陳 欣，阮錦新，鄔依林，張 謙，陳勇昌，熊 燕

（廣東第二師范學(xué)院計算機學(xué)院，廣州 510303）

0 引言

快速發(fā)展的信息技術(shù)革命正在推動著不同行業(yè)的變革，尤其是以物聯(lián)網(wǎng)為代表的技術(shù)正快速滲透到工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品生命周期中，促進(jìn)了工業(yè)智能化和數(shù)字化［1］。物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上就是讓各種物品相互連接形成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器與互聯(lián)網(wǎng)提供通信，最終實現(xiàn)萬物互聯(lián)［2-3］。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，通過使用多種傳感器對家居環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對家居設(shè)備做出相應(yīng)的定制化控制，在這個過程中用戶完全不需要對家居設(shè)備進(jìn)行干預(yù)，而且智能家居系統(tǒng)通常具有24 小時不間斷工作的優(yōu)點［4］。

普通的家居設(shè)備之所以可以變得人性化和智能化，是因為其背后依靠強大的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。傳感器就像計算機的眼睛，不僅可以有效檢測出相應(yīng)的信息，同時還能夠?qū)z測到的信息以其他信號形式對外輸出，這就意味著傳感器可以幫助我們準(zhǔn)確、快速地獲得信息，甚至有些傳感器的靈敏程度遠(yuǎn)超人的感官［5］。為了讓智能家居系統(tǒng)更具定制化和智能化，可通過使用多種傳感器以及后端智能控制策略，讓家居設(shè)備信息上傳到云端，實現(xiàn)基于云端的家居設(shè)備智能控制［6］。本文針對用戶對家居設(shè)備智能控制的需求，選用STC89C52 單片機作為硬件主控，采用SpringBoot 后端框架開發(fā)云端，設(shè)計出貼近生活的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)利用弱電控強電，具有高度靈活的設(shè)備綁定功能，可以讓傳感器作用于任意預(yù)留的設(shè)備控制端口并實現(xiàn)對相應(yīng)家居設(shè)備的控制，傳感器采集的數(shù)據(jù)還可以實時上傳云端并進(jìn)行可視化展示。

1 智能家居系統(tǒng)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)設(shè)計包括硬件選型、硬件電路設(shè)計以及軟件設(shè)計。硬件選型是根據(jù)應(yīng)用場景的實際需求選擇相應(yīng)的主控芯片、傳感器和通信模塊。硬件電路設(shè)計是對這些模塊進(jìn)行引腳定義和連接，使其構(gòu)成一個完整的電路系統(tǒng)。軟件設(shè)計包括單片機控制系統(tǒng)設(shè)計和云端系統(tǒng)設(shè)計。

1.1 硬件選型

主控芯片采用通用性高、性能穩(wěn)定、價格低廉的STC89C52單片機［7-9］，同時選用溫濕度傳感器、光敏傳感器、人體紅外射頻傳感器、超聲波傳感器，選用無線通信模塊實現(xiàn)單片機之間的通信。主要使用的器件如表1所示。

表1 主要使用的器件

1.2 硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計基于單片機最小系統(tǒng)板，通過傳感器、繼電器模塊以及家居設(shè)備的連接，組成完整的電路控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的核心控制部件為STC89C52 系列單片機，通過使用最小系統(tǒng)板引出單片機的所有引腳，最小系統(tǒng)板的電路原理如圖1所示。

圖1 最小系統(tǒng)板原理

溫濕度傳感器模塊、人體紅外感應(yīng)模塊及可調(diào)光敏模塊均為三引腳，其中兩個為正負(fù)極，一個為數(shù)據(jù)端，數(shù)據(jù)端分別連接在單片機的P2.0、P2.4、P2.6 引腳。超聲波傳感器模塊共四個引腳，控制引腳分別為Trig 觸發(fā)引腳和Echo回響引腳，分別接在單片機的P2.1和P2.2引腳。通過對單片機電源模塊的正負(fù)極進(jìn)行拓展，將這些傳感器模塊的正負(fù)極接入到單片機的正負(fù)極中，實現(xiàn)模塊供電。無線通信模塊為八引腳，供電電壓為3.3V，因此需要額外的供電電路進(jìn)行供電，剩余的六個引腳為IQR、MIS、MSO、SCK、CS、RST，分別接在單片機的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7 引腳。上述所有模塊的接線原理如圖2所示。

