梁浩林，何永玲，馮博華,2

（1.廣東藥科大學(xué) 醫(yī)藥信息工程學(xué)院 ，廣東 廣州 510006；2.廣東省醫(yī)藥3D打印機(jī)及個(gè)性化醫(yī)療工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006）

0 引 言

隨著科技的提升和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平提高的同時(shí)，對(duì)家居環(huán)境的要求也越來(lái)越高。作為家居智能化的核心部分，智能化自動(dòng)控制愈發(fā)重要，智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)是未來(lái)國(guó)家發(fā)展的必然趨勢(shì)。但基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)智能控制系統(tǒng)尚未普及，對(duì)于絕大多數(shù)家庭而言，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)智能控制的成本過(guò)高。本系統(tǒng)在低成本前提下，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的搭建并結(jié)合手機(jī)APP加入百度語(yǔ)音識(shí)別，為室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該方案采取一主多從架構(gòu)，由主機(jī)客戶端、云端服務(wù)器、手機(jī)APP端和子設(shè)備等四部分組成。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

首先在阿里云上搭建MQTT遠(yuǎn)程服務(wù)器，主機(jī)客戶端以STM32F103單片機(jī)為主控制器，搭載OLED顯示屏，采用ESP8266作為WiFi模塊，使用MQTT協(xié)議和阿里云的遠(yuǎn)程服務(wù)器通信。子設(shè)備分別設(shè)計(jì)了繼電器插座開(kāi)關(guān)、溫濕度傳感器、攝像頭等，用于監(jiān)測(cè)家中情況和控制家中電器開(kāi)關(guān)。每個(gè)子設(shè)備由一個(gè)STM32F103單片機(jī)作控制器，通過(guò)藍(lán)牙模塊與主機(jī)通信，以此搭建擁有一個(gè)主機(jī)和多個(gè)子設(shè)備的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。手機(jī)APP端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與阿里云的MQTT遠(yuǎn)程服務(wù)器或主機(jī)通信，同時(shí)加入百度語(yǔ)音識(shí)別模塊以進(jìn)行遠(yuǎn)程智能控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括主機(jī)、JDY-24M藍(lán)牙模塊、DHT11溫濕度傳感器、ESP32-CAM攝像頭及其他電子元件。

2.1 主機(jī)硬件電路

主機(jī)的硬件部分由STM32F103單片機(jī)和電阻屏組成，主機(jī)主要負(fù)責(zé)與MQTT遠(yuǎn)程服務(wù)器、手機(jī)APP端通信，用戶可在電阻屏的GUI界面查看相關(guān)狀態(tài)信息并對(duì)子設(shè)備電器進(jìn)行控制。STM32最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 STM32最小系統(tǒng)電路

2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊使用JDY-24M藍(lán)牙組網(wǎng)模塊，工作模式為MESH組網(wǎng)模式。JDY-24M藍(lán)牙模塊電路如圖3所示。

圖3 JDY-24M藍(lán)牙模塊電路

2.3 溫濕度傳感器與OLED顯示屏

為實(shí)現(xiàn)溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集，子設(shè)備選用DHT11溫濕度傳感器，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有很高的可靠性與穩(wěn)定性。顯示屏選用0.96英寸的SSD1306 128×64 OLED顯示屏，主要用于顯示溫濕度信息和子設(shè)備電器狀態(tài)。HDT11溫濕度傳感器電路如圖4所示，OLED顯示屏電路如圖5所示。

圖4 HDT11溫濕度傳感器電路

圖5 OLED顯示屏電路

2.4 AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊和繼電器模塊

為控制家用電器，首先使用AC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊HLK-5M05將220 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓供電，繼而使用歐姆龍固態(tài)繼電器G3MB-202P控制家用電器。HLK-5M05開(kāi)關(guān)電源模塊電路如圖6所示，G3MB-202P固態(tài)繼電器電路如圖7所示。

圖6 HLK-5M05開(kāi)關(guān)電源模塊電路

圖7 G3MB-202P固態(tài)繼電器電路

2.5 攝像頭模塊

子設(shè)備攝像頭選用ESP32-CAM，ESP32-CAM是小尺寸的攝像頭模組，可以作為最小系統(tǒng)獨(dú)立工作，其被廣泛應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)合。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括天氣預(yù)報(bào)信息獲取、子設(shè)備電器控制以及手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)。

3.1 天氣預(yù)報(bào)信息獲取

主機(jī)通過(guò)MQTT協(xié)議向阿里云服務(wù)器發(fā)送信息，云服務(wù)器繼而向天氣預(yù)報(bào)網(wǎng)站發(fā)送請(qǐng)求獲取信息，隨后云服務(wù)器再將信息返回到主機(jī)并顯示。天氣預(yù)報(bào)獲取流程如圖8所示。

圖8 天氣預(yù)報(bào)獲取流程

3.2 子設(shè)備電器控制

手機(jī)APP端信息經(jīng)百度語(yǔ)音識(shí)別后，控制信息先由MQTT客戶端發(fā)布，STM32控制器在對(duì)其進(jìn)行解析后，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送到子設(shè)備終端，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。子設(shè)備控制流程如圖9所示。

圖9 子設(shè)備控制流程

3.3 手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)

手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)如圖10、圖11所示。

圖10 手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)（1）

圖11 手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)（2）

4 系統(tǒng)測(cè)試

用戶可直接在主機(jī)和手機(jī)APP上查看天氣、溫濕度、子設(shè)備狀態(tài)等信息，并在手機(jī)APP上通過(guò)用戶界面進(jìn)行語(yǔ)音或手動(dòng)操作，遠(yuǎn)程控制攝像頭拍攝。

為使系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化，我們繪制各子設(shè)備原理圖后，打印PCB板制板，使其模塊化，便于在家中對(duì)房間設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。子設(shè)備PCB圖如圖12所示。

圖12 子設(shè)備PCB圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過(guò)STM32F103單片機(jī)和MQTT遠(yuǎn)程服務(wù)器搭建了一個(gè)室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)主機(jī)和子設(shè)備間的通信?？稍谑謾C(jī)APP端監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度情況，并實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音遠(yuǎn)程控制子設(shè)備電器開(kāi)關(guān)。在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還可進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)，子設(shè)備可根據(jù)需要接入更多傳感器，使得檢測(cè)范圍更廣、系統(tǒng)更智能化。