基于阿里云的智能家居系统设计与应用

惠云HUI Yun；白伟BAI Wei

（宁夏师范学院数学与计算机科学学院，固原 756000）

0 引言

智能家居运用物联网技术，将相关电子设备整合进行高效管理，实现智慧生活。智能家居概念于20 世纪70 年代提出，受限于当时技术只存在于科幻小说、电影中，实物从未推出。中国智能家居发展起步较晚，2000 年至2005年，深圳率先开始了智能家居实体设备的生产及销售，面向高档社区，普通民众无相关概念与体验，且技术单一、体验度不高。2006 年至2010 年，随着研发资金的不断投入，智能家居整体技术与市场体系日趋完善，国内的众多企业开始研发智能家居系统，其中以清华同方的E-Home 和海尔集团旗下的U-Home 为典型代表。2011 年以后，随着IT、电子、5G 通信技术的进步以及国内政策大力扶持，产品设计研发与生产逐步走向产业化，智能家居彻底开始普及，智能家市场规模进一步扩大，进入高速发展期，拥有广阔发展前景。让住户真正体验到的智慧生活所带来的品质与便捷。

本文设计了基于阿里云物联网平台智能家居系统，分硬件系统与软件系统[1]。硬件系统设计原则单个模块既能独立运行又能组网联动，网络稳定可靠，能适应各种极端状况，例如突发停电、网络不通等，保证局部故障不影响整体使用，能迅速排查出故障便于维护。软件系统设计原则操作界面简洁、快捷、高集成性，可选择预设场景或自定义使用场景，住户在不需要改变传统使用习惯的同时又能体验智慧联网控制带来的智能生活体验。整体运行模式如图1 所示。

图1 阿里云智能家居系统运行模式

1 硬件系统

主要硬件由七大模块。

①主板模块。核心主板能够连接所有控制单元，并实现相应功能，保证各个模块运行正常。可接入存储设备，支持影像、声音等数据的本地存储且同步上传云系统。主板选择Arduino UNO，核心参数如表1 所示。

表1 Arduino UNO 核心参数

②电路控制模块。室内照明、电器、能实现远程控制、定时或延时开关，可编辑使用场景对光照时间、亮度家电使用等实现个性化设置。每个社会有单独线路，保证网络瘫痪后能独立运行，不影响、不改变住户传统使用习惯。

SRL-12/16A 智能控制模块支持内网/外网路由拓展、蓝牙、4G、WIFI 通信，随时能对回路进行定时、控制、编程，支持电能质量监测，真正实现能效管理。每回路独立按钮开关0～2000 毫秒可调延时控制、每回路4 组独立时控。根据光线明暗、用户是否在家可自动开关灯。触发消防联动时强制全开或全关掉电记忆，再来电后状态可设置全开联动。同时也可以通过外部信号强制开启全部回路，根据使用场景设置相应模式。

③环境监测模块。对室内环境数据进行采集，主要有温湿度传感器、气体传感器等。传感器将采集数据传递给控制单元进行数据处理，并同步上传云平台。当室内环境出现异常时，蜂鸣器及警示灯会发出警报，并通络网络传输云平台，云平台通过APP 实时推送给住户，以便做出及时响应。

DHT11 传感器是温湿度复合传感器,利用红外模块遥控感知外界温湿度变化，可靠性、稳定性高。室内气体检测可选择MQ2-9/135 模块。其中MQ2-9 传感器可检测烟雾气、酒精、甲烷、液化天然煤气、异丁烷丙烷、一氧化碳、氢气等气体，MQ-135 可进行常规空气氧含量检测等。

④视频监控模块。室内可根据需求安装多路视频监控，主控系统可实时查看画面，并将数据保存在本地存储，并同步于云系统存储中。

ESP32-S2 模块，是小尺寸的摄像头模组，尺寸仅为27*40.5*4.5mm，深度睡眠电流最低达到6mA。采用了DIP封装，可直接接入Arduino UNO 主板，实现多场合使用。

