IoT畢設 | 機智云AIoT+arduino單片機+智能家居系統(tǒng)及安防控制

開發(fā)者提出了一種基于機智云平臺和Arduino單片機控制的智能家居安防系統(tǒng)設計模式，主要研究智能家居系統(tǒng)在無線組網(wǎng)技術和下位機子系統(tǒng)的軟硬件功能，經(jīng)過理論驗證、仿真實驗、電路搭建到智能家居模型的建立，完成了一套由無線Wi-Fi組網(wǎng)、云平臺檢測、以Arduino單片機為下位機控制核心的智能家居系統(tǒng)設計。

本應用筆記是通過ESP8266Wi-Fi模塊與Internet網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)透傳，實現(xiàn)智能APP遠程與近程的全方位監(jiān)控，結合語音控制、手勢控制、RFID門禁控制等先進控制技術，實現(xiàn)家居控制智能化。

目錄預覽

1課題研究意義及人文創(chuàng)新性2系統(tǒng)需求分析3總體設計4系統(tǒng)功能測試及分析5 結論

1.課題研究意義及人文創(chuàng)新性

結合了移動互聯(lián)技術和無線局域網(wǎng)，將智能家居控制系統(tǒng)與嵌入式設備、移動終端、云平臺、Wi-Fi組網(wǎng)、語音控制、智能安防GPRS報警系統(tǒng)等有機的結合起來，改善了傳統(tǒng)紅外信號定向與距離短和布線復雜的局限，使得用戶可隨時隨地能對設備進行控制，并增加房屋的智能安防系統(tǒng)，為現(xiàn)代家居生活帶來便利的同時還增加了房屋安全監(jiān)測及報警系統(tǒng)，讓用戶不論是在家還是外出都能實時監(jiān)測家里的情況，做到出門放心，遇到緊急狀況能第一時間知道并控制隱患。

本文的具體創(chuàng)新體現(xiàn)在以下兩個方面：

(1）提出了一種基于機智云網(wǎng)絡控制和Arduino單片機控制的智能家居安防系統(tǒng)設計模式。目前智能家居要考慮相應的技術難點，結合用戶行為習慣及特殊需求，考察產(chǎn)品使用環(huán)境，以達到滿足用戶需求的設計。(2）將有關的功能子系統(tǒng)利用云平臺和互聯(lián)網(wǎng)技術及短距離無線通信技術集合起來，安防監(jiān)測子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、智能門窗控制子系統(tǒng)、智能語音控制等，給用戶帶來更加人性化的操作體驗，享受高科技的家居生活。

2系統(tǒng)需求分析

智能家居系統(tǒng)的主要功能概括為以下幾大類：照明系統(tǒng)及電器控制、人機交互服務、遠程控制服務、居住環(huán)境安全保障。如圖1所示。

3 總體設計

下面對主要模塊及其功能進行簡單描述，如圖2所示。

3.1下位機功能控制框圖

由下位機實現(xiàn)前段探測系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)進行轉換、處理、對比，從而通過單片機（核心控制機構）進行數(shù)據(jù)分析、邏輯處理等，從而在后端驅動機構，如顯示器、聲光報警、繼電器控制、GPRS電話報警、語音音響控制等實現(xiàn)一整套可以節(jié)約人力成本的智能探測及處理系統(tǒng)。
主要模塊包括：單片機控制最小系統(tǒng)、無線Wi-Fi透傳模塊、驅動機構、手機APP控制檢測控制系統(tǒng)、電源模塊等。原理圖使用Protues8.7版本繪制的基于ArduinoUNO單片機和Wi-Fi模塊控制的照明電路和動作執(zhí)行機構的仿真。

核心為ArduinoUNO單片機芯片，D0～D13為數(shù)字接口，可作為信號輸入接口也可作為輸出接口，部分接口具有PWM信號輸出功能，同時可作為第二功能接口使用。AD0～AD5為模擬信號輸入接口，作為一些模擬傳感器信號輸入口。

通過使用ESP8266芯片與機智云結合控制，ArduinoUNO單片機連接后，用程序的方式讓其聯(lián)網(wǎng)工作，起到了將ArduinoUNO單片機與Wi-Fi互聯(lián)網(wǎng)連接，用戶可在自己手機上設置好后，遠程控制家內(nèi)的照明電路和其他可以連接的電器。如圖3所示。

3.2系統(tǒng)軟件結構設計

基本架構可以分為三層：物理層、網(wǎng)絡層和應用層，圖4顯示了系統(tǒng)中各層的功能和相互關系，其中Wi-Fi網(wǎng)關位于網(wǎng)絡層和物理層之間，起著承上啟下的作用。三層模型中，每一層都有對應的軟、硬件設備，層間通過物理通信鏈路和接口函數(shù)實現(xiàn)耦合。

