桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 陳永威 馮必慶 范春鵬 趙 雪 陳光磊

本文介紹了設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居云管家讓它去幫助人們管理家中一切事物的智能設(shè)備，如:通過互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)電視、音響、門禁、安防、監(jiān)控、照明、遠(yuǎn)程家電控制、背景音樂等用電器統(tǒng)一管理，創(chuàng)造了高效、舒適、安全、便捷、環(huán)保的居住環(huán)境。

通過對(duì)市場上大多數(shù)智能家居產(chǎn)品的了解，發(fā)現(xiàn)市場上出售的產(chǎn)品都是通過改變對(duì)家居的控制方法達(dá)到所謂的“智能”，絕大部分這樣的工作還需要人去完成。所以智能家居云管家勵(lì)志為用戶解決家中“后顧之憂”，讓家居能在用戶出差或出游時(shí)代為打理家中的一切，包括室內(nèi)溫濕度控制，家電開關(guān)狀況等，也能在深夜熟睡時(shí)代替用戶看家護(hù)院，甚至為年老用戶自動(dòng)提供適合老年人的家居環(huán)境，并能將溫濕度，紅外警報(bào)，煙霧警報(bào)，門窗狀態(tài)在第一時(shí)間通過云端發(fā)送到用戶的手機(jī)上。

引言：幾年前，“智能家居”還是一個(gè)遙不可及、純粹想象的概念。而如今，隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，數(shù)碼屋、抗菌開關(guān)、光化照明、智能開關(guān)、智能家居系統(tǒng)，這些日趨熟悉與親切的字眼，讓我們發(fā)現(xiàn)：智能家居新時(shí)代來臨了！國內(nèi)的華為、小米等廠商都加入了智能家居這個(gè)領(lǐng)域的爭奪，智能家居的市場百花齊放，令用戶眼花繚亂。各式各樣的APP充斥著用戶的手機(jī)，在眾多APP的切換中用戶苦不堪言。由此引發(fā)設(shè)想，設(shè)計(jì)一個(gè)超級(jí)終端，能管理家中所有的智能設(shè)備，令智能家居真正的褪繁從簡，引入陀螺儀傳感器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制給用戶帶來前所未有的操作快感。

1 系統(tǒng)方案

1.1 主控選擇

在從成本，功耗，環(huán)境，性能等多方面考慮我們最終選取了STM32F103“增強(qiáng)型”系列。STM32F1系列屬于中低端32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，工作溫度范圍：-40℃至+85℃，保證了在極端環(huán)境正常運(yùn)行。由此選用該款芯片為主控。

1.2 通信協(xié)議選擇

由圖1-1可知ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡言之，ZigBee就是一種便宜，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。在發(fā)射功率為0dBm的情況下，藍(lán)牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米(TI CC2530不加功率放大)。所以ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術(shù)。因此通過該款Zigbee傳感器來完成我們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。

1.3 系統(tǒng)選擇

每個(gè)電子設(shè)備都擁有一個(gè)嵌入式系統(tǒng)來完成各個(gè)部分的任務(wù)。如圖1-2可知uC/OS-III(Micro C OS Three 微型的C 語言編寫操作系統(tǒng)第3版)是一個(gè)可升級(jí)的，可固化的，基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)內(nèi)核。它對(duì)任務(wù)的個(gè)數(shù)無限制。uC/OS-III 是一個(gè)第3 代的系統(tǒng)內(nèi)核，支持現(xiàn)代實(shí)時(shí)內(nèi)核所期待的大部分功能。例如資源管理，同步，任務(wù)間的通信等。然而，uC/OS-III 提供的特色功能在其它的實(shí)時(shí)內(nèi)核中是找不到的，比如說完備的運(yùn)行時(shí)間測量性能，直接地發(fā)送信號(hào)或者消息到任務(wù)，任務(wù)可以同時(shí)等待多個(gè)內(nèi)核對(duì)象等。而且uC/OS-III最主要的目標(biāo)是提供一流的實(shí)時(shí)內(nèi)核以適應(yīng)更新很快的嵌入式產(chǎn)品。使用像uC/OS-III 那樣具有雄厚基礎(chǔ)和穩(wěn)定框架的商業(yè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，能夠幫助設(shè)計(jì)師們處理日益復(fù)雜的嵌入式設(shè)計(jì)。

圖1-1 Zighee、Bluetooth、WiFi、傳輸標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

