張雄，劉斌，王簫揚(yáng)，高瑞，賀凡

（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安，716000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展，人們生活方式也隨之產(chǎn)生著巨大的變化。為了便于管理眾多家居電器，人們需要將各種家居設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，并能允許智能移動(dòng)終端訪問，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)日常家居生活的個(gè)性化及智能化管理。智能家居[1,2]以住宅為平臺(tái)，以局域網(wǎng)為通信基礎(chǔ)連接至智能移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種家居設(shè)備的集成與控制。本文基于中國(guó)移動(dòng)開放的OneNET云平臺(tái)，采用STM32為主控芯片，結(jié)合煙霧傳感器、一氧化碳傳感器等傳感器，手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端設(shè)備和無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了家用電器的互聯(lián)及管理的智能家居系統(tǒng)[3]，從而使人們的家居生活更加便捷、智慧。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于OneNET云平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)主要包括：空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊、語音及顯示模塊、智能窗簾控制模塊、藍(lán)牙音響模塊、室內(nèi)燈光控制及信息傳輸交互模塊，如圖1所示。智能家居系統(tǒng)可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主機(jī)部分以STM32作為主控芯片，將MQ7氣體傳感器、MQ135有毒氣體傳感器連接至LM393電壓比較器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)有害氣體的監(jiān)測(cè)，采用DHT11溫度傳感器對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以WT588D語音芯片實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)，觸摸屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。從機(jī)部分由智能窗簾控制模塊、藍(lán)牙音響模塊和室內(nèi)燈光控制模塊組成。主機(jī)與從機(jī)之間通過ESP8226芯片與ZigBee[4]模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能，主機(jī)發(fā)出指令通過ZigBee模塊對(duì)從機(jī)進(jìn)行控制，從機(jī)采集采集到數(shù)據(jù)由ZigBee模塊對(duì)主機(jī)進(jìn)行反饋，從而實(shí)現(xiàn)主從機(jī)間的信息交流。采用OneNet移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模式，用戶可通過移動(dòng)智能終端對(duì)主機(jī)發(fā)出指令從而對(duì)從機(jī)進(jìn)行控制。

圖1 智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 主機(jī)部分組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)部分

主機(jī)部分主要由STM32單片機(jī)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊、語音及顯示模塊組成，組成框圖如圖2所示。

2.1.1 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊采用一氧化碳傳感器、有毒氣體傳感器、溫濕度傳感器進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量及溫濕度的檢測(cè)并將數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片。

MQ—7氣體傳感器的氣敏材料為二氧化錫(SnO2)，其電導(dǎo)率在清潔空氣中較低且隨著空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增高而增大。該傳感器采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式，低溫(1.5V加熱)檢測(cè)一氧化碳，高溫(5.0V)清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。MQ—7氣體傳感器對(duì)一氧化碳靈敏度高且成本低的優(yōu)點(diǎn)。

MQ135氣體傳感器的氣敏材料為二氧化錫(SnO2)，傳感器電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體的濃度增高而變大，該傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽靈敏度高，壽命長(zhǎng)成本低的優(yōu)勢(shì)。

DHT11傳感器是一款具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度符合傳感器，其應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包含一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8為單片機(jī)相連，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 語音及顯示模塊

WT588D語音芯片是一款可重復(fù)擦出燒寫的語音單片機(jī)芯片。該芯片高度集成的單片機(jī)技術(shù)，使之不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機(jī)電路。配套WT588D VoiceChip主機(jī)操作軟件可隨意更換任何一種控制模式，將信息下載至SPI—Flash即可。軟件操作方式簡(jiǎn)潔易懂，支持在線下載。WT558D語音模塊電路圖如圖3所示。

圖3 WT558D語音模塊電路圖

顯示模塊采用 OLED(Organic Light—Emitting Diode)，即有機(jī)發(fā)光二極管。

2.2 從機(jī)部分

從機(jī)部分主要由智能窗簾控制模塊、藍(lán)牙模塊、室內(nèi)燈光控制模塊組成。

2.2.1 智能窗簾模塊

智能窗簾模塊由主控芯片STM32控制，通過處理主控芯片的命令實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)開關(guān)及遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)供電后，主控芯片讀取EEPROM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并于環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)比判斷是否打開或閉合窗簾。系統(tǒng)在接收到終端數(shù)據(jù)包后再次處理主控芯片的命令，完成遠(yuǎn)程控制窗簾打開或閉合命令。

2.2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊與智能移動(dòng)終端藍(lán)牙匹配連接，完成手機(jī)控制音頻數(shù)據(jù)播放、暫停、音量加減的指令，藍(lán)牙模塊電路圖如圖4所示。

2.2.3 室內(nèi)燈光模塊

主控芯片STM32完成對(duì)室內(nèi)燈光模塊的控制，主控芯片解析命令指令達(dá)到室內(nèi)燈光的自動(dòng)開關(guān)及遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)通電后，主控芯片讀取EEPROM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并與環(huán)境數(shù)據(jù)比較最終確定是否執(zhí)行室內(nèi)燈開關(guān)指令。系統(tǒng)確認(rèn)接收到智能移動(dòng)終端數(shù)據(jù)包后，再次處理主控芯片的命令來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制燈光的控制。

圖4 藍(lán)牙模塊電路圖

2.3 信息傳輸交互模塊

信息傳輸交互模塊方框圖如圖5所示。信息傳輸交互模塊用以建立家庭局域網(wǎng)，采用ESP8266和ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)室內(nèi)各種家居電器的互相連接[5]。ESP8266支持softAP模式、station模式、soft AP+station共存模式。ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行也可以作為slave搭載于其Host運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)靈活的組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

ZigBee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，其組網(wǎng)便利、信號(hào)穩(wěn)定可靠、修復(fù)能力強(qiáng)、不易受到干擾，可以自由組網(wǎng)接入龐大數(shù)量設(shè)備且不產(chǎn)生運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。ZigBee模塊采用廣播方式，各節(jié)點(diǎn)配置同一波特率同一頻道，以廣播形式進(jìn)行信息交互組建家庭局域網(wǎng)。

圖5 信息傳輸交換模塊方框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于OneNET平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]，在系統(tǒng)供電后初始化CPU，然后讀取EEPROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，確定即將執(zhí)行的動(dòng)作，是否開燈，是否打開WiFi模塊，系統(tǒng)連接云平臺(tái)，主控芯片判斷是否收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，若收到數(shù)據(jù)包，則執(zhí)行數(shù)據(jù)包命令，否則檢查定時(shí)時(shí)間是否到達(dá)，若定時(shí)時(shí)間到達(dá)則執(zhí)行定時(shí)指令，若定時(shí)沒到，再次檢查是否收到終端指令。主機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)結(jié)果測(cè)試

將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)供電并連接至OneNET平臺(tái)，完成軟件程序的植入。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)表明：本文設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)通過OneNET平臺(tái)對(duì)室內(nèi)的家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能準(zhǔn)確的采集室內(nèi)空氣質(zhì)量和環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)反饋給終端且進(jìn)行語音播報(bào)。通過清晨、離家、回家模式智能調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光及窗簾打開閉合。藍(lán)牙模式下，可以通過手機(jī)進(jìn)行語音播報(bào)及音量調(diào)節(jié)。智能家居控制系統(tǒng)軟件顯示界面如圖7所示。

圖7 智能家居控制系統(tǒng)軟件顯示界面

5 結(jié)論

測(cè)試表明，基于OneNET移動(dòng)平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)具有組網(wǎng)靈活，功耗低及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)適用于其他類似需求的領(lǐng)域。