摘 要：得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和發(fā)展，智能家居應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越豐富。本智能家居場(chǎng)景設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)，開(kāi)發(fā)一個(gè)可通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程跨網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，在使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的同時(shí)綜合提升用戶(hù)家居體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；阿里云；ESP32；傳感器；自動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們逐漸開(kāi)始追求品質(zhì)化生活。得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和發(fā)展，智能家居的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越豐富?？茖W(xué)分析、嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)的智能家居能夠解決傳統(tǒng)智能家居的缺陷和不足，更符合人們對(duì)生活品質(zhì)的追求[1]。

智能家居系統(tǒng)是以服務(wù)日常為主，通過(guò)技術(shù)及設(shè)備，完成對(duì)相關(guān)智能化設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制，例如，布線技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)以及監(jiān)測(cè)技術(shù)等，通過(guò)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)之間的融合，實(shí)現(xiàn)家居日常事務(wù)的數(shù)字化控制[2]。

本次設(shè)計(jì)旨在依據(jù)現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于Arduino和阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用ESP32開(kāi)發(fā)板、傳感器和控制硬件，開(kāi)發(fā)可通過(guò)“云智能”手機(jī)APP遠(yuǎn)程跨網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制的智能家居模型，營(yíng)造一個(gè)舒適安全的家居環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)，自下而上分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層?；谖锫?lián)網(wǎng)四層架構(gòu)的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示[3]。

1.1 感知層設(shè)計(jì)

感知層的主要功能是采集物理世界的數(shù)據(jù)，是人類(lèi)與物理世界信息交流的媒介和橋梁[4]。感知層包括核心控制板、各類(lèi)傳感器和控制硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的感知識(shí)別、信息收集和自動(dòng)控制，并將采集的信息連接到網(wǎng)絡(luò)層。

從功能上將其分為智能家居系統(tǒng)和智能安防系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)保證家居環(huán)境的舒適性和安全性[5]。兩個(gè)系統(tǒng)分別采用樂(lè)鑫科技的ESP32-WROOM-32開(kāi)發(fā)板作為控制板[6]，其板載2.4 GHz WiFi可直接連接至路由器。ESP32開(kāi)發(fā)板豐富的I/O引腳可連接各類(lèi)傳感器和控制硬件，并通過(guò)電源模塊向其供電，通過(guò)傳感器采集信息并對(duì)控制硬件進(jìn)行控制。兩個(gè)控制板接線如圖2、圖3所示。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是傳輸信息，將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳送至平臺(tái)層?？刂瓢宓腤iFi模塊可無(wú)線連接至路由器[7]，通過(guò)路由器接入網(wǎng)絡(luò)并與服務(wù)器通信，其通信遵守MQTT協(xié)議。MQTT協(xié)議是一種基于客戶(hù)端服務(wù)端架構(gòu)的發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，由于其低開(kāi)銷(xiāo)、低帶寬和即時(shí)通信特性，MQTT協(xié)議已成為最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之一[8]。

在本次設(shè)計(jì)中，兩個(gè)控制板作為客戶(hù)端發(fā)布傳感器信息并訂閱指令，云智能APP分別作為客戶(hù)端訂閱傳感器信息并發(fā)布指令，阿里云平臺(tái)的MQTT服務(wù)器為服務(wù)端，過(guò)程如圖4所示。

1.3 平臺(tái)層設(shè)計(jì)

平臺(tái)層可為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設(shè)備，支撐數(shù)據(jù)上報(bào)至云端，向上提供云端API，服務(wù)端通過(guò)調(diào)用云端API將指令下發(fā)至設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制[9]。在本次設(shè)計(jì)中，選用阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其簡(jiǎn)單易用、手機(jī)APP端可免開(kāi)發(fā)，主要功能有設(shè)備接入、設(shè)備管理、安全管理、消息通信、監(jiān)控運(yùn)維以及數(shù)據(jù)應(yīng)用等。

感知層的控制板通過(guò)設(shè)備三元組（ProductKey， DeviceName， DeviceSecret）的方式接入阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，云平臺(tái)上可以為其選擇MQTT服務(wù)器，定義數(shù)據(jù)類(lèi)型并設(shè)置數(shù)據(jù)接口，設(shè)計(jì)云智能APP界面并選擇向云智能APP傳遞的數(shù)據(jù)類(lèi)型。此外，阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收的來(lái)自感知層的數(shù)據(jù)可直接上傳至阿里云RDS MySQL云數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，更有利于監(jiān)測(cè)家庭各項(xiàng)數(shù)據(jù)，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的最終目的，即利用感知層的數(shù)據(jù)為各行各業(yè)提供智能服務(wù)。在本次設(shè)計(jì)中，云智能APP可顯示來(lái)自感知層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可直觀看到家庭的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)硬件或智能家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 智能家居系統(tǒng)

