紅外控制，實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)；黃濤[5]采用MT8880與MCP2120實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)；李成大等[6]提出基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)短距離控制家居電器的目的；趙奎兵、段富海[7]提出將ZigBee技術(shù)與語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)相結(jié)合的方法，通過語(yǔ)音控制家居電器。

相關(guān)研究在一定程度上解決了有線網(wǎng)絡(luò)面臨的問題，但仍然存在不少缺陷：使用紅外系統(tǒng)會(huì)由于距離、障礙物等因素導(dǎo)致其在信號(hào)傳遞上受到干擾；使用藍(lán)牙系統(tǒng)通訊速率較低，而成本過高；使用Zigbee系統(tǒng)成本較高，通信距離短，且穿透性不強(qiáng)。

由于WiFi無(wú)線電波具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、無(wú)需布線且健康安全等優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種基于WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，以改善傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的缺點(diǎn)，在方便安裝維護(hù)的同時(shí)，更可避免因線路老化漏電而引起災(zāi)害或能源浪費(fèi)，以及避免因煤氣泄漏或家具及裝修材料中散發(fā)出有毒氣體而導(dǎo)致的意外事故發(fā)生，同時(shí)對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在保障生命財(cái)產(chǎn)安全等方面具有重要意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)目前智能家居監(jiān)控系統(tǒng)在通信方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、監(jiān)控模式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴牟蛔悖疚奶岢鲆环N基于WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，總體方案如圖1所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由服務(wù)器、無(wú)線路由器（網(wǎng)關(guān)）、開關(guān)控制器、電機(jī)控制器/溫濕度檢測(cè)器、防盜探測(cè)器、有害氣體檢測(cè)器、視頻監(jiān)視器、遙控器、智能手機(jī)構(gòu)成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文硬件系統(tǒng)框架如圖2所示，包括：開關(guān)控制器、電機(jī)控制器、防盜探測(cè)器、有害氣體檢測(cè)器。4個(gè)終端模塊在功能上具有相同特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量小、功能簡(jiǎn)單、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求低。因此，4個(gè)終端模塊直接采用ESP8266 WiFi模塊作為模塊控制器。

圖像監(jiān)視器與開關(guān)控制器、電機(jī)控制器、防盜探測(cè)器、有害氣體檢測(cè)器4個(gè)終端模塊不同，其采用MCU+WiFi模塊的設(shè)計(jì)方案。MCU采用STM32F103系統(tǒng)，由于ESP8266性能較差，不能很好地滿足圖像監(jiān)視器對(duì)WiFi模塊性能需求，因此圖像監(jiān)視器采用USR-C322高性能串口WiFi模塊。

開關(guān)控制器包括窗簾、燈具開關(guān)等，選用一個(gè)直流5V驅(qū)動(dòng)的繼電器，通過控制GPIO口的高低電平實(shí)現(xiàn)繼電器通斷，進(jìn)而控制開關(guān)狀態(tài)；電機(jī)控制器上還搭載了溫濕度傳感器與光照強(qiáng)度檢測(cè)器，溫濕度傳感器采用一個(gè)AM2320電容式溫濕度傳感器，該傳感器是一款溫濕度復(fù)合型傳感器，溫度數(shù)據(jù)可精確到0.1℃，濕度數(shù)據(jù)精確到0.1%RH。光照強(qiáng)度檢測(cè)器采用一個(gè)10KΩ光敏電阻與其它元件組成分壓電路，采用ESP8266內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換電壓；有害氣體檢測(cè)器上搭載的有害氣體傳感器選用MQ-2型煙霧傳感器，通過傳感器的電導(dǎo)率變化捕捉煙霧狀態(tài)；電源模塊采用Micro USB接口供電，該接口輸入電壓為5V，通過USB接口接入電路，為系統(tǒng)供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件程序設(shè)計(jì)

開關(guān)控制器、電機(jī)控制器、防盜探測(cè)器、有害氣體檢測(cè)器采用NodeMCU開發(fā)方式，主要操作包括設(shè)置ESP8266工作在Station模式、設(shè)置目標(biāo)WiFi接入點(diǎn)的SSID（服務(wù)集標(biāo)識(shí)）與密碼、連接WiFi、等待連接WiFi完成。NodeMCU初始化程序流程如圖3所示。

電機(jī)控制器的功能較為復(fù)雜，全部功能可分為兩類：數(shù)據(jù)上傳、按照指令控制電機(jī)。電機(jī)控制器數(shù)據(jù)種類有4種：溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)與電機(jī)角度數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)都來(lái)自于AM2320溫濕度傳感器。NodeMCU固件提供了AM2320溫濕度傳感器的API，只需要兩行代碼即可完成AM2320數(shù)據(jù)讀取，具體代碼如下：

am2320.init（6，7） --初始化AM2320

rh，t=am2320.read（） --讀取AM2320傳感器數(shù)據(jù)

