基于機智云的智能家居系統設計與實現

ID:184786 · 發表于 2017-9-15 15:41

【摘要】設計并實現了一種基于云平臺的智能家居系統，該系統以STM32作為下位機的控制核心，通過傳感器搜集家庭環境信息并上傳之云服務
器，手機APP端通過云服務器實現對下位機各用電器的狀態監控。該系統通過云平臺對家居環境實現智能化，提高人們日常家居生活的生活質量。
0 引言
智能家居以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。該智能家居系統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，系統選擇android操作系統實現實時監控和反饋、以及遠程操控等功能。系統的硬件模塊采用了STM32F103C8T6主控芯片、esp8266WI-FI模塊和功能外設實現了網絡通信、自動控制等功能。云端選取的是機智云。
1 智能家居系統總體的設計
整體設計以機智云為中心。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備的狀態進行監視，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據的讀取與控制，并將數據整合后通過ESP8266WI-FI模組與云進行雙向通信，云服務器在整個數據傳輸的過程中充當著一個中繼器的角色。下位機共包括個7部分，分別為LED驅動模塊、電機驅動模塊、舵機驅動模塊、溫濕度感應器模塊、紅外傳感器模塊、煙霧感應器模塊和WIFI模塊。LED燈驅動模塊用于模擬現實中可調亮度LED燈。電機驅動模塊用于控制窗簾的開關，通過控制電機的正反轉及工作時間實現窗簾的開關。舵機驅動模塊用于控制門的開關，當接收到MCU命令時，實現正反轉90°從而實現門的自動開關。溫濕度數據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，當監測到警報信號時，發出警報并向云上報警報信息。煙霧感應器模塊用于對廚房氣體的監測，當出現異常狀態時，及時進行警報和向云端發送警報信息。WIFI模組用于STM32F103C8T6主控芯片與云之間通訊。
2 移動終端設計
移動終端的設計要取決于數據類型和指令的執行方式。在對需求分析之后，移動端采用當前廣泛流行的開放的Android系統進行移動控制終端的設計，配合機智云的開放數據庫，使該終端具有良好的擴展性。然后設計出各個功能的模塊的界面，包括圖標、電燈的開關功能、反饋的設備狀態數據的顯示方式、以房間為單位對家電設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：應用程序啟動后，后臺服務啟動，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備，云會定時發送當前設備信息到移動控制端，達到實時監測的要求，設計界面圖如圖1所示。

3 硬件模塊結構及功能
硬件模塊的設計采用了STM32F103C8T6芯片為主控制芯片實現對設備控制和設備狀態信息的獲取、通過與ESP8266WI-FI模塊通信實現與云端的數據傳輸。外設設備包括各類傳感器和家居應用設備，其硬件模型圖如圖2所示。

3.1 環境監測模塊
環境監測模塊主要依靠多種傳感器進行數據搜集，主要包括有光電紅外開關、煙霧感應器、溫度感應器。系統通過對傳感器狀態信息的獲取，實現對家居環境的監測。煙霧感應器可以對廚房氣體進行有效的監測，煙霧報警器內部采用離子式煙霧傳感，電離產生的正、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，內外電離室的電流、電壓都是穩定的。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，破壞了內外電離室之間的平衡，煙霧感應器向STM32發送警報信息，STM32接收到警報信息后進行警報并向云端發送警報信息，從而防止火災的發生。在對門控制中，可以對光電感應器狀態信息的獲取實現門的自動開關，當檢測到門內用紅外信息時，STM32向舵機發送開門信息并將當前門的狀態上報到云，從而實現門的自動感應。在陽臺裝置的紅外感應器可以實現防盜功能，當獲取到異常信息時，自動觸發報警裝置和上報警報信息。溫濕度感應器采用的是DHT11溫濕度傳感器，STM32向溫濕度傳感器發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40bit的數據，并觸發一次信號采集，將采集的溫度高8位數據和濕度高8位數據上傳到云，實現對環境溫濕度的有效控制。
3.2 家居應用設備
家居應用設備包括：可調亮度LED燈、排氣扇、可調節轉速風扇、智能窗簾等。這些設備均與STM32F103C8T6芯片進行連接，從而實現對設備的遠程控制。通過STM32F103C8T6芯片向控制LED和風扇的串口發送PWM信號可實現對LED亮度和風扇轉速的控制。通過對控制電機電流的方向、大小的及工作時間的實現的控制，能夠準確的移動窗簾的位置，從而實現窗簾的智能化。當然，在實際應用中也可以根據用戶的需求進行設備的增減。
4 智能家居系統的測試分析
該智能家居系統通過一個智能家居模型進行調試分析，通過對各個模塊的分別調試，使得設備上傳的數據能準確上傳到云，云下發的指令能準確的控制各個對應的模塊，各個模塊都能夠實現自己對應的功能。之后將所有的模塊進行整合，整合后設備也能夠實現與之對應的功能，基本上實現了設計的初衷。在軟件部分，通過應用使用機智云開放的數據庫，進行對界面、功能的設計。開發的軟件訪問系統后臺服務器，進入機智云開發者中心進行調試，通過調試虛擬設備與手機軟件之間的數據傳輸，使之實現了準確數據傳輸。將云、手機軟件、硬件設備整合后，能實現準確的數據下發和上傳，從而實現了智能家居的遠程控制。
5 總結
智能家居系統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。該系統還存在不足之處，系統的穩定性、網絡的安全性、數據傳輸實時性等方面還是需要進一步研究。

ID:561169 · 發表于 2020-6-30 12:12

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