模块式智能家居系统构建

沈阳工业大学信息科学与工程学院 刘 帅 王向东 刘芮辰



模块式智能家居系统构建

沈阳工业大学信息科学与工程学院 刘 帅 王向东 刘芮辰

【摘要】智能家居系统以其人性化的设计越来越被人们所接受，然而其高昂的价格成为推广的最大阻碍。对比高成本的智能家居系统以及无法完全满足人们需求的低端产品，文章基于嵌入式技术设计了功能可以模块化组合的降低成本智能家居系统。

【关键词】智能家居；嵌入式；模块化

0　引言

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、通信技术及自动控制技术等有关技术实现家居设施的互联，构建智能的住宅设施管理系统，从而实现安全舒适且环保节能的居住环境［1］。智能家居以人为本的设计理念让使用者体会到了科技带来的生活改变，得到了人们极大的推崇，有着广泛的市场前景。然而作为新兴的市场产品，智能家居系统高昂的价格让很多人望而却步，成为其全面走向市场的阻碍［2］。本文以STM32F103ZET6为主控制器设计了模块式低成本智能家居系统，系统拥有室内温湿度检测功能、窗帘控制功能和室内安全检测功能的，同时拥有APP端主动控制、系统自动控制以及本地语音控制方式。

1　系统概况

系统各个功能模块之间以路由器为核心，采用Wi-Fi方式组网，以星型结构进行链接。系统包含语音控制模块、窗帘控制模块以及室内安全检测功能模块，其中室内安全检测功能包括漏水检测、烟雾燃气检测和移动物体检测。各功能模块构成系统的感知层［3］，系统工作时，感知层设备利用USR-WIFI232-S模块连接到网络，将采集到的信息发送至服务器，用户端设备访问服务器获取该信息，可在APP界面显示。手持设备通过APP可将指令发送至服务器，经路由器传至功能模块，执行相应的指令动作。

2　硬件解决方案

2.1Wi-Fi网络构建

功能模块基于USR-WIFI232-S构建了Wi-Fi网络。在USR-WIFI232-S集成模块中可利用处理器的串口进行数据传输，同时，拥有基频芯片、支持射频收发和MAC协议具备功率放大能力。该集成模块支持IEEE802.11b/ g/n无线局域网以及TCP/IP传输控制协议，支持用户的个性需求配置。在系统的功能拓展目模块使用USR-WIFI232-S 模块一方面便利的实现感应层设备组网，另一方面实现了感应层设备与服务器通信。这种网络连接方式为实现系统模块功能的增、减提供了技术便利。

2.2可重组功能模块

部分功能模块可插拔化的设计理念既能大程度的压缩产品成本，又能够提高系统功能实现的灵活性。在系统中扩展的功能模块设计成独立的插拔形式，通过USB接口可实现与拥有无线组网能力的功能模块的快速链接与分离。USB接口中包含电源线和数据线，用以实现模块的供电和数据传输，对于数据传输的实现，系统中采用IIC总线协议。同时，对于所有的功能模块都拥有编码，当其挂载到总线时，系统识别编码，避免出现混乱情况。在IIC总线挂载的设备中设有存储器，本套智能家居系统中使用16KB非易失性铁电随机存储器［4］即可满足需求，将功能模块采集到的家居信息保存到存储器中，可优化系统中各功能模块的运作。

2.3模块功能原理

2.3.1语音控制功能

系统中基于LD3320芯片实现语音控制功能［5］，LD3320芯片拥有模拟量和数字量转化功能，不需要额外添加Flash 和 RAM芯片，指令发出者不需要进行特定的语音。其工作过程是：当用户发出语音指令后，LD3320芯片对语音指令进行频谱转换提取指令特征，之后将其特征与设定的指令列表进行识别比对，将匹配最佳的做为识别结果。

2.3.2窗帘控制功能

系统中对于窗帘可以进行手动控制、自动控制和语音控制。手动控制是用户通过APP控制窗帘状态；自动控制方式是系统根据功能模块采集的家居信息以及存储器中保存的信息，自主决定窗帘状态，并执行相应的动作；语音控制方式使得操作上具有极好的便利性，只通过语音指令就能完成对窗帘状态控制，比如语音指令“小智，关窗帘”，其中“小智”是系统预先设置的指令，可以激活系统。此外，窗帘控制模块中含有光敏电阻原件，用以收集外界信息，同时，将以独立模块形式设计的温湿度测量功能模块通过USB接口连接到窗帘控制模块上，用以收集温湿度信息，丰富窗帘自动控制模式依据。窗帘控制模块结构如图1所示。

