沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 劉 帥 王向東 劉芮辰

?

模塊式智能家居系統(tǒng)構(gòu)建

沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 劉 帥 王向東 劉芮辰

【摘要】智能家居系統(tǒng)以其人性化的設(shè)計越來越被人們所接受，然而其高昂的價格成為推廣的最大阻礙。對比高成本的智能家居系統(tǒng)以及無法完全滿足人們需求的低端產(chǎn)品，文章基于嵌入式技術(shù)設(shè)計了功能可以模塊化組合的降低成本智能家居系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】智能家居；嵌入式；模塊化

0　引言

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、通信技術(shù)及自動控制技術(shù)等有關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居設(shè)施的互聯(lián)，構(gòu)建智能的住宅設(shè)施管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)安全舒適且環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境［1］。智能家居以人為本的設(shè)計理念讓使用者體會到了科技帶來的生活改變，得到了人們極大的推崇，有著廣泛的市場前景。然而作為新興的市場產(chǎn)品，智能家居系統(tǒng)高昂的價格讓很多人望而卻步，成為其全面走向市場的阻礙［2］。本文以STM32F103ZET6為主控制器設(shè)計了模塊式低成本智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)擁有室內(nèi)溫濕度檢測功能、窗簾控制功能和室內(nèi)安全檢測功能的，同時擁有APP端主動控制、系統(tǒng)自動控制以及本地語音控制方式。

1　系統(tǒng)概況

系統(tǒng)各個功能模塊之間以路由器為核心，采用Wi-Fi方式組網(wǎng)，以星型結(jié)構(gòu)進(jìn)行鏈接。系統(tǒng)包含語音控制模塊、窗簾控制模塊以及室內(nèi)安全檢測功能模塊，其中室內(nèi)安全檢測功能包括漏水檢測、煙霧燃?xì)鈾z測和移動物體檢測。各功能模塊構(gòu)成系統(tǒng)的感知層［3］，系統(tǒng)工作時，感知層設(shè)備利用USR-WIFI232-S模塊連接到網(wǎng)絡(luò)，將采集到的信息發(fā)送至服務(wù)器，用戶端設(shè)備訪問服務(wù)器獲取該信息，可在APP界面顯示。手持設(shè)備通過APP可將指令發(fā)送至服務(wù)器，經(jīng)路由器傳至功能模塊，執(zhí)行相應(yīng)的指令動作。

2　硬件解決方案

2.1Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

功能模塊基于USR-WIFI232-S構(gòu)建了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。在USR-WIFI232-S集成模塊中可利用處理器的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時，擁有基頻芯片、支持射頻收發(fā)和MAC協(xié)議具備功率放大能力。該集成模塊支持IEEE802.11b/ g/n無線局域網(wǎng)以及TCP/IP傳輸控制協(xié)議，支持用戶的個性需求配置。在系統(tǒng)的功能拓展目模塊使用USR-WIFI232-S 模塊一方面便利的實(shí)現(xiàn)感應(yīng)層設(shè)備組網(wǎng)，另一方面實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)層設(shè)備與服務(wù)器通信。這種網(wǎng)絡(luò)連接方式為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊功能的增、減提供了技術(shù)便利。

2.2可重組功能模塊

部分功能模塊可插拔化的設(shè)計理念既能大程度的壓縮產(chǎn)品成本，又能夠提高系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的靈活性。在系統(tǒng)中擴(kuò)展的功能模塊設(shè)計成獨(dú)立的插拔形式，通過USB接口可實(shí)現(xiàn)與擁有無線組網(wǎng)能力的功能模塊的快速鏈接與分離。USB接口中包含電源線和數(shù)據(jù)線，用以實(shí)現(xiàn)模塊的供電和數(shù)據(jù)傳輸，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中采用IIC總線協(xié)議。同時，對于所有的功能模塊都擁有編碼，當(dāng)其掛載到總線時，系統(tǒng)識別編碼，避免出現(xiàn)混亂情況。在IIC總線掛載的設(shè)備中設(shè)有存儲器，本套智能家居系統(tǒng)中使用16KB非易失性鐵電隨機(jī)存儲器［4］即可滿足需求，將功能模塊采集到的家居信息保存到存儲器中，可優(yōu)化系統(tǒng)中各功能模塊的運(yùn)作。

