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    基于物联网技术的智能家居系统模型设计


    作者:转自物联网技术   |   发布时间:2019-11-04   |   点击数:78

    引言

    物联网(Internet of Things,IoT)指物物相连的互联网[1],它是新一代信息技术的重要组成部分,也是“信息化”时代的重要产物。现阶段,随着物联网技术在欧美等发达国家的迅速发展,我国政府对国内发展物联网的方向目标给予了明确指示,未来将物联网发展上升至国家战略新兴产业层面。作为物联网的一部分,智能家居[2] (smart home,home automation)是以住宅为平台,利用物联网技术构建的高效住宅设施及管理系统,智能家居系统可根据住宅内的实际情况做出合理反应,同时,运行过程中无需用户过多干预,可实现环保节能,提升居住环境的安全性、便利性、舒适性、艺术性。

    为了能使传统的家居产品变成智能化、人性化且具有家庭环境感知及信息交流等功能的智能家居。本研究通过对物联网技术的研究,综合互联网、无线通信、物理电路、传感器等技术,设计并构建了具有安全、舒适、个性化环境的智能家居系统。该系统具有智能照明、光感窗帘、可燃气检测、背景音乐、中央换新风、OLED红外控制以及远程手机APP控制等功能。智能家居系统的设计包括器件选型、硬件电路设计以及软件设计。

    (1)器件选取方面,本次智能家居系统的设计主要依托STC15F2K60S2系列单片机。为了达到研究效果,在设计过程中,器件的选择还包括传感器、通信模块、解码器、电源等硬件设备。

    (2)硬件电路设计方面,本研究设计了基于AMS1117-3.3的电源转化电路;基于VS1003B解码芯片的解码电路和基于TF卡电路的MP3电路;OLED驱动显示电路等。

    (3)软件设计方面,本次设计主要通过单片机控制,设计了具有网络远程控制能力、传感器环境参数读取并完成智能控制功能以及近程OLED人机交互的人性化智能家居系统。

    智能家居模型搭建包括整体房屋功能区的搭建、合理的布局传感器位置及光感窗帘的机械结构设置。硬件制作和软件编写过后,得到实物模型。实物装配完成后必须对其进行调试,检查设计功能是否能够成功实现。系统调试完成后本次智能家居系统设计的作品才算真正意义上的功能实现。

    智能家居系统设计

    1.1  器件选型

    为了达到研究效果,选择合理的器件是首要任务,本研究的器件选型见表1所列。

    1.2  硬件电路设计

    本研究的智能家居系统设计主要依托于STC15F2K60S2系列单片机,单片机电路如图1所示。为达到研究目的,还设计了以下电路。

    (1)基于AMS1117-3.3的电源转化电路。因为本研究设计的智能家居系统供电为直流5V12V12V电压用于驱动窗帘、换新风电机,5V电压为主控MCU供电,但一些使用到的芯片供电电压为3.3 V,因此使用AMS1117-3.35V电压降至3.3V为芯片供电。 

    (2)MP3电路设计中设计了基于VS1003B解码芯片的解码电路和TF卡电路。因为此次智能家居系统设计采用了单片机控制播放、TF(SD)卡存储音乐文件、VS1003B解码芯片解码方式,单片机与TF卡的接口为SPI,音乐播放时单片机定时将音乐数据从TF卡内读出,通过SPI接口传输到VS1003B芯片将数据转换为模拟信号后由扬声器发声。

    (3) OLED驱动显示电路。因为OLED的数据接口为SPI接口,字库芯片GT20L16S1Y接口也为SPI接口,且单片机引脚有限,因此在设计电路时将其MOSICLCK公用。

    (4)红外通信电路。本次设计采用已集成的红外线发射器作为红外通信设备。

    (5)红外物体检测电路。

    (6)电灯驱动电路。本设计使用的电灯模拟器件为LED[4-7],由于单片机驱动电流较小无法直接驱动LED灯,因此设计了单片机输出信号驱动三极管导通,从而点亮LED灯。