图1　窗帘控制模块结构图

2.3.3安全监测功能

系统安全检测功能包含漏水检测、非法入侵监测和烟雾燃气检测。对于漏水检测功能，系统中主要利用NE555芯片进行实现，其电路设计图如2所示。当发生漏水时U6中的1、2两端被导通，NE555芯片的3引脚输出电平将发生变化。因此，处理器检测NE555的3引脚的电平信号就可分辨出是否出现漏水情况。

图2　NE555外围电路

在系统中利用MQ系列传感器进行烟雾、燃气的检测，该系列的传感器工作时需要外加加热电压 和测量电压 。 加热传感器工作部件温度，用以维持工作环境； 用来测量负载电阻 两端的电压 。在系统设计过程中，电源能够满足 和 的工作需求，因此可以采用同一个供电电路。该传感器是依据其在不同空气浓度下导电率不同而实现烟雾检测功能，其工作原理如图3所示。

图3　MQ系列传感器工作原理图

系统中为了实现移动物体检测功能，利用多普勒原理［6］，设计了人体红外感应开关。该红外检测开关能够实现非接触探测，并且对工作环境要求较低，抗干扰能力强。此外，该红外检测开关的输出功率小不对人体构成危害。当系统监测模块工作后，一旦室内发生非法入侵情况，在终端的APP中启显示“不安全”，同时语音报警，在终端的APP中可以手动关闭警报。

2.3.4温湿度检测

对于室内温度和湿度的测量，系统中使用了DHT11数字温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器其输出是已校准的数字信号，对温度和湿度的分辨率分别为1℃和1%RH，测量精度为 ℃和 RH。在系统的实现中将此功能模块制作成通过USB口插拔的独立模块，加大程度的压缩了产品成本，并且提高了系统模块实现的灵活性。模块采集到的室内温湿度数据通过IIC总线发送到具备无线网络连接能力的模块控制器中，之后通过服务器传输到终端设备，在APP中显示当前测量值。同时，最新的数据将存储到FM24C16芯片中，当系统的功能模块处于自动控制模式时，可读取FM24C16芯片中的所有数据，作为动作执行的依据。

图4　APP程序流程图

3　软件解决方案

3.1IIC总线

IIC总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，是各种总线中使用信号线最少，并具有自动寻址、多主机时钟同步和仲裁等功能。IIC总线只利用一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）即可完成数据传输和其他功能模块的挂载，为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路输出或集电极开路输出。设备上的数据线接口电路应该是双向的，输出电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。同时，时钟线也必须是双向的，一方面要通过时钟线输出时钟信号，另一方面还要检测总线上的时钟电平。总线空闲时，上拉电阻使数据线和时钟线都保持高电平。在系统中，将数据存储芯片以及通过USB接口插拔的功能模块挂载到IIC总线上，实现各个功能模块在所有的工作模式下协调工作。

3.2APP编写

智能家居系统的实现必须要有相应的应用程序，系统中基于安卓操作系统，使用Java语言编写APP程序，Java语言作为面向对象的优秀编程语言既涵盖了C++语言的所有长处，又在编程过程中舍弃了C++语言中难懂的概念。故而，强大完备的功能以及简单实用的操作是Java语言两大显著特征［7］。Java语言可使程序员以优雅的思维方式解决复杂的编程问题，可称为面向对象编程语言的典范。程序流程图如图4所示。

4　总结

本文以模块式的理念设计了一套低成本、功能增减灵活的智能家居系统。部分功能设计成独立模块形式，一方面降低了产品成本，另一方面也使得系统功能可按需组合。拥有APP端控制、语音控制、自动控制多种控制方式使得系统的操作更加人性化。与目前市场上的其它智能家居相比在价格方面和灵活上具有显著优势，因此，本文设计的智能家居系统拥有大范围推广的潜力，为智能家居系统的广泛应用提供一种可行的设计方案。

参考文献

［1］马振，宋雅庆，王珂，陈超.低成本智能家居系统设计［J］.自动化仪表，2015，3（3）：49-52.

［2］朱敏玲，李宁.智能家居发展现状及未来浅析［J］.电视技术，2005（4）：82-86.

［3］申斌，张桂清，汪明，李成栋.基于物联网的智能家居设计与实现［J］.自动化仪表，2013（2）：6-10.

［4］周保国.16kbit非易失性铁电存储器芯片FM25C160原理及其应用［J］.电子产品世界，2003（8）：76-78.

［5］禹琳琳.语音识别技术及应用综述［J］.现代电子技术，2013，36（3）：43-45.

［6］刘馨宁，黄宇，孙协昌，李勐.非匀速运动环境对超声波相位测距影响研究［J］.电子设计工程，2016，24（3）：192-132.

［7］谷庆华，李成贵.基于Java语言实现数据库的访问［J］.计算机技术与发展，2008，18（2）：13-16.