表1-2 主流嵌入式硬件支持對(duì)比

1.4 無線充電方案

電源充電部分我們采用當(dāng)前最流行的無線充電技術(shù)，這種方式簡捷，方便，告別了原始線充帶來的種種障礙。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了各式各樣的無線充電模塊，我們只要設(shè)計(jì)出一個(gè)能將接收線圈轉(zhuǎn)換出來的電壓再進(jìn)行充電的電路即可實(shí)現(xiàn)本功能，發(fā)射模塊原理圖如圖1-3所示。

圖1-3 無線充電發(fā)射原理圖

1.5 云端選擇

使用氦氪云來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程距離的傳輸，氦氪云是屬于杭州氦氪科技，是做智能家居一體化解決方案的，可以理解成一站式。通俗點(diǎn)說氦氪就是幫助客戶解決產(chǎn)品改造的要求，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成本都很透明的，而氦氪云的優(yōu)勢就在于性價(jià)比。

1.6 外觀設(shè)計(jì)

如圖1-4所示外觀整體采用3打印技術(shù)制作，顏色為整潔的乳白色。尺寸設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)，長寬高分別為：6.5cm*6.5cm*6.5cm，適合一手操控。蜂鳴器以及麥克風(fēng)位于機(jī)身左側(cè)，1.44寸TFT屏位于機(jī)身前端。

圖1-4 智能家居云管家外觀設(shè)計(jì)圖

1.7 整體方案

圖1-5為整體框架圖，通過Zigbee將家中所有可控設(shè)備經(jīng)傳感器，數(shù)據(jù)通過Zigbee發(fā)送至智能家居云管家中，我們的“管家”通過處理這些數(shù)據(jù)開啟相應(yīng)的任務(wù)，對(duì)家庭進(jìn)行管理。同時(shí)會(huì)將家中的狀況時(shí)時(shí)通過WIFI傳送至云端，云端再將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP，方便用戶查看。

同時(shí)用戶忙碌時(shí)也能通過語音模塊進(jìn)行操作，或者通過姿態(tài)進(jìn)行手動(dòng)控制，而且在“管家”的底部還裝載了無線充電線圈，方便用戶隨時(shí)隨地的快捷充電。

圖1-5 整體框架圖

2 實(shí)現(xiàn)原理

2.1 硬件部分

2.1.1 主板電路實(shí)現(xiàn)

主板硬件款圖如圖2-1所示：主控STM32F103單片機(jī)的3個(gè)串口分別控制Zigbee，WIFI以及語音的通信，并且通過IO口模擬SPI通信協(xié)議對(duì)顯示屏操作，顯示對(duì)應(yīng)的控制畫面，同時(shí)也是采用IO口模擬SPI通信協(xié)議對(duì)MPU-6050陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取。

對(duì)溫濕度的采集是通過IIC通信協(xié)議對(duì)DHT11溫濕度模塊獲取溫濕度的數(shù)據(jù)。

整體設(shè)計(jì)為模塊化可拆卸設(shè)計(jì)，方面調(diào)試與維護(hù)。

圖2-1 主板硬件款圖

2.1.2 無線充電的實(shí)現(xiàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)電流的工作方式進(jìn)行充電，依據(jù)法拉第的電生磁原理，在發(fā)射線圈部分設(shè)計(jì)了出一塊適合普通安卓線連接的電路結(jié)構(gòu)圖，使接收線圈與之感應(yīng)。在接收線圈部分通過接收線圈和T3168芯片轉(zhuǎn)換出來的5V的額定電壓經(jīng)過升壓模塊將升到12V輸入到充電電路中，由于我們是給7.4v的鋰電池充電的，考慮到安全性方面我們采用的是一款工作電壓為12V～9V專門給鋰電池充電的SUN4004S功能芯片。

2.2 軟件部分

2.2.1 uC/OS-III的任務(wù)管理實(shí)現(xiàn)

圖2-2 任務(wù)的處理流程圖

任務(wù)的處理流程如圖2-2所示：在我們的智能家居云管家中，搭載ucosiii的最大好處就是提供多線程，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCos里，多線程被稱為多任務(wù)(Task)。多任務(wù)并不是CPU能真正同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，實(shí)際是靠CPU在多個(gè)任務(wù)之間轉(zhuǎn)換切換實(shí)現(xiàn)的，CPU輪番的服務(wù)于一系列的任務(wù)，這樣CPU在宏觀上好像在同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，實(shí)際在微觀上CPU絕對(duì)是“單任務(wù)”的。這里要注意區(qū)別多線程和多核，如果系統(tǒng)里是有多個(gè)CPU，則可以實(shí)現(xiàn)真正的多線程了。