圖2 傳感器接線原理

使用了6個光耦繼電器模塊實現(xiàn)弱電控制強電，這些模塊的信號腳接在單片機的P1.2～P1.7引腳，繼電器模塊組接線原理如圖3所示。

圖3 繼電器模塊接線原理

1.3 軟件設(shè)計

單片機控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、指令識別以及端口控制和控制反饋。云端系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互，為用戶提供可視化的家居設(shè)備控制功能，同時將單片機采集到的數(shù)據(jù)入庫并進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

1.3.1 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

單片機控制系統(tǒng)設(shè)計包括時鐘程序、端口控制程序、單總線通信、無線通信和串口通信等程序設(shè)計。

（1）時鐘程序設(shè)計。單片機的時鐘通過設(shè)置定時器T0 溢出值來觸發(fā)CPU 中斷，利用中斷進(jìn)行延時計數(shù)并以此劃分出一條時間軸作為單片機運行的基準(zhǔn)時間，其余的程序都會在這個設(shè)計好的“節(jié)拍”中有序運行。

（2）端口控制程序設(shè)計。根據(jù)用戶的設(shè)定或控制改變單片機引腳的輸出電平，所有對電平的控制都是通過這個程序進(jìn)行，任何操作最終都將轉(zhuǎn)換為“端口號+控制碼”的形式進(jìn)行相應(yīng)的位運算并做出最終的電平控制操作。

（3）單總線通信設(shè)計。溫濕度傳感器、人體紅外傳感器均采用這種通信模式，分別使用一根數(shù)據(jù)線完成數(shù)據(jù)的交換和控制，通過系統(tǒng)時間軸有序觸發(fā)單次數(shù)據(jù)讀取操作。溫濕度模塊讀取流程和超聲波距離傳感器測量距離流程分別如圖4、圖5所示。

圖4 溫濕度模塊讀取數(shù)據(jù)流程

圖5 超聲波距離傳感器測量距離流程

（4）無線通信程序設(shè)計。在通信上采用“單片機指令分發(fā)器+單片機設(shè)備控制器”的架構(gòu)，單片機指令分發(fā)器對控制指令進(jìn)行中轉(zhuǎn)，真正實現(xiàn)控制的是單片機設(shè)備控制器，而兩個單片機之間則是采用NRF24L01無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無線模塊在收到數(shù)據(jù)后改變狀態(tài)寄存器的電平，單片機通過輪詢檢測寄存器狀態(tài)變化后調(diào)用無線通訊解析函數(shù)，對收到的消息進(jìn)行格式化、解析和重新封裝等處理。

（5）串口通信程序設(shè)計。單片機服務(wù)器與TCP 服務(wù)器通過串口通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置定時器1 產(chǎn)生19200 的波特率用于通信，后端服務(wù)將用戶在云端的操作指令通過TCP 客戶端發(fā)送給TCP 服務(wù)端，TCP 服務(wù)端以串口通信方式將指令傳送給單片機服務(wù)器，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)給控制器實現(xiàn)控制。

