黨長(zhǎng)青，陳昌盛，周恒

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽，550025）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，使得智能家居遍地開花，所以在實(shí)驗(yàn)室搭建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)供學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究顯得異常的重要。本系統(tǒng)將結(jié)合ATMEGA 2560-16AU開發(fā)板與ESP8266Wifi模塊搭建一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用、使用方便、價(jià)格低廉、便于擴(kuò)展的智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，方便學(xué)生通過智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)感受互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹臎_擊，也便于教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)主要由DHT11溫濕度傳感器模塊、BH1750光照強(qiáng)度傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊、水位傳感器模塊、煙霧濃度傳感器模塊、OLED顯示模塊、ESP8266WiFi無線傳輸模塊、控制器與處理器模塊、繼電器模塊、電機(jī)模塊以及YS-M3語音播放模塊構(gòu)成[1]。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以Arduino MEGA2560單片機(jī)作為核心控制器，通過上述傳感器模塊對(duì)家居環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，然后通過Arduino單片機(jī)的AD模塊對(duì)傳感器采集的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其中將土壤濕度、光照強(qiáng)度、蓄水池液位以及環(huán)境溫濕度等重要環(huán)境數(shù)據(jù)通過顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，以便用戶更加直觀的觀察到家居環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)通過ESP8266Wifi模塊將采集到的傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)至云端服務(wù)器，服務(wù)器再將傳感器所采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，客戶端接收到云端服務(wù)器發(fā)送的狀態(tài)信息后更新相關(guān)數(shù)據(jù)并通過本文設(shè)計(jì)的手機(jī)APP平臺(tái)進(jìn)行顯示。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)低于所設(shè)定閾值時(shí)，語音播放模塊將會(huì)播放報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警；同時(shí)Arduino單片機(jī)將該警告信息通過ESP8266WIFI模塊及機(jī)智云服務(wù)器發(fā)送至Android客戶端進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。該智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的遠(yuǎn)程操作控制，便于實(shí)驗(yàn)室教師開展各類相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)用性價(jià)值比較高。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)硬件系統(tǒng)框圖

智能家居控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示，該控制系統(tǒng)以ATMEGA2560-16UA芯片為核心處理器，通過各個(gè)傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。將傳感器輸出的電信號(hào)接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)然后再通過單片機(jī)進(jìn)行處理。Arduino單片機(jī)將各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波后將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后通過ESP8266WIFI模塊發(fā)送至機(jī)智云服務(wù)器，并將部分重要參數(shù)值發(fā)送至OLED顯示屏進(jìn)行顯示。

圖1 智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)硬件系統(tǒng)框圖

■2.2 智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)硬件介紹

2.2.1 MCU選擇

由于本設(shè)計(jì)中使用了多個(gè)傳感器，而ArduinoMega2560核心板具有多個(gè)IO接口正好滿足本設(shè)計(jì)對(duì)多個(gè)IO口的需求，因此本設(shè)計(jì)選擇ArduinoMega2560作為本系統(tǒng)的核心控制板。ArduinoMega2560核心板如圖2所示。

圖2 ArduinoMega2560核心板

2.2.2 WIFI模塊選擇

WIFI模塊選擇ESP8266WIFI模塊。這款芯片使用3.3V的直流電源，體積小，功耗低，支持透?jìng)鳎瑪?shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定。ESP8266可以通過AT命令來設(shè)置芯片的大部分參數(shù)和設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ絒2]。ESP8266也可以采集一些溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。ESP8266模塊如圖3所示。

圖3 ESP8266模塊

本設(shè)計(jì)配置網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用的是SmartConfig模式，采用UDP廣播模式（UDP接收IP地址是255.255.255.255）ESP8266WIFI模塊先掃描所在環(huán)境的AP（AccessPoint），得到AP的相關(guān)信息,如工作的channel,然后配置wifi芯片工作在剛才掃描到的channel上去接收UDP包，如果沒有接收到相應(yīng)的UDP包，則繼續(xù)配置ESP8266工作在另外的channel上，如此往復(fù)循環(huán)，直到收到UDP包為止。

2.2.3 OLED屏幕的選擇

本設(shè)計(jì)中只需查看部分重要數(shù)據(jù)，選擇0.96寸OLED顯示屏足以滿足需求。

2.2.4 語音模塊

YS-M3模塊具備9個(gè)觸發(fā)口，其觸發(fā)方式為低電平觸發(fā)。為了更方便的實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)的功能，本設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)的IO口觸發(fā)。以A1-A5為編碼端口、二進(jìn)制的反碼進(jìn)行編碼。編碼格式如表1所示。

表1 語音模塊編碼方式

根據(jù)以上表格的輸出形式，0代表輸出低電平，1代表輸出高電平，在單片機(jī)IO口輸出編碼后，等待200ms以上恢復(fù)默認(rèn)值（高電平），即可進(jìn)行播放語音。主控板收到手機(jī)APP的指令之后，語音模塊會(huì)同時(shí)播報(bào)手機(jī)發(fā)送的指令，用于提醒用戶。其部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

2.2.5 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

該智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)整體采用7.2V鋰電池供電，而OLED顯示模塊、ESP8266WiFi模塊均采用 3.3V電源進(jìn)行供電。傳感器以及單片機(jī)最小系統(tǒng)需采用5V電源供電。因此需進(jìn)行穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)將7.2V的電源通過相應(yīng)的穩(wěn)壓芯片降至本系統(tǒng)所需的5V以及3.3V電源。在穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)中本設(shè)計(jì)采用LM1117-3.3、LM1117-5.0和TPS7350穩(wěn)壓芯片對(duì)電源電壓進(jìn)行降壓處理，降至3.3V和5V，考慮到穩(wěn)壓芯片在進(jìn)行降壓處理后會(huì)有較大的紋波，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)采用10μF的電解電容濾除低頻信號(hào)，采用0.1μF的瓷片電容濾除高頻信號(hào)，對(duì)穩(wěn)壓芯片輸出的電壓進(jìn)行濾波處理，得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電源。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)步驟主要有：（1）控制器通過傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集和處理；（2）控制器采集處理后的家居環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至OLED顯示；（3）控制系統(tǒng)配置入網(wǎng)；（4）控制器通過ESP8266WiFi模塊上報(bào)數(shù)據(jù)；

（5）接收客戶端下發(fā)的控制命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作[3]。

智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)程序流程圖

智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)配網(wǎng)流程圖如圖6所示。

圖6 智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)配網(wǎng)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

將各個(gè)模塊通電，智能家居控制系統(tǒng)配置入網(wǎng)，連接機(jī)智云服務(wù)器。打開Android客戶端應(yīng)用程序便可查看相關(guān)傳感器檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)值，同時(shí)OLED顯示屏也會(huì)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。如圖7、8所示，分別為手機(jī)APP顯示的各個(gè)傳感器參數(shù)值和OLED顯示屏顯示的重要參數(shù)值；如圖7所示，通過Android客戶端應(yīng)用程序還可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)小于所設(shè)定的閾值時(shí)，在Android客戶端應(yīng)用程序還可查看到相關(guān)警告信息，如圖9所示。

圖7 手機(jī)APP顯示各個(gè)傳感器檢測(cè)到的數(shù)值

圖9 警告信息顯示

5 結(jié)語

本智能家居實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)將Arduino單片機(jī)通過WiFi模塊和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠通過Android客戶端應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)花盆的土壤濕度、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度，并且能夠遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、智能化，可以滿足不同用戶的客戶體驗(yàn)。

圖8 OLED顯示的重要環(huán)境參數(shù)值