2.3模塊功能原理

2.3.1語音控制功能

系統(tǒng)中基于LD3320芯片實(shí)現(xiàn)語音控制功能［5］，LD3320芯片擁有模擬量和數(shù)字量轉(zhuǎn)化功能，不需要額外添加Flash 和 RAM芯片，指令發(fā)出者不需要進(jìn)行特定的語音。其工作過程是：當(dāng)用戶發(fā)出語音指令后，LD3320芯片對語音指令進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換提取指令特征，之后將其特征與設(shè)定的指令列表進(jìn)行識別比對，將匹配最佳的做為識別結(jié)果。

2.3.2窗簾控制功能

系統(tǒng)中對于窗簾可以進(jìn)行手動控制、自動控制和語音控制。手動控制是用戶通過APP控制窗簾狀態(tài)；自動控制方式是系統(tǒng)根據(jù)功能模塊采集的家居信息以及存儲器中保存的信息，自主決定窗簾狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的動作；語音控制方式使得操作上具有極好的便利性，只通過語音指令就能完成對窗簾狀態(tài)控制，比如語音指令“小智，關(guān)窗簾”，其中“小智”是系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的指令，可以激活系統(tǒng)。此外，窗簾控制模塊中含有光敏電阻原件，用以收集外界信息，同時，將以獨(dú)立模塊形式設(shè)計的溫濕度測量功能模塊通過USB接口連接到窗簾控制模塊上，用以收集溫濕度信息，豐富窗簾自動控制模式依據(jù)。窗簾控制模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　窗簾控制模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3.3安全監(jiān)測功能

系統(tǒng)安全檢測功能包含漏水檢測、非法入侵監(jiān)測和煙霧燃?xì)鈾z測。對于漏水檢測功能，系統(tǒng)中主要利用NE555芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其電路設(shè)計圖如2所示。當(dāng)發(fā)生漏水時U6中的1、2兩端被導(dǎo)通，NE555芯片的3引腳輸出電平將發(fā)生變化。因此，處理器檢測NE555的3引腳的電平信號就可分辨出是否出現(xiàn)漏水情況。

圖2　NE555外圍電路

在系統(tǒng)中利用MQ系列傳感器進(jìn)行煙霧、燃?xì)獾臋z測，該系列的傳感器工作時需要外加加熱電壓 和測量電壓 。 加熱傳感器工作部件溫度，用以維持工作環(huán)境； 用來測量負(fù)載電阻 兩端的電壓 。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，電源能夠滿足 和 的工作需求，因此可以采用同一個供電電路。該傳感器是依據(jù)其在不同空氣濃度下導(dǎo)電率不同而實(shí)現(xiàn)煙霧檢測功能，其工作原理如圖3所示。

圖3　MQ系列傳感器工作原理圖

系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)移動物體檢測功能，利用多普勒原理［6］，設(shè)計了人體紅外感應(yīng)開關(guān)。該紅外檢測開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸探測，并且對工作環(huán)境要求較低，抗干擾能力強(qiáng)。此外，該紅外檢測開關(guān)的輸出功率小不對人體構(gòu)成危害。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測模塊工作后，一旦室內(nèi)發(fā)生非法入侵情況，在終端的APP中啟顯示“不安全”，同時語音報警，在終端的APP中可以手動關(guān)閉警報。