光照強(qiáng)度檢測(cè)NodeMCU提供了非常簡(jiǎn)單的用于讀取ADC轉(zhuǎn)換值的API，只需一行代碼即可讀出數(shù)據(jù)，具體代碼如下：

li=adc.read（0） --讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果

電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。ESP8266輸出一路頻率為1KHz的PWM波，STM32F030利用TIM14的CH1的捕獲模式。獲得高電平時(shí)間，計(jì)算出高電平占一個(gè)周期的時(shí)間比，并根據(jù)占空比控制無(wú)線四相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定角度。無(wú)線四相步進(jìn)電機(jī)的控制命令用0～99之間的一個(gè)整數(shù)表示電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。PWM波占空比與該整數(shù)n的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

占空比= （n×6+200）/102 4（1）

電機(jī)控制器程序流程如圖4所示。

防盜探測(cè)器將讀取紅外對(duì)射探測(cè)器信號(hào)的GPIO口設(shè)置為中斷觸發(fā)模式。一旦紅外對(duì)射探測(cè)器光路被遮擋，信號(hào)發(fā)生跳變，中斷會(huì)立即觸發(fā)，調(diào)用處理外部中斷信息的回調(diào)函數(shù)，立即上傳數(shù)據(jù)。程序流程如圖5所示。

有害氣體檢測(cè)器定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，MQ-2氣體傳感器輸出一個(gè)范圍為0～4V的模擬電壓信號(hào)，ESP8266通過一路ADC將分壓電路分壓后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并上傳數(shù)據(jù)。程序流程如圖6所示。

圖像監(jiān)視器啟動(dòng)后，USR-C322WiFi模塊將自主完成連接指定WiFi的操作，并自動(dòng)與指定服務(wù)器建立連接。單片機(jī)等待WiFi模塊完成自動(dòng)連接操作，首先發(fā)送一個(gè)注冊(cè)數(shù)據(jù)幀。該數(shù)據(jù)幀通過WiFi模塊，經(jīng)過無(wú)線路由器被服務(wù)器接收，服務(wù)器根據(jù)該數(shù)據(jù)幀確認(rèn)圖像監(jiān)視器的設(shè)備身份。服務(wù)器發(fā)送的操作指令通過無(wú)線路由器、WiFi模塊被單片機(jī)接收，單片機(jī)對(duì)比指令并執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。程序流程如圖7所示。

開關(guān)控制器中，每隔10s軟件定時(shí)器調(diào)用其回調(diào)函數(shù)，查詢繼電器狀態(tài)相關(guān)標(biāo)識(shí)位，并按照通信協(xié)議將繼電器開關(guān)狀態(tài)發(fā)送給服務(wù)器。控制指令的接收通過NodeMCU固件中net類提供的數(shù)據(jù)接收方法實(shí)現(xiàn)，接收到的數(shù)據(jù)傳入該方法的回調(diào)函數(shù)。數(shù)據(jù)處理首先進(jìn)行的是數(shù)據(jù)格式檢查，根據(jù)通信協(xié)議的規(guī)定檢查原始數(shù)據(jù)，排除錯(cuò)誤信息，提取有效指令，并根據(jù)指令信息對(duì)繼電器進(jìn)行開關(guān)操作。程序流程如圖8所示。

3.2 手機(jī)客戶端APP

智能終端APP包括3個(gè)頁(yè)面：登錄界面、顯示界面、實(shí)時(shí)圖片顯示頁(yè)面，如圖9所示。APP中的登錄界面主要用于用戶登錄；顯示界面是登錄系統(tǒng)后出現(xiàn)的界面，如圖10所示，主要用于顯示包括繼電器狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)、光照強(qiáng)度、溫濕度數(shù)據(jù)、防盜狀態(tài)、紅外對(duì)射狀態(tài)、氣體數(shù)據(jù)等信息，使用戶可以實(shí)時(shí)看到家中狀況；實(shí)時(shí)圖片顯示頁(yè)面只在按鍵獲取到實(shí)時(shí)圖片之后出現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于WiFi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)家居電器開關(guān)控制、室內(nèi)空調(diào)遙控、窗簾開關(guān)控制、防盜報(bào)警、有害氣體實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警、空氣凈化器自動(dòng)啟動(dòng)、視頻動(dòng)態(tài)監(jiān)視、照片抓拍、開關(guān)故障自診斷、本地與遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，克服了傳統(tǒng)家居電器控制的埋線繁瑣、安全隱患多、可擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，在方便安裝維護(hù)的同時(shí)，更可避免因線路老化漏電引起的災(zāi)害與能源浪費(fèi)，以及因煤氣泄漏或家具及裝修材料中散發(fā)出有毒氣體而導(dǎo)致的意外事故發(fā)生，確保生命財(cái)產(chǎn)安全，營(yíng)造一個(gè)安全、舒適、方便與高效的生活環(huán)境。該報(bào)警系統(tǒng)成本低、使用方便，可以廣泛應(yīng)用于家庭、住宅小區(qū)等。

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