楊一超 李志豪 劉東波 王云龍 趙瑩

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)生活品質(zhì)要求也提高，基于wifi的智慧家園系統(tǒng)是提高人們家居生活品質(zhì)的安全性、便利性、舒適性的一個(gè)行之有效的方案，因而智慧家居的概念應(yīng)運(yùn)而生。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為智慧家居控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)，ESP8266，智慧家居，智慧家園

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括四個(gè)小系統(tǒng)：智能門禁系統(tǒng)、家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自能澆花系統(tǒng)、自能照明系統(tǒng)。設(shè)計(jì)理念從容易上手、容易操作、能耗更低等的概念出發(fā)，采用單片機(jī)STM32F103RCT6為主控、氣體傳感器（MQ-135）和溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)獲取家庭當(dāng)前環(huán)境信息;采用單片機(jī)Arduino采集土壤溫濕度傳感器、超聲波傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)獲取花盆的信息;采用AT89C52單片機(jī)和樹(shù)莓派來(lái)獲取圖像和指紋信息;采用Nodemcu來(lái)獲取光照信息、紅外、手勢(shì)等信息。然后通過(guò)wifi模塊（ESP8266）將數(shù)據(jù)包上傳至云平臺(tái)，利用安卓手機(jī)連接上網(wǎng)后，打開(kāi)相應(yīng)的APP，可以查看到各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，也可以對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行控制。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了容易上手、容易操作、能耗更低、測(cè)量精度高以及針對(duì)該系統(tǒng)特定的APP等功能，并且本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性，由于通訊采用無(wú)線模塊，緊急情況仍然可以產(chǎn)生報(bào)警信息，是一種可行的智慧家居系統(tǒng)的方案。

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速普及和發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也緊隨其后，人們對(duì)生活的舒適性、便利性、安全性的要求也在不斷提高。人們需要一套集智能門禁系統(tǒng)、家庭環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、智能澆花系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)等系統(tǒng)為一體的智慧家園系統(tǒng)。

本文結(jié)合人們的實(shí)際需要設(shè)計(jì)出操作簡(jiǎn)單、成本低廉、小巧便捷的智慧家園系統(tǒng)并分別詳細(xì)闡述了四個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程。在硬件部分四個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異不大，主要分為電源模塊、主控模塊、通訊模塊、傳感器模塊、顯示模塊、其他外設(shè)等幾個(gè)部分構(gòu)成。軟件方面主要過(guò)程為：各主控采集傳感器信息并同各個(gè)通訊模塊發(fā)送到手機(jī)APP上，用戶可以在手機(jī)上查看信息和發(fā)送控制指令到主控，各主控根據(jù)具體的控制指令進(jìn)行相應(yīng)操作，部分子系統(tǒng)可以在本地進(jìn)行操作或者通過(guò)傳感器采集到的信息自動(dòng)調(diào)節(jié)某些外設(shè)的工作狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試，各系統(tǒng)可以正常工作，基本達(dá)到預(yù)期效果，相關(guān)實(shí)現(xiàn)方案是關(guān)于基于wifi的智慧家園系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不錯(cuò)的方案。

1 本系統(tǒng)的技術(shù)介紹

1.1 智能門禁系統(tǒng)

主要由單片機(jī)（AT89C52RC）、AS608指紋模塊、4x4矩陣模塊，1602液晶顯示模塊，蜂鳴器，LED小燈構(gòu)成。其中單片機(jī)作為主控中心，，負(fù)責(zé)信息的采集和處理、指令發(fā)送、驅(qū)動(dòng)OLED顯示等功能。AS608指紋模塊識(shí)別存儲(chǔ)指紋以及根據(jù)單片機(jī)串口發(fā)出的指令執(zhí)行其他的操作。4x4矩陣模塊用于驗(yàn)證數(shù)字密碼、管理員模式交互、鎖門等信息的輸入。1602液晶模塊用于顯示人性化信息，方便用戶和其他設(shè)備交互。蜂鳴器用于指紋識(shí)別成功、開(kāi)門、關(guān)門、系統(tǒng)初始化成功等提示、LED主要用于提醒系統(tǒng)工作狀態(tài)，避免系統(tǒng)死機(jī)。本系統(tǒng)具有指紋開(kāi)鎖、密碼開(kāi)鎖、修改密碼、檢測(cè)指紋是否存在顯示密碼、添加指紋、自動(dòng)搜索最小空位ID、刪除單個(gè)指紋、清空指紋庫(kù)、顯示指紋ID等常用功能。樹(shù)莓派在Raspbian OS系統(tǒng)下安裝python，在python庫(kù)opencv和face_recognition的幫助下找到攝像頭采集的圖像中的人臉、計(jì)算人臉特征碼并用矩形標(biāo)記其中的人臉，將特征碼和白名單的人臉特征碼比對(duì)，得到結(jié)果并記錄。[2]智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)是課題的核心系統(tǒng)，主要由單片機(jī)（STM32F103RCT6）、ESP8266 WiFi模塊、溫濕度檢測(cè)模塊DHT11、煙霧傳感器MQ-135模塊、0.9寸OLED顯示模塊、蜂鳴器模塊、LED模塊構(gòu)成。[3]本系統(tǒng)將采集到的信息上傳至阿里云，用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP、OLED等途徑查看到本地系統(tǒng)信息。家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

