鄧楷煊，張金堯，許彩望，孫朝鵬

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，對(duì)居住環(huán)境的要求是更加智能、舒適?！禝DC中國智能家居設(shè)備市場季度跟蹤報(bào)告》顯示，2021年上半年中國智能家居設(shè)備市場出貨量約1億臺(tái)，預(yù)計(jì)未來五年中國智能家居設(shè)備市場出貨量將以21.4%的復(fù)合增長率持續(xù)增長，2025年市場出貨量將接近5.4億臺(tái)，全屋智能解決方案在消費(fèi)市場的推廣將成為市場增長的重要?jiǎng)恿χ?。但是，目前國?nèi)不同公司采取的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，不同品牌的產(chǎn)品無法兼容、成本較高、控制方式單一，無法滿足普通人的需求。

為滿足普通大眾的智能化需求，本文設(shè)計(jì)了一款智能家居系統(tǒng)，使用了嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的檢測和控制。彌補(bǔ)傳統(tǒng)的家居控制系統(tǒng)成本高、交互方式單一、用戶和設(shè)備交互手段單一等缺點(diǎn)。該系統(tǒng)采用STM32作為硬件控制平臺(tái)，通過MQTT協(xié)議并使用ESP8266以JSON數(shù)據(jù)格式來實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)和客戶端之間的信息交互，并且對(duì)內(nèi)使用ZigBee通信來提高系統(tǒng)的靈活性，成本低廉、簡單實(shí)用，并且便于再次擴(kuò)展，很適合低端市場。采用微信小程序控制極大地便利了不同用戶對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證家庭成員的安全和生活的舒適。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，智慧家居系統(tǒng)主要包括信息采集節(jié)點(diǎn)模塊、控制器模塊、應(yīng)用模塊。信息采集節(jié)點(diǎn)模塊負(fù)責(zé)各個(gè)傳感器的信息采集和一些家用電器的控制，使用STM32單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)的芯片?？刂破髂K同樣采用STM32管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且通過ESP8266來連接家庭WiFi上傳數(shù)據(jù)到云平臺(tái)。應(yīng)用模塊是方便用戶使用通過微信開發(fā)者工具設(shè)計(jì)的微信小程序，使用者可以采用任意方式監(jiān)控平臺(tái)和發(fā)送指令。指令通過WiFi信號(hào)傳到控制器，ZigBee協(xié)調(diào)器收到控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)再處理后發(fā)送至各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以控制電器。

圖1 系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇

根據(jù)傳感器功能的不同，分成以下三個(gè)系統(tǒng)：

（1）健康系統(tǒng)：配置了體溫傳感器MAX30205MTA和心率血氧傳感器MAX30102。

（2）環(huán)境系統(tǒng)：配置了溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2、光照度傳感器GY-30，用LED燈模擬家庭燈光，報(bào)警裝置使用蜂鳴器來設(shè)計(jì)，蜂鳴器使用低電平觸發(fā)，操作簡單。

（3）安全系統(tǒng)：配置了超聲波測距傳感器HC-SR04和人體紅外感應(yīng)傳感器HC-SR501。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，節(jié)點(diǎn)使用STM32單片機(jī)結(jié)合ZigBee傳輸模塊組成，選擇使用意法半導(dǎo)體公司ARM Cortex-M3微處理器系列的STM32F103RCT6，性能強(qiáng)大、功耗低、使用方便。ZigBee傳輸模塊則使用市面上常見的CC2530芯片，性能優(yōu)越且便于開發(fā)，并且它還內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧便于構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)。

2.3 控制器模塊

主控制器負(fù)責(zé)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，所以控制器選用正點(diǎn)原子基推出的基于ARM CortexM3內(nèi)核的ATK-精英STM32開發(fā)板。

使用安信可的ESP8266作為系統(tǒng)的WiFi模塊，通過串口和主控制器STM32通信，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11 b/g/n 協(xié)議、完整的TCP/IP協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)WiFi和串口之間的轉(zhuǎn)換。該模塊可以兼容3.3 V和5 V的單片機(jī)系統(tǒng)，這樣可以很方便地與主控芯片進(jìn)行連接；此外，它還支持WiFi-STA、串口轉(zhuǎn)AP和WiFi-STA+WiFi-AP三種模式，這有利于系統(tǒng)的開發(fā)。將安信可的AT固件燒至8266里，以便用AT指令配置8266模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括終端節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，用Keil UI Vision5作為STM32單片機(jī)的開發(fā)平臺(tái)，使用C語言編寫方便維護(hù)和拓展。節(jié)點(diǎn)上的STM32單片機(jī)將收集到的數(shù)據(jù)匯總后傳至ZigBee模塊，ZigBee使用Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行封裝，通過搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞至網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器將收集到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過USART傳至主控制器，主控制器收到數(shù)據(jù)后通過ID確定節(jié)點(diǎn)；然后判斷數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定的閾值，確定蜂鳴器是否報(bào)警；最后將數(shù)據(jù)打包并且用MQTT協(xié)議封裝后，再通過ESP8266模塊經(jīng)連WiFi發(fā)送至云平臺(tái)，用戶的移動(dòng)端可通過網(wǎng)絡(luò)收到數(shù)據(jù)。程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程

3.2 ESP8266接入云平臺(tái)通信設(shè)計(jì)

STM32主控制器通過串口發(fā)送AT指令，以控制8266模塊初始化以及收發(fā)數(shù)據(jù)操作。首先發(fā)送AT測試指令再進(jìn)行復(fù)位，之后將8266設(shè)置為透傳模式，開啟DHCP，獲取IP地址；最后連接到服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)，8266初始化成功。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的云平臺(tái)是通過MQTT協(xié)議來交互信息的，并且主要交互形式為JSON?？刂破鲗⑺械臄?shù)據(jù)通過JSON打包，再通過設(shè)定的主題發(fā)送到云平臺(tái)，手機(jī)端和電腦端均可通過訂閱Topic主題獲取。為降低成本，本系統(tǒng)使用的云平臺(tái)為EMQ X Cloud提供的免費(fèi)公共MQTT服務(wù)器。