（1）監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度并聯(lián)動(dòng)小風(fēng)扇：利用DHT11溫濕度傳感器對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)小風(fēng)扇處于智能擋位時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)值與程序閾值的對(duì)比實(shí)現(xiàn)對(duì)小風(fēng)扇的自動(dòng)化控制；當(dāng)小風(fēng)扇處于手動(dòng)擋位時(shí)，可遠(yuǎn)程控制小風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)。

（2）監(jiān)測(cè)室內(nèi)光照并聯(lián)動(dòng)智能小燈：利用光敏電阻傳感器對(duì)室內(nèi)光照進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)小燈處于智能擋位時(shí)，小燈將根據(jù)監(jiān)測(cè)值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)小燈的電壓，使室內(nèi)光照維持在恒定值；當(dāng)小燈處于手動(dòng)擋位時(shí)，可遠(yuǎn)程控制小燈開(kāi)關(guān)。

（3）監(jiān)測(cè)室外光照并聯(lián)動(dòng)智能窗簾：利用光敏電阻傳感器對(duì)室外光照進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)智能窗簾處于智能擋位時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)值與程序閾值的對(duì)比實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的自動(dòng)化控制；當(dāng)智能窗簾處于手動(dòng)擋位時(shí)，可遠(yuǎn)程控制窗簾的啟停。

（4）小屏溫濕度計(jì)模塊：利用一塊OLED屏顯示DHT11溫濕度傳感器采集的室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)。

2.2 智能安防系統(tǒng)

（1）檢測(cè)有害氣體、火焰，聯(lián)動(dòng)報(bào)警裝置、排風(fēng)扇：利用MQ-135空氣質(zhì)量傳感器模塊檢測(cè)空氣中是否存在有害氣體，利用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)房間里是否有火焰。報(bào)警按鍵處于常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)任意一個(gè)監(jiān)測(cè)值超過(guò)設(shè)定閾值后，通過(guò)蜂鳴器蜂鳴、紅色LED小燈閃爍報(bào)警，并自動(dòng)打開(kāi)排風(fēng)扇進(jìn)行排煙處理。無(wú)有害氣體且無(wú)火焰時(shí)，可遠(yuǎn)程控制排風(fēng)扇開(kāi)啟或關(guān)閉。

（2）刷卡開(kāi)門(mén)模塊：用RFID射頻模塊MFRC RC522 IC卡感應(yīng)傳感器檢測(cè)IC卡內(nèi)部UID數(shù)據(jù)，并與ESP32開(kāi)發(fā)板中存儲(chǔ)的家庭成員UID進(jìn)行對(duì)比判斷，為家庭成員自動(dòng)開(kāi)門(mén)。

（3）嵌入式攝像頭感知模塊：利用樹(shù)莓派4B外接攝像頭對(duì)入戶(hù)門(mén)外的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用家庭內(nèi)網(wǎng)傳輸視頻畫(huà)面作為電子貓眼與遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)門(mén)按鍵聯(lián)動(dòng)[10]。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)功能測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，云智能APP上可實(shí)時(shí)顯示房間內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，控制硬件也可對(duì)來(lái)自云智能APP上的指令及時(shí)響應(yīng)。云智能APP界面如圖5、圖6所示。

3.2 程序代碼測(cè)試

經(jīng)過(guò)白盒測(cè)試，初始化函數(shù)、連接服務(wù)器、獲取傳感器數(shù)據(jù)、上傳傳感器數(shù)據(jù)、回調(diào)函數(shù)接收參數(shù)、硬件控制函數(shù)均正常，程序流程如圖7、圖8所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了利用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)智能家居場(chǎng)景化的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程跨網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制的系統(tǒng)模型。

此外，在系統(tǒng)上還可加入其他類(lèi)型的傳感器和控制硬件，進(jìn)行更加豐富的場(chǎng)景化設(shè)計(jì)。隨著傳感器和控制硬件數(shù)量的增加，可進(jìn)一步對(duì)“一鍵晚安”“休閑模式”等高級(jí)場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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