⑤智能门禁模块。强调高安全性，锁体需机电一体化，电机内嵌于锁体中，非外置式背包电机，提高安全性的同时响应速度更快、更静音、更稳定，延长使用寿命。需内置防拆感应器，撬动门锁能发出警报，坚固耐摔，工作温度-20 到60 度。低电量提醒，支持USB 充电、机械钥匙解锁等。

软件方面支持WIFI，支持密码、远程授权临时密码（可设置有效时间）、指纹、等解锁方式。开关门时，上锁未到位，会立即发出语音提醒。手机App 能查看剩余电量，能推送开门、警报等消息，可随时查看操作记录等，住户可自行决定安装款式。

⑥网络传输模块。须保证网络数据传输的稳定性与速度[2]。Esp8266 是面向物联网应用的高性价比、高集成度的Wi-Fi MCU，工作温度范围大，运行稳定能适应各种操作环境。内置TCP/IP 协议，支持Wi-Fi 网络连接，具有GP10、PWM、12C、1-Wire、ADC 等功能，结合Node MCU可快速一键配网（smartConfig）。

⑦语音识别控制模块。语音经过识别合成后，转换成二进制码下发给电路控制器，进行设备识别与控制。语音控制系统大大降低了智能家居系统的使用门槛，任何手动操作都无法与智能语音识别控制比拟。智能语音设备极易受到环境干扰，尤其嘈杂、有回音或者有其他声音干扰时，会影响智能语音设备工作稳定性。特别是中国方言、口音、同义词、近音词众多，使得语音识别变得困难。

语音识别与控制模块采用ASR-M09C。该模块支持用户自行修改唤醒词，可识别词条、播报音、音乐等，用户可不限次数修改。使用简单，适合零基础开发者，通过串口进行数据传输，适合做人机交互开发实验，兼容C51、STM32、Arduino、Microbit 等平台。板载LD3320 非特定人语音识别芯片，识别率高。支持连续对话、唤醒及按键模式，最多可设置50 组识别词条，单个词条长达79 个字符。采用最简单的TTL 串口输出，使得应用范围大大增强。内置高品质MP3 解码芯片，可实时播报，内置USB 读卡功能，支持32GB 以内的TF 卡，可与Arduino UNO 搭配使用，系统稳定可靠。

对上述七个模块安装，搭建的实物模型如图2 所示。

图2 智能家居实物模型

2 软件系统

由本地软件平台与阿里云物联网平台组成。

2.1 本地软件平台

本地系统是基于Arduino UNO 主板的Arduino IDE开发平台。Arduino 语言基于wiring 语言开发[3]，对于初学者来说，只需要掌握基本的单片机、编程知识，就可快速设计开发。支持Windows、Mac OS、Linux，Arduino 的硬件原理图、电路图、IDE 软件及核心库文件开源，在开源协议范围内里可任意修改原始设计及相应代码。

越来越多的软件开发者使用Arduino 进入硬件、物联网等开发领域，已成为物联网开发的主要趋势之一[4]。开发者只需关注创意与实现，不再需要浪费大量时间在底层物理硬件逻辑上，从根本上提高项目开发效率，节约成本，大大缩短了开发周期。且应用领域广泛，医疗、交通、艺术等行业也纷纷进入研究。

将上述模块全部连接到Arduino UNO 主板，Arduino IDE 平台可正常检测到后，就可进行编程。以温湿度DHT11 传感器为例编写核心代码如图3 所示。

图3 DHT11 代码举例

2.2 阿里云物联网平台

阿里云以飞天云操作系统为核心，建立了自研芯片、服务器、计算、存储、网络等软硬一体的新型计算体系架构，“飞天”是中国唯一自研云操作系统，能将全球的数百万服务器连接成一台超级计算机，单集群规模突破10 万台。阿里云物联网平台提供安全可靠的设备连接通信能力，支持设备数据采集上云，规则引擎流转数据和云端数据下发设备端。此外，也提供方便快捷的设备管理能力，支持物模型定义，数据结构化存储，和远程调试、监控、运维。