微信小程序采用框架型編程結(jié)構(gòu)，開發(fā)門檻低，兼容性高，能夠兼容多種操作系統(tǒng)，并且無須下載和安裝。針對(duì)以上優(yōu)點(diǎn)，移動(dòng)端的上位機(jī)使用微信開發(fā)者平臺(tái)來開發(fā)。微信小程序開發(fā)MQTT協(xié)議需要先安裝MQTT的客戶端庫。MQTT.js是一個(gè)開源MQTT協(xié)議的客戶端庫，可以使用npm進(jìn)行“npm install mqtt–save”安裝；使用connect函數(shù)連接到MQTT服務(wù)器的地址后，再通過subscribe訂閱設(shè)備上行數(shù)據(jù)主題。微信小程序請(qǐng)求Web API平臺(tái)來調(diào)取所訂閱主題的JSON數(shù)據(jù)。需注意，小程序EMQ的WebSocket端口號(hào)為8084，WebSocket連接成功后再通過client監(jiān)聽事件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON數(shù)據(jù)解析；通過publish函數(shù)來實(shí)現(xiàn)用戶使用微信小程序控制LED燈和報(bào)警器的操作，將控制指令進(jìn)行JSON封裝后傳送至云平臺(tái)。

為了方便用戶使用，系統(tǒng)還增加了天氣查詢功能，使用和風(fēng)天氣提供的免費(fèi)API，用戶只須去和風(fēng)天氣官網(wǎng)注冊(cè)便能獲得，并且同樣使用JSON對(duì)訂閱的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析便可顯示到小程序中，一天可請(qǐng)求1 000次，足夠使用。

4 系統(tǒng)測試

4.1 硬件數(shù)據(jù)采集測試

在上述硬件系統(tǒng)中，環(huán)境系統(tǒng)包含整套家居系統(tǒng)的主要功能，所以選取環(huán)境系統(tǒng)來測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性。為了方便測試，選取宿舍作為測試對(duì)象，選用溫濕度計(jì)、亮度計(jì)、家用可燃?xì)怏w報(bào)警器的測量結(jié)果作為對(duì)照。結(jié)合微信小程序來測試數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收情況，根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示，環(huán)境系統(tǒng)傳感器均能正常運(yùn)行。測試結(jié)果見表1所列。

表1 硬件系統(tǒng)測試結(jié)果

通過測試數(shù)據(jù)可知，環(huán)境系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)儀器在相同時(shí)間的測試結(jié)果基本準(zhǔn)確，證明硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能有效，硬件功能成功實(shí)現(xiàn)。

4.2 上位機(jī)程序測試

在測試上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，要測試移動(dòng)端上位機(jī)的正常運(yùn)行、上位機(jī)和硬件的通信功能以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測、照明和報(bào)警控制功能，用戶可以直接在列表中切換系統(tǒng)，選擇傳感器數(shù)據(jù)的觀測和控制功能，系統(tǒng)界面測試情況如下。

（1）環(huán)境系統(tǒng)界面測試

環(huán)境系統(tǒng)界面測試主要測試內(nèi)容包括：溫濕度、光照、可燃?xì)怏w參數(shù)的觀測，照明控制，可燃?xì)怏w超出預(yù)設(shè)值時(shí)自動(dòng)報(bào)警功能，報(bào)警裝置的手動(dòng)控制功能。如圖3所示，通過對(duì)上位機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的測試發(fā)現(xiàn)，微信小程序能夠正常獲取到硬件環(huán)境系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)。（2）健康系統(tǒng)界面測試

圖3 環(huán)境系統(tǒng)測試

圖4 健康系統(tǒng)測試

（3）安全系統(tǒng)界面測試

安全系統(tǒng)主要監(jiān)測人體和人距的信息。人體檢測是通過紅外感應(yīng)模塊進(jìn)行的，當(dāng)人進(jìn)入紅外感應(yīng)模塊的測量范圍時(shí)傳感器會(huì)輸出高電平，當(dāng)人離開后會(huì)輸出低電平。人距的測量是通過超聲波測距模塊進(jìn)行的，當(dāng)HC-SR504發(fā)出超聲波時(shí)，通過計(jì)算超聲波發(fā)送和接收的時(shí)間差來測量距離（=，為測試距離，為超聲波發(fā)送和接收的時(shí)間差，為聲速，取340 m/s）。安全系統(tǒng)界面測試如圖5所示。通過上位機(jī)安全系統(tǒng)的測試發(fā)現(xiàn)，上位機(jī)的微信小程序能正常獲取到硬件安全系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)。

圖5 安全系統(tǒng)測試

4.3 微信天氣查詢功能測試

微信天氣查詢界面功能測試主要測試系統(tǒng)能否準(zhǔn)確調(diào)用網(wǎng)站提供的天氣參數(shù)，以方便用戶正常查詢地區(qū)的天氣參數(shù)。如圖6所示，以安徽淮南田家庵區(qū)為例進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，天氣系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，獲取到的天氣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)功能得到實(shí)現(xiàn)。

圖6 天氣查詢功能測試

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)、ZigBee通信模塊、ESP8266無線模塊的智慧家居系統(tǒng)，能夠通過微信小程序控制并監(jiān)測。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)操作方式簡單、通信穩(wěn)定，可以很好地進(jìn)行監(jiān)測和控制，滿足用戶的需求，并且系統(tǒng)在靈活性和可拓展性方面均有良好的表現(xiàn)。