4 系統(tǒng)功能測試及分析

系統(tǒng)建立完成后，經(jīng)過三個階段的驗證：第一階段：理論設計和知識技能準備。本應用根據(jù)智能家居安防系統(tǒng)的設計理論，查閱中外相關資料和技術文檔，從實用型設計理念出發(fā)，學習和驗證了將云平臺和互聯(lián)網(wǎng)技術應用在智能家居中的理論可行性；
學習和驗證了手機APP技術與機智云平臺的互聯(lián)作用理論可行性；學習和驗證了Wi-Fi模組與單片機結合控制的理論可行性；以及各類傳感器與單片機之間信號采集、轉換、處理的理論可行性。
第二階段：理論設計的仿真驗證。本設計思路經(jīng)過第一階段理論查實和能力具備后。進入第二階段的仿真實驗驗證階段。對于系統(tǒng)的程序編程和電路各項功能的仿真，編程軟件是KEIL、Arduino編程軟件結合使用。
第三階段：實物電路的制作、調(diào)試及模型驗證。

4.1語音控制功能測試

該項試驗測試語音識別及控制功能的成功率?！皶r光”為語音喚醒指令。要進行語音控制音響和照明燈的操作，必須先以“時光”來喚醒語音識別模塊。10s內(nèi)發(fā)布指令，若10s內(nèi)沒有發(fā)布語音指令，如“播放音樂、下一首、打開車庫燈”等指令，系統(tǒng)會自動關閉語音識別功能，防止不必要的干擾。

4.2 測試結果因素分析及解決辦法

本設計的電源電壓要求提供3～9V的直流電，3～5V直流電提供MUC及語音識別模塊的電路電壓，5～9V直流電提供音響和繼電器的工作電壓。本設計中，電源的供電模式均由直流電源提供。也可由蓄電池提供電源。但是蓄電池電量不足，影響音響的播放功能。為了提高執(zhí)行音樂播放的準確度，建議用穩(wěn)壓直流電源供電。
外界噪音干擾，是影響語音識別準確度的又一主要因素。語音識別，因為是在外界環(huán)境中獲取有用信號。要求在喚醒語音識別功能時，盡量保持室內(nèi)安靜，當其他聲音的音量和指令信號音量相同或者超過指令信號音量的情況下，會影響識別的準確度或者直接喚醒失敗。所以，語音識別的準確性是受到環(huán)境噪音因素的影響。
語音控制指令是要求用標準普通話的，對英語或者方言都暫時沒辦法獲取。由于測量過程中，語音識別功能受到電源電壓波動、外界噪音干擾、普通話發(fā)音標準度、線路接觸不良等因素影響，測試成功率在96%左右。為了提高語音識別準確度應保持設備不受以上干擾因素的影響。

4.3 手機APP控制功能測試

此項目測試功能有：Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)測試及APP功能測試。如圖5所示，該項目完成下位機聯(lián)網(wǎng)，進入APP控制界面，進行特定功能控制。

4.4 Wi-Fi模塊及手機APP配網(wǎng)測試

Wi-Fi模塊配網(wǎng)，在新的網(wǎng)絡環(huán)境下，首次配網(wǎng)，必須手動配置。只要首次配網(wǎng)成果，Wi-Fi模組具有記憶功能，斷電后再次聯(lián)網(wǎng)，就會自動連入已記錄的網(wǎng)絡IP。

手機APP要連接設備Wi-Fi模組，首次配網(wǎng)，需要手機與Wi-Fi模組處在相同的網(wǎng)絡環(huán)境下，只要配網(wǎng)成功，手機和Wi-Fi模組都接入互聯(lián)網(wǎng)。當再次斷電控制，只要手機有4G網(wǎng)絡，在任何地點都可以對設備進行APP控制，即具備遠程控制功能。

4.5 機智云平臺監(jiān)控設備活動數(shù)據(jù)

本次項目根據(jù)被控對象的個數(shù)和數(shù)據(jù)類型，在機智云平臺上建立了一個數(shù)據(jù)點，分別是浴室燈、主次臥燈、餐廳燈及車庫門四個數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點的類型也可根據(jù)被控對象的數(shù)據(jù)類型進行設置。如圖6所示。

表1配網(wǎng)測試表

本文所構架的智能家居安防三層體系結構，重點研究位于網(wǎng)絡層的基于云端網(wǎng)絡技術的無線Wi-Fi組網(wǎng)技術，下位機以Arduino開發(fā)板為控制核心，結合手機APP遠、近程監(jiān)控、語音識別、GPRS聲光電報警、手勢控制等多種技術。

總結出一套關于智能家居及安防系統(tǒng)的設計思路。從模擬軟件設計、模型構建、現(xiàn)場調(diào)試等多方面進行了驗證，運用Wi-Fi無線網(wǎng)關和機智云網(wǎng)絡透傳的等關鍵技術；開發(fā)設計了一款智能家居與安防功能模型系統(tǒng)并對方案的可行性進行了驗證。