使用云平台，需完成设备端设备变成、云端服务器SDK 配置、数据库创建、手机App 开发等[5]。本地设备通过MQTT 协议与物联网平台建立长连接，上报数据（通过Publish 发布Topic 和Payload）到物联网平台。通过AMQP消费组，将设备消息流转到个人业务服务器上。通过物联网平台的云产品流转功能，处理设备上报数据，将处理后的数据转发到RDS、表格存储、函数计算、TSDB、企业版实例内的时序数据存储、DataHub、消息队列RocketMQ 等云产品中，进行存储和处理[6]。通过业务应用下发指令，使业务服务器调用基于HTTPS协议的API 接口Pub，给Topic发送指令，将数据发送到物联网平台。

①设备创建与管理。

登录阿里云物联网平台。在实例概览页左侧导航栏中，选择设备管理产品，单击创建产品。在新建产品页面，配置参数后，单击确认。设备证书由ProductKey、DeviceName、DeviceSecret 三部分组成，这是平台进行通信的重要身份认证[6]。单击发布上线按钮后，该设备就上线了。重复上述步骤可完成所有设备、模块添加。

②Web 设计与开发。

所有设备创建完成后，下一步在阿里云APP 开发Web 应用程序，添加按钮连接到相应设备，调试配置相关参数，保证功能正确。设置后好与本地Arduino IDE 程序对接，实现同步。部分操作界面如图4 所示。

图4 智能家居APP 操作界面

3 系统测试

将所有硬件、软件连接设置好后，开始系统测试。

①设备上线测试。检测所有模块物理安装是否正确，连接信号能否正常传输。首先在本地Arduino IDE 开发平台上检测所有硬件是否全部在线[7]，尤其是单个模块上附加的扩展控制模块。本地硬件检测全部正常后，测试软件设置是否正确。登录阿里云物联网平台，确认云端看到所有设备、主模块、子模块在线。②设备功能测试。检测所有模块是否工作正常，本地及云端指令能够发出，实现正确功能，避免出现“张冠李戴”现象，尤其附加模块与主模块功能设置冲突问题，须避免。③智能家居环境异常测试。异常操作门禁系统、异常烟雾、温度、气体出现时，本地是否报警、数据是否上传云端，手机APP 是否接收到数据并及时推送消息。特别是发生火灾时能否联动报警，避免出现更大损失。④阿里云平台数据测试。上传的数据是否正确保存，能浏览各模块历史数据。数据下发与上传时，能正确接收，并实现同步。特别是设备管理控制数据与本地设备管理数据须保持一致。⑤语音控制测试。语音识别的稳定性和正确率直接影响到使用体验。要对安静、嘈杂等环境分别测试，语音控制命令能否正确控制相关设备、实现相应功能。完成测试后，形成标准的模型对比库，优化语音识别。尤其ASR-M09C 语音识别控制模块加载了WEGASUN 2560，需要测试离线语音识别与控制，保证网络瘫痪的情况下，能正常识别语音。因此Arduino 中的每个关键词要逐一测试。另外还要测试语音模块与控制灯光、空调调温、电视调台、风扇风量、无线插座的联网联动功能，保证每项功能正常使用。⑥整体优化与安全测试。硬件系统与软件系统完成基本功能测试后，要对整体系统进行优化测试。例如硬件方面过流保护、过压保护、防反接保护，软件方面单模块内代码优化，多模块联动代码调测等。避免出现回路、逻辑错误等，保证系统的效率、稳定、安全性。其他例如单个模块电路、功能、数据传输、特殊功能等测试不再赘述。

4 总结

本文依托Arduino，通过各种传感器模块的整合，完成智能家居的整体设计。软件选择云平台最大的优势是付费即使用，阿里云实现数据备份、数据库配置、系统维护等，用户完全不用担心数据丢失等问题，只要网络畅通就可访问，用智慧家居如同用水、用电一样，真正实现云应用、智享生活。