1.3 智能澆花系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)（Arduino）、超聲波模塊、土壤濕度檢測(cè)模塊、水泵模塊、水箱、兩盆土壤、蜂鳴器模塊、繼電器模塊等構(gòu)成。本系統(tǒng)由主控單片機(jī)間隔恒定時(shí)間通過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊和檢測(cè)土壤濕度檢測(cè)模塊的AD值、該AD值與土壤濕度正相關(guān)，由此可以得到土壤濕度的值、若土壤濕度值低于設(shè)定值則主控將驅(qū)動(dòng)繼電器接通水泵電源，水泵抽出水箱里的水流向花盆，同時(shí)繼續(xù)檢測(cè)土壤濕度，若土壤濕度位于設(shè)定值之上則驅(qū)動(dòng)繼電器斷開(kāi)水泵電源停止抽水，澆水過(guò)程完成。同時(shí)主控通過(guò)超聲波模塊間隔恒定時(shí)間檢測(cè)水箱深度，計(jì)算可獲得水箱深度，當(dāng)水箱深度低于設(shè)置的臨界值即驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作、提醒用戶及時(shí)補(bǔ)充水箱水量。

1.4 智能照明系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要Nodemcu開(kāi)發(fā)板、兩個(gè)12vLED燈、WS2812彩燈、GY-9960紅外手勢(shì)傳感器、人體紅外傳感器、光敏傳感器等構(gòu)成。其中Nodemcu作為主控，內(nèi)置ESP-12F作為主控芯片，可用于聯(lián)網(wǎng)。兩個(gè)LED分別用在入戶門和客廳，WS2812用于臥室彩燈。GY-9600可用于控制彩燈顏色。入戶門檢測(cè)到開(kāi)門聲或者其他判斷依據(jù)時(shí)亮起。經(jīng)過(guò)恒定時(shí)間自動(dòng)熄滅?？蛷d燈白色亮度可手動(dòng)按鍵調(diào)、根據(jù)光線強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)、用戶也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)主動(dòng)調(diào)節(jié)亮度大小。臥室彩色燈，可通過(guò)手勢(shì)傳感器，顏色閃爍等參數(shù)聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)整體方案與硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 指紋識(shí)別模塊電路設(shè)計(jì)

AS608是一款常見(jiàn)的指紋識(shí)別模塊。內(nèi)置 DSP 運(yùn)算單元，能夠高效快速采集圖像、識(shí)別指紋特征。具有性能高，使用方便的優(yōu)點(diǎn)。用戶無(wú)需過(guò)多的關(guān)注困難的圖像處理算法和指紋識(shí)別算法，僅需要通過(guò)簡(jiǎn)單的串口按照數(shù)據(jù)手冊(cè)的通訊協(xié)議便可控制模塊。

智能門禁系統(tǒng)的AS608和AT89C52單片機(jī)連接電路圖如圖3所示：

2.1.2 可燃?xì)怏w采集電路設(shè)計(jì)

MQ-135傳感器需要加熱電壓時(shí)之正常工作，加熱電壓一般選取5V左右，這樣可以加快加熱速度，其他感應(yīng)材料反應(yīng)也更加完全，數(shù)據(jù)會(huì)更加準(zhǔn)確，加測(cè)電壓一般大于2V就可以，但也無(wú)需太大，以防電壓太大燒掉電路。

MQ-135和單片機(jī)的硬件連接圖如圖4所示。

2.1.3 溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

DHT11是最常見(jiàn)的數(shù)字溫濕度傳感器之一，他的內(nèi)部包含數(shù)字信號(hào)電路可進(jìn)行自我校準(zhǔn)，獨(dú)特的技術(shù)保證了模塊的可靠而且穩(wěn)定的性能。采用串行接口，僅需一根信號(hào)線，減少IO口的占用。

DHT11溫濕度傳感器預(yù)留出了四個(gè)接口，只需要將傳感器的接口和是單片機(jī)引腳連接即可。

2.1.4 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

有源蜂鳴器作為報(bào)警裝置，當(dāng)存在危險(xiǎn)時(shí)，或者有火焰被檢測(cè)到時(shí)，就會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警。由于電流不夠，有源蜂鳴器無(wú)法直接被單片機(jī)引腳輸出電壓驅(qū)動(dòng)，所以需要加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。

蜂鳴器由于自帶開(kāi)關(guān)，所以連接一個(gè)GPIO引腳即可。

2.1.5 超聲波傳感器電路設(shè)計(jì)

超聲波傳感器用于測(cè)量傳感器到水面之間的距離，可根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算水箱剩余水量，本系統(tǒng)采用HC-SR04模塊，該傳感器可以測(cè)量最遠(yuǎn)13英尺遠(yuǎn)的物體范圍。HC-SR04具有功耗，性價(jià)比高，易于連接以及應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。

