智能家居控制系统设计与实现

陈成瑞，王旭康，肖欣悦，李成勇

(1.重庆工程学院 电子信息学院，重庆400056；2.中国电子科技集团公司第五十三研究所，天津 300000)

0 引言

伴随物联网产业的源起与飞速发展，人们的生活已离不开智能化带来的便利与享受。目前，家居智能化已成为当今的主流发展趋势[1]，影响到人们的日常生活，智能化、信息化的生活方式，成为当今世界研究的热点问题。而这一切发展的最终目的是为人们提供一个舒适、便捷、高效、安全的生活环境，智能家居控制系统的发展也日渐满足人们对居住环境的多方面需求[2-3]。

智能家居控制系统不仅能给人们带来不一样的精神享受，更重要的是可以为人们节省宝贵时间。在本设计中，智能家居灯光控制系统采用无线通信技术与移动设备进行通信，通过移动设备发送指令来实现物与物之间的数据传输，实现对家居的远程控制，这样的方式能很好地缓解人们的生活节奏，带来方便的同时，满足人们对生活品质的要求，实现随时随地对家居的管控能力[4-5]。

1 智能家居优势

智能家居同传统家居的区别如表1所示。

设计的智能家居系统具有以下优势：

① 实用性：为人们提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境；

② 便利性：通过传感器，可以对家里的温度、湿度和亮度进行检测，可以通过OneNet平台控制家居状况，实时掌握家中信息；

③ 可靠性：24 h监控，在保证系统正常安全使用的同时，拥有适应各种复杂环境变化的能力；

④ 节能性：家居整体采用节能LED灯，且每个灯都由系统控制(人走灯关)，能最大降低能耗，同时提供方便；

⑤ 安全性：智能门禁系统通过RFID控制，异常报警；

⑥ 智能化：通道、室内等安装探测器，人来灯开，人走灯关，提高智能化感受。

表1 智能家居同传统家居的区别

Tab.1 Differences between smart home and traditional home

项目智能家居传统家居安防系统自启安防系统、智能门禁无照明系统灯光场景切换,颜色多样化固定灯光音频系统远程控制、触摸屏控制人工控制窗帘系统自动转动、人性化人工控制用电器系统远程控制、触摸屏控制、方便人工控制、繁琐语言系统智能播报、温馨提示无绿植养护系统智能养花人工浇水检测系统实时检测、实时更新无

2 系统设计

2.1 硬件设计

硬件主要包括核心模组、照明单元、电机驱动模块、安防单元、通信模块、显示单元和温湿度检测模块，本设计硬件首先是通过通信模块和温湿度检测单元给核心模组输入信号，核心模组再对采集到的数据进行分析与处理，然后输出相应的控制信号对语音播报器、灯光调节模块和驱动模块进行控制并通过通信模块上传到OneNET平台[6-7]。驱动模块分为2部分：一是通过驱动电机的正反转实现窗帘的角度调整；二是通过继电器和水泵来实现自动浇花。显示单元通过与核心模组进行串口链接，将接收到的数据进行显示和控制，如图1所示。