    (7)使用DS1302计时芯片设计时钟电路。

    (8)运用拥有高性能无线SOC,内部具有32位高性能MCU的乐鑫ESP8266设计WiFi通信模块电路。

    (9)温湿度、光照传感器电路设计。本设计采用的温湿度、光照传感器均为I2C接口.地址不同,可以同时连接到同一I2C总线,分时读取传感器数据,大大节省了单片机的I/O资源。传感器设计电路如图2所示。

    1.3  软件设计

    本研究的软件设计包括OLED菜单显示、I2C驱动程序设计、时钟程序设计、窗帘功能设计、智能换新风与报警功能设计、MP3播放程序设计、闹钟功能设计、灯光控制设置、手机智能家居网络通信设计共9部分。

    (1) OLED菜单显示。受数字电路中状态机的启发,OLED显示将基于状态机完成。

    (2)I2C驱动程序设计。温度传感器LM75A、光照传感器、温湿度传感器均采用I2C总线形式,每个温度传感器有唯一的地址,温度数据读取包括如图3所示的光照、温度数据和图4所示的温湿度传感器数据。

    (3)时钟程序设计。时钟芯片与单片机通信具有严格的时序,时钟芯片实现的接口有读取时间Read_time和设置时间Set_tiem,手机通过APP与智能家居进行时间同步。

    (4)窗帘功能设计。本模型窗帘具有环境感知功能,当外界光照发生变化时,MCU根据用户预设的光照阈值自动拉开/关闭窗帘,除自动控制外,还可通过遥控或手机APP一键关闭/拉开窗帘。窗帘控制如图5所示。

    (5)智能换新风与报警功能设计。通过手机APP设定烟雾可燃气体浓度值,当传感器检测到的数据超过阈值时启动换新风功能,当浓度过大有危险时,自动向手机端发送警报信息,换新风功能也可通过遥控器和手机APP控制。

    (6)MP3播放程序设计。本次智能家居系统设计采用了单片机控制播放、TF (SD)卡存储音乐文件、VS1003B芯片解码的方式实现,音乐播放时单片机定时将音乐数据从TF卡内读出后通过SPI接口传输到VS1003B解码,VS1003B芯片将数据转换为模拟信号后由扬声器发声。设计的音乐播放可由遥控器或手机端APP控制。

    (7)闹钟功能设计。本研究基于常规的闹钟功能设计理念,设计了能用手机APP控制播放音乐的闹铃。

    (8)灯光控制设置。灯光的开关控制通过光照传感器、红外人体感应共同决定,当光线过暗时,如果红外感应到房间内有人则打开灯,如果光线较强,则无论是否检测到人都不会自动开灯。灯光还可由遥控器和手机APP控制。

    (9)手机智能家居网络通信设计。本研究的单片机通过串口与WiFi模块ESP8266[8]实现数据交换,单片机发送命令接入家中无线路由从而接入互联网。但手机和智能家居都属于内网,无法简单直接访问,需要具有公网地址的服务器做数据转接。因此租用了腾讯公司的云服务器,在云服务器上实现Socket数据接收转发,手机端APPSocket客户端。

    智能家居模型搭建

    2.1  整体房屋功能区搭建

    本次智能家居系统在手工房屋模型上实现。智能家居的基础设计构思作为依据进行功能区搭建。除基础模型搭建外,一些所用外设的界面也需要根据实际应用的需求进行设计。图6所示为房屋模型,图7所示为功能布区,图8所示为功能构架分层。

    2.2  传感器位置

    本次设计实现了智能照明、光感窗帘、可燃气检测、背景音乐、中央换新风、OLED红外控制(数据参数查询、网络状态查询和基础功能开关)以及远程手机APP控制(红外所有功能以及外延参数设计)等功能。为了使智能家居系统更加人性化并保证住户的安全,合理布局传感器尤为重要。传感器应根据家庭环境的实际需求进行布局。本次智能家居的传感器位置针对房屋功能区的用途和区域进行了细致划分,以保证各功能区的空间及功能。传感器位置如图9所示。