1.3.2 云端系統(tǒng)設(shè)計

云端系統(tǒng)設(shè)計包括TCP 服務(wù)、JavaWeb 服務(wù)端程序以及數(shù)據(jù)庫等設(shè)計。

（1）TCP 服務(wù)。采用Python 開發(fā)TCP 服務(wù)端，TCP 服務(wù)端以串口通信方式連接單片機服務(wù)器，并定時發(fā)送溫濕度查詢指令及傳感器狀態(tài)查詢指令獲取返回數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后進(jìn)行入庫操作，用戶對家居設(shè)備的控制也通過這程序進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）JavaWeb 服務(wù)。采用目前主流的Spring-Boot 框架［10］搭建交互式的用戶訪問平臺，平臺具有設(shè)備映射、設(shè)備控制、控制策略設(shè)置等功能，支持用戶在平臺上對端口進(jìn)行綁定和控制，同時還可查看傳感器相關(guān)的可視化數(shù)據(jù)。其中，設(shè)備控制的核心是在SpringBoot 中注入一個TCP客戶端對象，用戶的控制指令通過TCP 客戶端發(fā)送給TCP服務(wù)端并進(jìn)行后續(xù)的控制和反饋。

（3）數(shù)據(jù)庫設(shè)計。數(shù)據(jù)庫設(shè)計包括端口映射表、端口狀態(tài)日志表、傳感器采集日志表、溫濕度采集日志表、自動控制策略智能硬件表和自動控制策略服務(wù)下發(fā)表的設(shè)計。其中，最為核心的是端口映射表，記錄了設(shè)備與端口的綁定信息，也是遠(yuǎn)程控制的關(guān)鍵。傳感器數(shù)據(jù)的更新是通過TCP 服務(wù)定時向控制器發(fā)出查詢請求來獲得數(shù)據(jù)并按照時間順序入庫，這些數(shù)據(jù)可用于前端展示，并且用戶可根據(jù)這些數(shù)據(jù)對家居設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的控制。

2 智能家居場景模型搭建

本文設(shè)計的智能家居解決方案可以提供6個控制端口給用戶接入家居設(shè)備，為了驗證方案的可行性，對智能房間進(jìn)行模擬。

2.1 家居設(shè)備布局

智能房間有臥室、陽臺和衛(wèi)生間。在房間內(nèi)，配置4 個照明設(shè)備以及1 個加濕器和1 個換氣裝置。其中照明設(shè)備分別安裝在臥室、臥室書柜、衛(wèi)生間和陽臺，加濕器安裝在臥室，換氣裝置安裝在衛(wèi)生間，具體的家居設(shè)備布局如圖6所示。

圖6 家居設(shè)備布局圖

2.2 傳感器規(guī)劃

智能房間安裝了溫濕度傳感器、人體紅外感應(yīng)器、超聲波距離傳感器、可調(diào)光敏模塊，分別安裝在臥室、臥室衣柜、衛(wèi)生間和陽臺，傳感器功能與布局如圖7所示。

圖7 房間傳感器規(guī)劃圖

2.3 云端配置

硬件規(guī)劃完成后，需要在云端進(jìn)行設(shè)備映射綁定，登錄到系統(tǒng)后通過設(shè)備映射功能，錄入對應(yīng)的設(shè)備到系統(tǒng)中即可完成綁定，新增綁定設(shè)備如圖8所示，所有家居設(shè)備綁定完成之后的設(shè)備列表如圖9所示。

圖8 新增綁定設(shè)備

圖9 所有家居設(shè)備綁定后的設(shè)備列表

在“智能房間”場景中，人體紅外感應(yīng)模塊用來控制衛(wèi)生間的照明設(shè)備，當(dāng)有人經(jīng)過時，照明設(shè)備會自動打開。當(dāng)一段時間沒有感應(yīng)到人經(jīng)過時，照明設(shè)備會自動關(guān)閉，這些功能可在系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)置。對于陽臺的照明設(shè)備，則是利用可調(diào)光敏感應(yīng)器控制，亮度低于一定值的時候會自動打開陽臺照明設(shè)備。溫濕度感應(yīng)器則是用來收集房間的溫濕度信息并在系統(tǒng)中展示，用戶也可通過系統(tǒng)，利用溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)來自動控制房間中的家居設(shè)備，例如控制加濕器、換氣裝置等。

