【IoT畢業(yè)設(shè)計(jì)】基于機(jī)智云平臺的智能家居系統(tǒng)

摘要:隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對于生活質(zhì)量的要求越來越高，智能家居作為能夠大幅提升人們生活舒適度的一部分，得到了越來越多的人關(guān)注，更多方便、實(shí)用的智能家居系統(tǒng)急需被提出。

本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能家居系統(tǒng)，采用STM32F401RE控制芯片，WIFI-esp8266模塊作為通訊模塊，對溫度、窗簾、燈光等不同變量進(jìn)行了集成，使用機(jī)智云平臺完成數(shù)據(jù)的交互。經(jīng)測試系統(tǒng)效果良好，并具有良好的可擴(kuò)展性。

0引言

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展使人們的生活舒適度得到了大幅的提高，能夠通過簡單的方式對家中的不同家居統(tǒng)一管理，基于云平臺的智能家居系統(tǒng)便是為了解決相關(guān)問題而被提出[1]。當(dāng)前市場中很多的智能家居系統(tǒng)需要通過藍(lán)牙連接，無法在遠(yuǎn)端了解與控制家中的情況，很多家居的控制也沒有集成化管理[2]。

本文提出一種基于云平臺的智能家居系統(tǒng)，利用STM32F401RE控制芯片，采用機(jī)智云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，針對不同的功能進(jìn)行硬軟件的設(shè)計(jì)，使用戶能夠通過手機(jī)端遠(yuǎn)程對家中的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌控。系統(tǒng)最終能夠?qū)崟r(shí)的顯示與調(diào)節(jié)溫度，能夠?qū)κ覂?nèi)窗簾與燈光的狀態(tài)進(jìn)行控制，并在溫濕度不正常時(shí)報(bào)警。

1總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)包括通信模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、報(bào)警模塊、窗簾控制模塊、散熱模塊、燈光控制模塊。設(shè)計(jì)能夠通過手機(jī)APP對相關(guān)功能模塊狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，并發(fā)送指令至控制端，對不同的模塊進(jìn)行控制。系統(tǒng)對溫濕度實(shí)時(shí)的控制，溫度高于設(shè)定值時(shí)，手機(jī)端與控制端同時(shí)報(bào)警，并打開風(fēng)扇，風(fēng)扇擁有3個(gè)檔位，在報(bào)警時(shí)風(fēng)扇處于最高速檔位之下;通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)顯示燈光與窗簾的狀態(tài)，并可以調(diào)整其相關(guān)的狀態(tài)。系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1溫濕度模塊

溫濕度模塊為系統(tǒng)提供當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度狀況，以DHT11溫濕度傳感器為核心，該傳感器成本低、抗干擾能力強(qiáng)、能夠?qū)貪穸瓤焖俚捻憫?yīng)[3]。傳感器能對溫濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。本文通過溫濕度模塊檢測室內(nèi)的溫濕度，并將數(shù)據(jù)送至STM32F401RE之中，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其溫濕度測量電路示意圖如圖2所示。

圖2溫濕度測量電路

2.2散熱模塊

散熱模塊使用PWM波對直流電機(jī)調(diào)制驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)能夠產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到不同檔位對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速的效果。通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)使風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)達(dá)到降溫的效果。在PWM波的調(diào)整中，通過調(diào)整不同波形的占空比得到不同的調(diào)制效果。本文中一共設(shè)置了是3種不同的檔位，于是有3種不同的PWM波形，其對應(yīng)占空比見表1。

表1檔位占空比設(shè)置表

2.3報(bào)警模塊

報(bào)警模塊能夠在溫度高于設(shè)定值時(shí)利用蜂鳴器報(bào)警，并將報(bào)警信息實(shí)時(shí)返回到手機(jī)端，在APP上同時(shí)報(bào)警。在溫度值高于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開散熱模塊，散熱檔位為高速檔位。

2.4窗簾模塊

窗簾模塊主要利用24BYJ48步進(jìn)電機(jī)結(jié)合ULN2003驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行控制，其工作電壓為5V，步距角為5.6526×1/6，減速比為1/64。通過控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度對窗簾的開關(guān)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)打開窗簾，反轉(zhuǎn)時(shí)將窗簾關(guān)上。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.5燈光模塊