2.3.4溫濕度檢測

對于室內(nèi)溫度和濕度的測量，系統(tǒng)中使用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器其輸出是已校準(zhǔn)的數(shù)字信號，對溫度和濕度的分辨率分別為1℃和1%RH，測量精度為 ℃和 RH。在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中將此功能模塊制作成通過USB口插拔的獨(dú)立模塊，加大程度的壓縮了產(chǎn)品成本，并且提高了系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)的靈活性。模塊采集到的室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)通過IIC總線發(fā)送到具備無線網(wǎng)絡(luò)連接能力的模塊控制器中，之后通過服務(wù)器傳輸?shù)浇K端設(shè)備，在APP中顯示當(dāng)前測量值。同時，最新的數(shù)據(jù)將存儲到FM24C16芯片中，當(dāng)系統(tǒng)的功能模塊處于自動控制模式時，可讀取FM24C16芯片中的所有數(shù)據(jù)，作為動作執(zhí)行的依據(jù)。

圖4　APP程序流程圖

3　軟件解決方案

3.1IIC總線

IIC總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，是各種總線中使用信號線最少，并具有自動尋址、多主機(jī)時鐘同步和仲裁等功能。IIC總線只利用一條數(shù)據(jù)線（SDA）和一條時鐘線（SCL）即可完成數(shù)據(jù)傳輸和其他功能模塊的掛載，為了避免總線信號的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端時必須是漏極開路輸出或集電極開路輸出。設(shè)備上的數(shù)據(jù)線接口電路應(yīng)該是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。同時，時鐘線也必須是雙向的，一方面要通過時鐘線輸出時鐘信號，另一方面還要檢測總線上的時鐘電平?？偩€空閑時，上拉電阻使數(shù)據(jù)線和時鐘線都保持高電平。在系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)存儲芯片以及通過USB接口插拔的功能模塊掛載到IIC總線上，實(shí)現(xiàn)各個功能模塊在所有的工作模式下協(xié)調(diào)工作。

3.2APP編寫

智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)必須要有相應(yīng)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)中基于安卓操作系統(tǒng)，使用Java語言編寫APP程序，Java語言作為面向?qū)ο蟮膬?yōu)秀編程語言既涵蓋了C++語言的所有長處，又在編程過程中舍棄了C++語言中難懂的概念。故而，強(qiáng)大完備的功能以及簡單實(shí)用的操作是Java語言兩大顯著特征［7］。Java語言可使程序員以優(yōu)雅的思維方式解決復(fù)雜的編程問題，可稱為面向?qū)ο缶幊陶Z言的典范。程序流程圖如圖4所示。

4　總結(jié)

本文以模塊式的理念設(shè)計了一套低成本、功能增減靈活的智能家居系統(tǒng)。部分功能設(shè)計成獨(dú)立模塊形式，一方面降低了產(chǎn)品成本，另一方面也使得系統(tǒng)功能可按需組合。擁有APP端控制、語音控制、自動控制多種控制方式使得系統(tǒng)的操作更加人性化。與目前市場上的其它智能家居相比在價格方面和靈活上具有顯著優(yōu)勢，因此，本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)擁有大范圍推廣的潛力，為智能家居系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供一種可行的設(shè)計方案。

參考文獻(xiàn)

［1］馬振，宋雅慶，王珂，陳超.低成本智能家居系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化儀表，2015，3（3）：49-52.

［2］朱敏玲，李寧.智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來淺析［J］.電視技術(shù)，2005（4）：82-86.

［3］申斌，張桂清，汪明，李成棟.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.自動化儀表，2013（2）：6-10.

［4］周保國.16kbit非易失性鐵電存儲器芯片F(xiàn)M25C160原理及其應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品世界，2003（8）：76-78.

［5］禹琳琳.語音識別技術(shù)及應(yīng)用綜述［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（3）：43-45.

［6］劉馨寧，黃宇，孫協(xié)昌，李勐.非勻速運(yùn)動環(huán)境對超聲波相位測距影響研究［J］.電子設(shè)計工程，2016，24（3）：192-132.

［7］谷慶華，李成貴.基于Java語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問［J］.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，18（2）：13-16.