图1 硬件总体框图

① Arduino单片机中控处理模块：Arduino单片机通过对最小系统的扩展，完成对其他模块采集的信号进行处理，传送到OneNet平台；

② OneNet平台：对采集到的数据进行存储并更新数据[8]；

③ ZigBee技术：通过ZigBee技术进行低功耗短距离无线设备链接[9]；

④ 传感模块：实现实时温度、湿度数据采集，将数据传送至Arduino单片机中控处理模块进行处理[10]；

⑤ 控制面板：手动控制室内的全部设备；

⑥ 语音模块：对室内的信息进行语音智能提示；

⑦ 电机模块：接收单片机信号，自动控制窗帘状态[11]；

⑧ 空气净化器：减少空气中PM2.5，净化异味[12]。

2.2 软件设计

系统主要以Arduino单片机为核心，系统初始化后，开始采集传感器信息，对数据进行存储和显示，通过手机或控制面板进行控制以满足用户的需求，从而实现相应功能。

智能家居通电后，系统初始化，可以调节窗帘关闭的遮挡角度，比如1/2或1/3 。点一下开启，电机开始转动，再点一下电机停止，从而达到合适的角度；点击绿植信息，显示当前湿度，紫外线强度，左边显示绿植7天水分情况。当开启无人值守模式，土壤湿度低于一定值时将自动浇水，也可通过浇水按钮给绿植浇水。灯光会切换到相应灯光模式，提供不同的室内体验。软件程序总体设计图如图2～图5所示。

图2 智能家居控制系统软件流程

图3 电窗单元

图4 温湿度检测单元

图5 照明单元

3 系统测试

3.1 电路板表面

用眼睛主观观察每块电路板的元器件有无贴反、漏装，也可以结合电路原理图对照元器件；电路使用数字万用表检测是否有虚焊和短路。

3.2 通电测试

电路板表面测试无误后，就可以给各个模块进行通电测试，观察是否有无冒烟以及触摸电路板是否发热等现象，如表2所示。

表2 各模块电压值

Tab.2 Voltage values of each module

模块工作电压/V输入电压/V输出电压/V测试Arduino5.0接上USB无需供电;外部DC7.0～12.0DC5.0DC3.3正常ATK-ESP8266 WiFi模块3.3～5.05.0-正常温湿度传感器模块5.05.0-正常灯光调节传感器DC5.0～35.05.0-正常继电器≤36.012.0-正常语音播报器3.33.3-正常

3.3 程序烧录

在以上2个步骤顺利完成后，则可进入电路板的程序烧录，测试各个模块是否正常运行。使用工具：① PC机；② 操作系统：Windows；③ 软件：ArduinoIDE；④ 云平台：OneNet。烧录界面：程序验证无误，就可上传至模块，如图6和图7所示。

图6 程序验证

图7 程序上传

3.4 功能测试

(1) 自动浇花

智能家居上电，使用者可以手机登录OneNet平台，查看绿植信息，并根据信息来决定是否浇花。当要浇花时，可以开启ON，自动浇花模块便开始运行，当数值达到要求时自动关闭。使用者也可以在液晶屏上进行相应工作。

(2) 智能窗帘

智能家居上电后，使用者可以手机登录OneNet平台。在平台上点击ON，电机开始工作，窗帘打开；点击OFF，电机停止工作，再点击ON窗帘开始关闭。使用者也可以在液晶屏上进行相应选择。

(3) 灯光调整

当使用者在室内休息时可以根据自己的心情选择灯光模式，共有4种：活力清晨、浪漫晚餐、放松心情和激情舞会。使用者可以手机登录OneNet平台，点击卧室灯光进行相应选择。使用者也可以在液晶屏进行相应选择。

(4) 云平台

传感器将搜集到的数据由核心模组处理并上传至创建好的OneNet云平台，形成大数据，并能正常显示数据。

(5) 语音提示

当使用者离家后，检测到有其他人在室内将报警。当使用者在家时，可以用来听歌。

4 结束语

本系统由单片机处理器进行整体控制，通过无线模块ESP8266让手机APP与单片机间以及OneNet平台进行数据传输。系统包含环境检测模块、智能安保模块、语音控制模块、智能语音提示模块、智能插座模块、智能灯光模块、智能窗帘模块、指纹锁模块、手机APP和OneNet平台。通过APP，OneNet平台以及单片机之间的信息采集、数据交互，对数据进行准确分析并做出相应的应对，组成一个完整的智能家居系统。目前市场上智能家居的受欢迎程度非常高，系统功能性强大，成本低，性价比极高，针对市面上其他功能不齐全、功能较为单一的产品，本系统整合度较高，功能齐全，并且基本具备智能家居应具有的最重要功能，能很好地避免浪费电，从而实现环保节能的目的，同时具有较高的应用价值。多次测试结果表明本系统的系统需求达到了预定目标。