燈光模塊中一共涵蓋了兩部分燈光，一部分為室內(nèi)燈光，一部分為室外燈光，后續(xù)能夠在此基礎(chǔ)上引入更多的燈光。對于不同的燈光，通常有兩種狀態(tài)，打開燈光或者關(guān)閉燈光，用戶能夠通過手機(jī)端實(shí)時(shí)查看當(dāng)前燈光的狀態(tài)并實(shí)時(shí)的調(diào)整。

圖3窗簾結(jié)構(gòu)圖

2.6通信模塊

通信模塊是與手機(jī)遠(yuǎn)程通訊的保障，模塊以ESP8266為核心，其工作電壓為3.3V-5V，通過串口的方式與STM32通訊。通訊時(shí)模塊通過WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，與云平臺連接，通過云平臺來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交互[4]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件整體流程設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中需要將各個(gè)不同功能統(tǒng)一考慮，當(dāng)溫度過高時(shí)需要報(bào)警并打開散熱等，程序理論上處于死循環(huán)中，使系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，在需要停止工作時(shí)通過硬件方法使系統(tǒng)退出運(yùn)行。整體系統(tǒng)流程如圖4所示。

3.2軟件平臺及設(shè)置

系統(tǒng)采用機(jī)智云平臺作為云平臺來完成系統(tǒng)的調(diào)試，從機(jī)智云平臺中移植通訊代碼，并在平臺中完成項(xiàng)目的創(chuàng)建。機(jī)智云平臺中一共擁有4種類型數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別是只讀、可寫、報(bào)警、故障，每一種數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)了不同的幾種數(shù)據(jù)類型，其類型見表2。

表2機(jī)智云平臺數(shù)據(jù)類型表

系統(tǒng)對所有的功能創(chuàng)建了不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)以完成手機(jī)端與控制端數(shù)據(jù)交互。對于燈光一類只有開關(guān)兩種狀態(tài)的數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置其為可寫的布爾量數(shù)據(jù)點(diǎn)，系統(tǒng)完整數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置見表3。

表3中燈光可寫型布爾數(shù)據(jù)在手機(jī)端不但能夠起到控制的作用，也能夠起到顯示當(dāng)前工作狀態(tài)的作用，因?yàn)樵诳刂贫诉M(jìn)行狀態(tài)掃描后會(huì)對手機(jī)端的狀態(tài)也實(shí)時(shí)更新。其中溫度與濕度的數(shù)據(jù)類型都為只讀數(shù)值型，其數(shù)值范圍為0～100，分辨率皆為0.1。

圖4系統(tǒng)流程圖

表3系統(tǒng)數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置表

3.3通訊部分的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通訊依賴ESP8266完成，在首次通訊時(shí)，需要控制芯片將WiFi名稱與密碼信息發(fā)送至通訊模塊之中，使其能夠連接至互聯(lián)網(wǎng)，而后每一次的工作中，通訊模塊會(huì)自動(dòng)連入。其通訊配置流程如圖5所示。

圖5通訊配置流程圖

4系統(tǒng)測試

本文搭建了一個(gè)模擬的智能家居環(huán)境，對系統(tǒng)功能進(jìn)行測試。首次連接通過配置通訊模塊使其進(jìn)入Airlink模式，使整個(gè)系統(tǒng)連接到機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺。開始工作后能夠利用手機(jī)端接入互聯(lián)網(wǎng)，利用APP對控制端實(shí)時(shí)的監(jiān)視與控制，其運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)會(huì)被云平臺自動(dòng)存儲下來，其測試實(shí)物圖如圖6所示。

圖6實(shí)物圖

手機(jī)端能夠顯示與控制當(dāng)前的工作狀態(tài)，當(dāng)高溫時(shí)會(huì)報(bào)警，其機(jī)智云公版手機(jī)APP界面如圖7與圖8所示。

圖7正常工作界面圖

圖8溫度報(bào)警圖

5結(jié)束語

本文利用STM32F401RE與云平臺設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)智云平臺的智能家居系統(tǒng)，集成了多種不同的功能。用戶能夠在遠(yuǎn)端利用手機(jī)APP對家中的相關(guān)功能進(jìn)行控制與監(jiān)視，大幅提高生活便捷度與舒適度。系統(tǒng)對后續(xù)不同功能的加入兼容性良好，能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更多功能的開發(fā)。經(jīng)過測試后結(jié)果良好，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，后續(xù)能夠投入實(shí)際應(yīng)用時(shí)擴(kuò)展其他可用功能。