2.4 家居設(shè)備的接入

家居設(shè)備接入系統(tǒng)需要通過繼電器模塊。下面是照明設(shè)備接入系統(tǒng)的過程：首先繼電器模塊電源接入+5V，接著將單片機控制信號線接入到繼電器的信號接收端IN，同時在繼電器上將跳線帽接入到低電平觸發(fā)引腳，最后按照圖10接線圖將照明設(shè)備接入。

圖10 繼電器模塊用電器接線圖

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包括硬件測試、軟件測試和功能測試。

3.1 硬件測試

硬件測試包括單片機外圍電路連接檢查，單片機復(fù)位后控制端口輸出電平以及溫濕度傳感器等模塊的采集情況。復(fù)位后采集的溫濕度可以正常顯示在LCD 屏幕上，同時控制口輸出電平為高電平，P1.2～P1.7 的板載LED 燈熄滅，測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 單片機復(fù)位

3.2 軟件測試

軟件測試包括單片機控制系統(tǒng)測試和云端系統(tǒng)測試。

單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)收集數(shù)據(jù)、接收指令、控制端口和控制反饋，因此最關(guān)鍵是查看串口反饋的數(shù)據(jù)是否符合預(yù)期。在單片機控制系統(tǒng)測試中，將程序?qū)懭雴纹瑱C后，使用串口調(diào)試助手按照192000 的波特率連接單片機并發(fā)送相關(guān)指令，查看返回的數(shù)據(jù)，如果可以正常返回數(shù)據(jù)同時符合預(yù)期，則證明功能正常。在串口調(diào)試助手中向串口發(fā)送指令“{AD}”，對鏈路進(jìn)行簡單測試，測試結(jié)果如圖12 所示，能正常接收到串口回傳的溫濕度數(shù)據(jù)，說明串口通信和單片機之間無線通信鏈路正常。

圖12 串口通信及單片機之間無線通信鏈路測試

在云端系統(tǒng)測試中，首先測試TCP 服務(wù)是否可以正常連接和通信，在TCP 客戶端測試程序中向TCP 服務(wù)端發(fā)送測試數(shù)據(jù)可以收到反饋，功能正常，測試結(jié)果如圖13 所示。接著對用戶交互界面進(jìn)行功能測試，確保可以從數(shù)據(jù)庫中正常獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這里以首頁為例，溫濕度及傳感器狀態(tài)能正常獲取并顯示，測試結(jié)果如圖14所示。

圖13 TCP連接及通信

圖14 首頁溫濕度及其他傳感器狀態(tài)

3.3 功能測試

下面以照明燈控制為例對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行整體測試。在照明燈關(guān)閉的狀態(tài)下，點擊開關(guān)，照明燈會被打開，同時云端頁面會收到打開的反饋提示，如圖15 和圖16 所示。再次點擊開關(guān)，照明燈會被關(guān)閉，同時頁面會收到關(guān)閉的反饋提示，如圖17和圖18所示。

圖15 打開照明燈實物圖

圖16 打開照明燈系統(tǒng)反饋

圖17 關(guān)閉照明燈實物圖

圖18 關(guān)閉照明燈系統(tǒng)反饋

在自動控制策略測試中，以智能控制衛(wèi)生間照明燈為例進(jìn)行測試。首先將可調(diào)亮度模塊綁定到衛(wèi)生間照明燈上，同時設(shè)置臨界控制及邊緣值，具體配置如圖19所示。

圖19 智能亮度傳感器配置

配置完成后，打開使能開關(guān)，對環(huán)境亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別模擬白天和黑夜，測試效果如圖20、圖21所示。

圖20 模擬白天（照明燈熄滅）

圖21 模擬黑夜（照明燈自動點亮）

4 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居技術(shù)給我們生活帶來越來越多的便利。本文提出的智能家居方案通過將單片機與JavaWeb 云端進(jìn)行有機結(jié)合，具有操作便捷、數(shù)據(jù)直觀等特點，為用戶提供了在線和離線兩種控制方式，用戶可通過云端系統(tǒng)自定義規(guī)則實現(xiàn)靈活的家居設(shè)備自動控制，大大提升了智能家居的使用體驗。