2.1.6 土壤濕度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

土壤濕度傳感器模塊（4線制）用于測(cè)量待測(cè)土壤的濕度信息。內(nèi)LM393運(yùn)放芯片，LM393是常用的運(yùn)放芯片，是土壤濕度檢測(cè)模塊的主要部分。接在土壤濕度傳感器端的兩個(gè)電極插入土壤中，由于土壤中的水有一定的導(dǎo)電性，所以土壤濕度的變化會(huì)導(dǎo)致土壤的等效電阻值發(fā)生一定的變化，這個(gè)變化的電阻信號(hào)會(huì)導(dǎo)致的電壓信號(hào)變化，這個(gè)電壓與電壓比較器提供的的基準(zhǔn)電壓相比較。

2.1.7 12VLED電路設(shè)計(jì)

L298N是一個(gè)接收較高壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，常用于小車之中，可用主控的TTL電平控制較高電壓，較高電壓范圍為6-46V，常用12V，在本智能照明系統(tǒng)中也用的是用的12V倆驅(qū)動(dòng)12V的LED.。

2.1.8 WS2812彩色LED電路設(shè)計(jì)

WS2812是一款彩色LED的驅(qū)動(dòng)器，使用方便簡(jiǎn)單。該模塊采用單線通訊方式，節(jié)省IO口，且可以多級(jí)串聯(lián)。相較于普通IO口每一個(gè)燈需要一個(gè)引腳，該模塊大大減少了IO口的浪費(fèi)。

2.1.9 APDS-9960手勢(shì)傳感器電路設(shè)計(jì)

APDS-9960是一款常見(jiàn)的收拾傳感器，常用于手機(jī)中，可以用來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的控制。

2.1.10 LCD1602顯示模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用IIC接口的LCD1602模塊，該模塊將并行的接口轉(zhuǎn)換為IIC接口，大大減少了AT89C52單片機(jī)IO口的使用，間接增強(qiáng)了AT89C52單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)外設(shè)的能力，為矩陣案件等模塊留下了充足的IO口。非常適合外設(shè)比較多的系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

2.1.11 矩陣按鍵電路設(shè)計(jì)

矩陣案件的出現(xiàn)是為了減少按鍵對(duì)IO口的占用，利用矩陣按鍵我們使用N個(gè)按鍵只需要2x√￣N即可，大大減少了按鍵對(duì)IO口的占用。

2.1.12 ESP8266電路設(shè)計(jì)

WIFI模塊選用 ESP8266，它是一款功耗很低的UART-WIFI模塊。

ESP8266由一個(gè)WIFI模組和WIFI天線組成，它與單片機(jī)之間利用串口進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟WIFI、連接WIFI等操作。

2.2 客戶端的方案設(shè)計(jì)

Blinker是最適合業(yè)余開(kāi)發(fā)展DIY的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，支持藍(lán)牙、WiFi這兩種無(wú)線傳輸協(xié)議，常用作智慧家居、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等方面。官網(wǎng)有中文教程，對(duì)中文開(kāi)發(fā)者友好。Blinker可以幫助開(kāi)發(fā)者更快的完成復(fù)雜應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)一共有四個(gè)子系統(tǒng)：智能門禁系統(tǒng)，家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，智能澆花系統(tǒng)，智能照明系統(tǒng)。智能門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)面部識(shí)別，指紋解鎖功能;家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量和成分的而檢測(cè);智能澆花系統(tǒng)通過(guò)超聲等模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的照顧;智能照明系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)手勢(shì)對(duì)燈光進(jìn)行控制。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)和智慧家園的迅速發(fā)展以及不斷深入的研究，物與物的連接、點(diǎn)和點(diǎn)通信以及集成化管理已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，基于wifi的智慧家園系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及信息采集、信息處理、wifi信息傳輸、遠(yuǎn)程控制、APP信息顯示等的一套可行的智慧家園系統(tǒng)。本系統(tǒng)硬件和軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了本地設(shè)備--WiFi--用戶APP的數(shù)據(jù)互傳，用戶查看本地信息非常方便，且拓展性比較好，利用第三方成熟的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使得開(kāi)發(fā)非常方便，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供非常美觀、簡(jiǎn)潔、方便、人性化的APP，在APP上面可以查看本地上傳的信息。本設(shè)計(jì)在保證性能的前提下，選取更好、更小巧、功耗更低的元件，將系統(tǒng)做到更便攜、功耗做到更低，是結(jié)合實(shí)際的同類型智慧家園設(shè)計(jì)方案中的最適合的方案。

參考文獻(xiàn)

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[3]施磊磊.基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)研究[D].鄭州：中原工學(xué)院，2017.

第一作者簡(jiǎn)介：楊一超，男（2000-），漢族，山東煙臺(tái)人，本科學(xué)歷，研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)

通訊作者： 趙瑩，女（1976-），漢族，吉林省九臺(tái)市人，碩士學(xué)歷，職稱：教授，研究方向：數(shù)字電子技術(shù)