在程序中我們構(gòu)建了四個(gè)任務(wù)，分別是：串口任務(wù)，用來管理MCU接收和發(fā)送三個(gè)串口。陀螺儀數(shù)據(jù)采集任務(wù)，用于實(shí)時(shí)獲取姿態(tài)信息。已經(jīng)主程序任務(wù)：用于實(shí)時(shí)顯示必要信息。最后還有個(gè)啟動(dòng)任務(wù)的引導(dǎo)任務(wù)。經(jīng)過合理的調(diào)試保證了在上電狀態(tài)都至少有倆任務(wù)在線，保證最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

2.2.2 安卓客戶端

當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化和信息化的社會(huì)，科技日漸發(fā)達(dá)，物質(zhì)生活日漸豐富，自然而然，社會(huì)競爭也日趨激烈。要在這樣的一個(gè)社會(huì)中及時(shí)獲得信息，正確并有效地分析。從目前獲得消息的各種渠道來分析，最為快捷方便的莫過于我們的智能手機(jī)了。它攜帶方便，能夠讓我們無論何時(shí)何地都能夠及時(shí)了解外界發(fā)生的一切。而Android系統(tǒng)又是所有智能操作系統(tǒng)中份額最大的，超過80%。它以開源免費(fèi)的特色而深受廣大消費(fèi)者和開發(fā)者的喜愛。無論是在國內(nèi)還是國外，一躍成為了份額最高的智能手機(jī)操作系統(tǒng)。研究它，了解它的各個(gè)組件使用原理是十分有意義的。

2.3 陀螺儀數(shù)據(jù)計(jì)算

陀螺儀芯片采用MPU6050，通過讀取陀螺儀芯片內(nèi)部寄存去獲取原始數(shù)據(jù)，再數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，即DMP，并且，InvenSense提供了一個(gè)MPU6050的嵌入式運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)庫，結(jié)合MPU6050的DMP，可以將我們的原始數(shù)據(jù)，直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，而得到四元數(shù)之后，就可以很方便的計(jì)算出歐拉角，從而得到y(tǒng)aw、roll和pitch。使用內(nèi)置的DMP，可以大大簡化代碼設(shè)計(jì)，MCU不用進(jìn)行姿態(tài)解算過程，大大降低了MCU的負(fù)擔(dān)，從而有更多的時(shí)間去處理其他事件，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

在經(jīng)過多次的采樣數(shù)據(jù)計(jì)算出控制量與yaw、roll和pitch的關(guān)系。

表達(dá)式如下：

LED亮度：LED_degree = -yaw/3.1；

溫度：temperature_degree = -0.2*yaw-22；

音樂大?。簃usic_gree = -0.26*yaw-13.2；

計(jì)算出控制量，然后通過Zigbee發(fā)送給下位機(jī)執(zhí)行。

圖2-3 氦氪云整體流程圖

2.4 云端

如圖2-3所示選擇標(biāo)準(zhǔn)透傳固件模塊對(duì)接的開發(fā)者在設(shè)備開發(fā)中只需要關(guān)注MCU開發(fā)，設(shè)備配網(wǎng)、設(shè)備連接、消息收發(fā)等流程已在氦氪模塊中完成。

3 結(jié)論

隨著科技發(fā)達(dá)、時(shí)代的發(fā)展，智能家居也逐漸步入人們家庭中。智能云管家最基本的要求是操作簡單、使用方便、智能管理用電器。讓人們擺脫復(fù)雜繁瑣的傳統(tǒng)操作，提高生活效率。智能家居云管家具備聯(lián)網(wǎng)的功能：當(dāng)連接上WIFI之后人們可以通過手機(jī)或者互聯(lián)網(wǎng)在任何地點(diǎn)、任何時(shí)候，進(jìn)行查看和操控家中用電器的狀態(tài)，如：下班回家用手機(jī)遠(yuǎn)程打開空調(diào)，有人入侵時(shí)自動(dòng)打開攝像頭并將畫面?zhèn)魉偷交ヂ?lián)網(wǎng)上等各種功能。給人們生活的處所安裝一個(gè)智慧的“大腦”，使居住更舒適。讓科技使人們的生活變得更加的簡單化。