    2.3  光感窗帘的机械结构

    利用红外可检测物体的特性,将其用于本次设计中窗帘端的限位,当窗帘由电机驱动打开或关闭时,红外检测到窗帘到达两端时单片机控制电机停止转动。窗帘机械结构[7]加红外探测示意如图10所示。

    系统调试及测试

    硬件制作和软件编写后,得出本次智能家居系统模型实例。实物完成后必须对其进行调试,检查设计功能是否实现。调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试。

    3.1  系统硬件部分调试方法

    硬件调试[9]主要包括测试各部分的焊接情况以及各硬件部分能否完成设计功能,如测试是否有短路和虚焊、测试输入输出电压、测试ISP下载、测试串口通信。

    由于显示系统功能的测试需要软件配合,所以在硬件调试部分只测试单片机复位电平,功能部分测试放在系统联合调试部分完成。

    3.2  软件调试方法

    软件调试[9]是软件编译和将各功能块程序分别写入以验证其功能的可实现性。在进行功能调试前须用KEIL对所有程序进行编译,编译成功产生可执行的.hex后方可进行功能测试。

    测试串口程序的功能是否完善不但要连接单片机系统还要借助串口调试工具。串口调试工具[10]选用串口调试助手,按照设定的串口、波特率向单片机发送数据和接收单片机向PC机发送的数据,并把发送和接收的数据内容显示在状态栏内。因此只要设定PC机向单片机发送的内容和单片机向PC机发送的内容就可以通过串口调试助手验证串口通信是否准确,是否满足功能要求。

    串口程序测试成功后为测试程序提供准确的显示内容。显示程序和中断程序编译成功后进行联合调试,以验证其功能的可行性。

    3.3  系统联合调试

    经过硬件调试和软件调试,排除了硬件的连接问题并验证了串口功能的可实现性,其余功能可在此基础上调试验证。为了能够完成联合调试,在家居模型上进行智能家居系统环境模拟测试,检测各功能传感器读取数据及反馈能力,然后进行远程云服务数据传输测试,检测网络连接远程控制是否能够正常运行。最后通过多状态并行来测试系统的稳定性和可操作性。

    结语

    近年来,随着新兴信息技术的发展,智能家居等高技术和新知识已经影响到了人类生活和学习的方方面面,改变着人类的生活习惯和思考方式,使家庭生活变得更加现代化,衣食住行变得更加舒适,居住环境变得更加安全。我们只有不断学习和进步才能跟得上时代的步伐,才能用我们学过的物联网相关知识更好地解决现实生活中存在的问题,提高我们的生活质量。

    参考文献

    [1] KESKIN A F,ARABUL A Y,KUMRU C F, et al. Providing energy management of a fuel cell-battery-wind turbine-solar panel hybrid off grid smart home system[J]. International journal of hydrogen energy,2017, 42(43):26906-26913.

    [2]吴功宜,吴英.物联网技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2015.

    [3]STOJKOSKA B L R,TRIVODALIEV K V.A review of Internet of Things for smart home: challenges and solutions[J].Journal of cleaner production, 2017,140:1454-1464.

    [4]VANUS J,NOVAK T,KOZIOREK J, et al.The proposal model of energy savings of lighting systems in the smart home care [Z]. The proposal model of energy savings of lighting systems in the smart home care,2013.

    [5]郭昱明,郭佳颖,侯瑞琦.基于物联网的智能家居照明系统[J].电子世界,2014(16):9-10.

    [6]梁人杰.智能照明控制技术发展现状与未来展望[J].照明工程学报,201425(2):15-26.

    [7]杨平,李少林,谭刚林.智能家居照明系统设计[A]//高精度几何量光电测量与校准技术研讨会论文集,2008.

    [8]闵丽娟,卢捍华,陈玲,等.智能家居的系统结构及相关无线通信技术研究[J].计算机技术与发展,2011,21(8):169-172.

    [9]SMIREK L,ZIMMERMANN G,BEIGL M.Just a smart home or your smart home? a framework for personalized user interfaces based on eclipse smart home and universal remote console [J].Procedia computer science,2016,98:107-116.

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