基于无线通信的智能家居设计

邓怀俊，柳琳娜，张忠禺，史世阳

(中原工学院 电子信息学院，河南 郑州 451191)

0 引言

随着德国工业4.0的提出，智能化逐渐成为生产方式的主导，物联网、云计算、人工智能的结合为各行各业提供了一种制造方式[1-3]。此外，伴随着我国进入新时代，人们对家庭居住环境的要求也逐渐提高，人们期待一种舒适化、安全化、智能化的家居环境。因此，智能家居在近些年快速发展，并且有了一定的成就，但同时也造成了智能家居系统良莠不齐、无法兼容等问题[4-5]。在物联网技术迅速崛起的今天，智能家居的要求也越来越高，其信息化程度也越来越深，但其最终朝向一定会是为了用户居住的安全与方便两大核心来设计[6]。本文通过中国移动提供的云平台，结合SM32 开发平台设计了一款基于云平台的无线智能家居系统[7-9]，在智能家居创新领域提出了一种新的探讨方案。

1 系统概述

本文所提出的智能家居系统在无线通信的基础上，采用物联网技术将各种设备连接到一起。相对于大多数厂家采用有线通信的方式，布线复杂、造价高且不便于用户布置，本设计提供了一种简单、灵活的布线方式，且制造成本低，方便用户使用。

智能家居系统总体结构如图1 所示，主要包含云平台、通信节点、路由节点、控制节点、传感器节点与主控制器[10]。其中控制节点主要有家庭电视、空调、门窗、照明、报警等常用设备；传感节点主要由烟雾、光照、火焰、温湿度等传感器件组成；路由节点与通信节点采用无线Wi-Fi 收发数据，主控制器把接收到的数据处理后上传到云平台，最后由云平台把信息推送给用户APP端和PC 端。

图1 系统总体设计图

2 系统硬件设计

在系统硬件设计方面，采用STM32 开发平台作为系统的核心控制，以中国移动提供的云平台并结合无线通信Wi-Fi 技术作为通信媒介，在传感节点方面主要采用温湿度、火焰传感器、光敏传感器、烟雾传感器等器件实时采集家庭环境信息，并通过显示设备显示相关数据；同时，系统通过多路继电器来控制并联动家庭设备，其系统硬件框图如图2 所示。

图2 系统硬件框图

2.1 最小系统设计

系统采用STM32F103 芯片作为主控制器，其最小系统由电源电路、复位电路、晶振电路组成。对复位电路而言，如图3 所示，系统上电时，由于电容的存在，NRST 处为低电平，当电容充满电后，复位引脚(NRST)处为高电平，系统正常工作，当按键按下后，该引脚接地，系统形成手动复位。对晶振电路而言，可切换内外部晶振，系统外接8 MHz的晶振和32.768 kHz 晶振，系统最高倍频到72 MHz。

图3 系统复位图

2.2 部分硬件设计

考虑到系统硬件设备比较复杂，数量较多，本文只对部分硬件进行介绍。在显示终端，采用IIC 协议的硬件设计方式，这种设计方式相对SPI 协议的设计减少了系统通用IO 口，节约硬件资源；在控制终端，考虑到系统工作电压与继电器等硬件设备的工作电压不一致的问题，通过LM393 芯片设计了一款电平转换器，从而解决设备之间电平不一致导致的误判现象；在传感终端，每个传感器节点都保留直接输出(0-1)和模拟输出接口，方便系统调用；在传输终端，选择ATK-ESP8266 型号的Wi-Fi 模块，其传输速度快、网络稳定，只需要保留两个数据接口和两个电源接口即可工作。

3 系统软件设计

在本系统软件设计上，主要分为感知层的传感器信息采集、网络层的信息传输、应用层的多路继电器控制与数据显示，最后对系统获取到的数据通过归一化算法进行处理，对异常数据作报警处理。

3.1 主程序设计

在系统主程序设计上，首先对系统用到的传感器模块、显示模块、控制模块、通信模块等进行初始化工作，待初始化工作完成后与云平台进行对接，当连接到云平台后，系统把感知层的数据实时上传到云平台并进行判断，若异常系统便启动报警功能，同时用户可通过云平台下发命令，控制家庭设备，并实时上传家庭设备状态。系统软件设计流程如图4 所示。

图4 系统软件流程图

3.2 Wi-Fi 传输设计

在无线通信节点，主要是对Wi-Fi 模块进行相关模式初始化设置[11]，各项设置完成后，与云平台建立TCP连接。当系统连接到云平台后，即可进行数据的上传与命令下发等操作。其软件框图如图5 所示。

图5 Wi-Fi 软件设计框图

3.3 数据处理

完成对监控信息的采集后，对采集的信息作预处理并分类，最后对处理后的信息进行学习，推算出最适合的处理手段，通过云台发送数据给用户[12]。针对智能家居多样性的特点，采用直接化和归一化的方式对数据进行监控。

利用MATLAB 软件对所采集的数据进行分类处理，用图形表示各种类型的数据，其中正常区间的数据用方块来表示，异常区间数据用实心圆表示，如图6、图7 所示，可以直观地看出采集到的数据大小以及是否异常。

图6 温度仿真图

图7 湿度仿真图

同时为确保异常信息能够被监控并推送给用户，在系统内部，通过归一化算法对数据进行分析，通过式(1)体现。

式中，Pnorm是归一化后的信息数据，Pmax和Pmin是规定的信息区间的最大值和最小值。系统通过归一化算法分析，把正常或安全区间的数据归一化在0～1的区间，对区间外数据联动报警设备，通过归一化算法不仅利于系统判别，而且保证安全监控系统的准确性。

通过MATLAB 对系统监控到的数据归一化处理，得到如图8、图9 所示。

图8 归一化温度曲线图

图9 归一化湿度曲线图

4 系统测试分析

通过软件、硬件、云平台相结合的方式，最终设计出一款无线通信的智能家居模型，其监测到的部分数据流如图10～图12 所示,其中横坐标代表数据采集时间点，纵坐标代表采集到的数据大小。

图10 云台湿度曲线图

图11 云台窗帘正向控制曲线图

图12 云台可燃气体曲线图

为方便用户直观地查看监控数据，并对家庭设备进行控制，通过对终端显示页面进行设计、优化等操作[13-15]，创作出如图13 所示的部分操作界面，用户可直接登录APP 端或PC 端查看室内传感数据并控制相关设备。

图13 云台操作端总体图

5 结论

本文提出并设计了一款基于无线通信的智能家居系统，可在系统内部对传感信息归一化分析，对异常信息可联动报警设备；在云平台端，用户能够实时查看并控制家庭设备。本设计相对传统家居模型，系统采用UART+Wi-Fi 两种通信方式，解决了有线通信的各种问题。此外，系统在任何能够联网的位置均可工作，实现真正的远程智能监控，且系统小巧、稳定，方便用户布置，为人们有一个舒适、安全的居住环境提供了一种可能性。