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基于机智云物联网智能家居系统

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ELECTRONICS WORLD·探索与观察 基于机智云物联网智能家居系统 廊坊师范学院 闫海发 闫 楠 郭亚川 孟圣钧臧洪颖 刘新宇 于 泳 吴海洋 【摘要】随着经济的发展,人民生活水平的提高,人民可支配的收入逐渐增多,对家居环境的要求也越来越高,因此智能家居的发展就显得 尤为重要 现在智能家居行业涉及的方面包括家电控制、智能照明、安全监控系统等..可以通过手机、电脑等工具连接网络,实现对室内家 电进行本地或远程控制。智能家居系统控制可以给用户提供更加智能的家居体验,使用户控制简单,更高效,也能为家庭提供可观的节能减 耗效果,使用户居住起来更加的舒适,并且可以通过不同的设计方案满足客户的家居需求。本文设计的智能家居控制系统。以STM32单片 机微控制芯片为基础,采用WIFI无线通信技术、传感器技术、TP.红外感应技术等。实现了远程智能控制照明开关、浇花、喂鱼、宠物检测 等现代化家居功能 【关键词】STM32单片机;机智云物联网;智能家居 给家庭路由器,路由器再发送给esp8266WiFi模块,经过串口esp. 8266wiFi模块与主芯片stm32fl03c8t6通信,从而实现对家居中照明 1.绪论 1.1前言 开关、自动浇花、自动喂鱼、宠物检测等进行本地和远程无线智能 控制。它们由统一的智能家居平台将各个的子系统连接成一个 能够有相互信息交换,并加以控制的网络。 传统智能家居与物联网智能家居有很大区别,物联网智能家居 系统得益于物联网、无线通信、云计算等新技术在智能家居上的应 用,这些远远超过传统智能家居。物联网智能家居还具有设备安装 简单,操作简捷高效;而传统智能家居通常是有线的,主要缺点是 前期安装和后期扩展的繁杂性。物联网智能家居能够将智能家电、 智能开关、智能照明、智能插座、智能门窗等联系到一起,给人们 提供一个健康、舒适、安全和便利的生活方式。这也说明物联网智 能家居系统是未来发展的一大趋势,值得一提的是,这种智能家居 还需要通过扩展向物联网智能家居转变。 1-2设计方案 本系统采用STM32F103C876作为主芯片,外接各种模块电路,利 用红外探测,温湿传感器以及热释电传感器对室内情况进行监测,而 且还可对室内其他设备进行远程控制。将检测到的数据发送到控制器 中进行数据分析,可以实现:当有异常情况发生时控制器立即作出相应 的处理,并通过esp8266WiFi模块将室内异常情况经过家庭网络和云端 发送到用户手持设备上,通知用户:在出差或者上班地点我们就可以 实现对家庭电器的远程控制,实现了智能化向家庭发展。 2.总体设计 2.1功能及特点 2.1 1功能 采用机智云APP进行无线网络控制技术实现全球控制,物联网智 能家居工作原理就是利用无线网络技术,将家居各个设别连接到终端 上,然后利用这种终端即可实现智能的操作。并且智能家居控制系统是 采用无线网络技术,而这种技术受到的环境影响小,并且构建的周期 短、成本低,还方便维护和扩展。所以这种无线网络技术是完全符合智 能家庭网络的通信要求的。本产品可随时随地的运用手机控制,进行自 动喂鱼、随时控制台灯的开关、根据土壤湿度进行自动浇花等功能。 此物联网设备开发了l0余种功能,设备和手机APP端处在同一 局域网环境下(同一wIFI环境下)即可实现近程控制,与远程控制 相比设备接收数据的速度会更快一些。设备处于连接网络的WIFI环 境下,手机处于2/3/4G网络环境下或其他接入网络的WiFi环境下, 可实现远程控制,即可实现全球控制。如下有具体功能: ■ (1)远程开启、关闭台灯,模仿了家庭日用灯光的远程控 制,更加人性化的设计,远程,手动控制并用。 _言 ■£ - (2)远程浇花的功能,可以进行远程浇花,为一些喜欢养花 又很忙没时间养花的用户带来了福音,如果工作很忙可以工作的时 候打开手机,自行控制水量进行浇花(也可根据土壤湿度传感器进 行自动浇花,第(5)点介绍)。 (3)远程喂鱼的功能,为喜欢养鱼或其他小动物并且工作忙 没时间的用户提供了方便,点击“喂鱼器开/关”自动喂鱼一次, 完毕后开关自动关闭。 (4)继电器用户自定义接口,为用户提供方便,用户Hr将家 ■■●■ 采用STM32单片机控制系统实现,产品性能主要针对家庭中的实 用性:主要包括用物联网技术控制台灯、浇花器、喂鱼器、红外感应、 热释电、pwm接口、温湿度、继电器等多功能融合一起的物联网智能家 居。在设计中又针对现实情况做 多次试验,结果充分体现出了产品的 实用性和功能的可靠性。其服务器底板采用STM32内核.具有高性能、 低成本、低功耗的优点,更能体现出在家居生活中的实用性和可靠性。 1.3系统组成 里的小功率用电器接在这个继电器上,相当于一个远程控制开关, 用户可进行DIY设计连接使用。 (5)远程自动浇花的功能,第(2)点提到远程浇花,但需要 用户自行控制水量,但可能存在浇水过多或过少的情况,为进一步 给客户提供方便,点击“自动浇花”功能,浇花器将根据土壤湿度 传感器传回来的值进行自动浇花,最后一项是土壤湿度传回到手机 中的值,当这个值小于l3时会进行浇花,土壤湿度传感器上有感度 调节继电器,可根据浇花类别不同进行适当调节。 通过模块化设计和对各个模块的单独调试、制作最后我们的 智能家居系统包含三个部分:客户端、云端控制、以及以STM一 32Fl03C8T6作为主芯片和esp8266WiFi模块相结合的控制端。其中 STM32单片机实现了对管家(智能台灯)、园丁(智能浇花器)、 养殖员(智能喂鱼器)、土壤湿度传感器、红外探测、热释电传感 器、温湿度传感器、继电器、可开发电机等部分的控制。 本控制系统通过上位机手机(客户端),通过家庭路由器局 域网或手机移动网络连接到云端,再由云端发送和接收数据传送 ·8· 屯子世,● (6)远程门锁开关控制,这个功能不建议远程使用,远程打 开门锁如果家里没人可能造成财产丢失,设计目的是为其他人远程 打开门锁,或出门忘带钥匙的用户可使用手机打开门锁。 (7)远程控制电机转速PWM的功能,这个功能可以控制一些 ELECTRONICS WORLD·j6 勇享与 雹 窝 小型电机或小型电风扇,可以远程控制转速,达到一个排风通风干 燥的目的,喜欢小动物的用户可以在其窝的上方安装一个小风扇达 到排风除臭的目的。 (8)远程红外感应功能,红外感应功能可以提供一个简单的 监测作用,如果家里有老人或小孩单独在家,可以大概了解一下其 所在的方位,避免其触碰家里的危险物品,比如燃气灶或是家庭用 电。而且也可以监测家里的宠物的出行。除了这些,红外感应还可 以直接放在厨房燃气灶等红外产生的地方,监测容易出现危险易燃 易爆的家庭用品,一旦感应到红外线,手机端就会显示开启 (9)热释电感应模块,能够监测到运动的微热物体,同样有 监测作用,感应更灵敏,判断运动物体更准确,起到实时监控的作 用,并在手机端显示。 (10)环境温湿度传感器,实时感应家庭的温度和湿度,并将 2.2.2红外探测控制系统 图2.2—2 红外探测系统是通过接目标红外辐射,许把辐射能量转化为电信 号,经过放大处理,从而实现对目标特征量一级目标方位探测的一类 温度和湿度的值传送给手机端,此传感器的感应范围能达到距离传 感器的距离方圆2O米。 (I1)土壤湿度传感器,实时监测土壤湿度,并将土壤湿度值传 系统。红外检测通过红外探测器感应到人体温度,触发探测器将开关 量数字信号输入到模块控制系统,从而检测到该防范区域是否有人进 入,它可以与门禁安防系统联动,达到扩大监视范围的目的。 对射探头由一个发射端和 个接收端组成。发射端发射经过调 制的两束红外线,这两条红外线构成探头的保护区域。如果有人企 图跨越,则两个红外线被同时遮挡,接收端输出报警信号,触发报 警主机报警。盘¨图2-2—3所示。 送到手机,在上面第(5)点中自动浇花功能起到数据判断的功能。 (12)留有接口待开发或升级更新添加新的功能。 2.1.2特点 (1)可远程全球控制,真正实现了随时随地控制,为使用者 提供了极大的方便。 (2)科学合理的人性化设计,操作的功能可以用手机端控 制,不需要手机时也可以手动控制。 (3)可靠性型极高,每项功能都带有实时反馈,当用手机端 远程控制设备开启,设备一定处于开启状态,当手机端控制设备关 闭,设备一定处于关闭状态,不会出现两者错乱的情况。 (4)安全性极高,机智云平台自带的硬件安全密匙已经很 高,又进行了软件程序上的加密,双重加密,几乎破解可能性为 零,避免设备被盗用的情况。 (5)运行稳定,设备运行时一旦出现问题或死机会自行进行重 启,瞬间即可重新启动,执行正在运行的操作,不影响用户的使用。 (6)操作简单,用手机一次给设备配置家庭网络wIFl,如果家 庭不更改,那么设备的配置不需要更改,即可长期使用。 (7)此设备价格适中,市场上物联网设备价格昂贵,一个功 能简单的小米智能插座可能就几十到几百元,一些其他的物联网智 能家居系统设备价格可能更加昂贵,而此设备价格大多数用户都在 能接受的范围内。 图2.2—3 2.2 3温湿度传感器模块(DHT11) 选用DHTI l数字温湿度传感器。DHTI l数字温湿度传感器是一款 2-2硬件设计 2.2 1继电器控制模块 具有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器,精度湿度+.5%RH,温 度+.2℃,量程湿度20.90%RH,温度0.50℃。它应用专用的温湿度传 感技术以及数字模块采集技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的 长期稳定性。传感器包括一个NTC ̄I]温元件和一个电阻式感湿元件, 并与一个高性能8位单片机相连接。所以我们的产品具有性价比高、 品质卓越、超快响应、抗干扰性强等优点。每个DHT1 l传感器都在 较为精确的湿度校验窀中来校准。校准系数以程序的形式储存在OTP 内存中,传感器内部在检测信号的处理过程-巾要调用这些校准系数。 单线制串行接口,使系统集成变得十分快捷。极低的功耗、超小的体 继电器:继电器模块十分简单,原理就不多介绍了.本系统使用了 一个继电器,在电路设计上直接使用三极管提供驱动。在实际电路中 要注意在继电器的电源端一定要反接一个二极管,同时;最好在靠近 继电器的电源端接入1000uF以上的电容,以增强电路的稳定性,利用 继电器,在现代家居生活中可以连接多种家用电器实现自动控制和远 距离控制,具有很高的实用性。如图2.2一l和2-2—2所示。 积,信号传输距离可达30米以上,产品为4针单排引脚封装,连接十 分方便。模块电路图和产品图片如图2.2—4和22—5所示。 继电器控制电路 图2.2—1 典型应用电路 图2.2—4 电子世IBt ·9· ELECTRONICS WORLD·探索与观察 团队主攻方向是单片机技术。首先,我们购进丁机智云开发 板,准备进行二次开发。机智云是一个中立的物联网发展平台,靠 经验和技术积累为物联网领域提供r一套完整的工具和服务,以此 降低硬件厂家以及开发者的开发门槛。它秉承中立、开放的态度, 使得硬件厂商和开发者在销售渠道以及数据把控力上后顾无忧。 负责编码的成员使用c语言在keil 5环境下编写设备所需的程 序,多次调试直到能成功运行,再通过FlyMcu软件将编写好的程序 下载到底板STM32芯片里。这样,程序在芯片里“跑”起来,设备 就可以运行。并进行电路的连接和改装,实现不同的功能。 其中,硬件部分通过wm模块与机智云通信,上传经过芯片处 理后的传感器收集的数据及传感器状态。机智云与W讯模块通信将 图2-2—5 手机APP控制命令下发给芯片执行。当系统硬件部分与手机接入同 …2.2.4浇花器模块 局域网,手机APP可直接与系统硬件部分直接交互。 该模块适用电压为DC/12V.适用电流为0.25A,功率为3W。水 流量约为1.8L/min。其适用水温为5℃一45℃,其模块工作环境温度为 5"C…40℃。工作时进水压力为3Mpa,可持续工作且自然冷却。 4.总结 随着计算机信息技术的发展,为智能家居带来新的生机,物 联网是继计算机、互联网、移动互联网之后的又一次信息产业的革 命性爆发,物联网技术的进步,为家居智能带来了新的升级。本设 计的主要立足点就是为了更加侧重人们的生活,在提高经济效益的 同时,大大的节约了成本,该设计目前连接了一个台灯、火焰传感 器、喂鱼器、浇花器、温湿度传感器、热释电,今后可以把空气质 量PM2.5,以及其他可吸入的有毒物质颗粒检测,空调,电视等家 该模块工作原理为中心处由于液体被甩向周围而形成既没有 空气又没有液体的真空低压区,液池t 的液体在池面大气压的作用 下,经吸入管流入,由排出管排出进行浇花。 该浇花器模块可以根据花种的不同进行浇花,可以适用于不同 温度进行工作。且工作电压电流小,功率小,并且电源端口与外壳 间能承受500v/50Hz/1min的无闪络。击穿现象。安全,方便,快 捷。如图2.2.6和2.2.7所示。 用电器加入到系统中,通过手机APP,家庭路由器和云服务器,能 够成功构造一套基于云服务wiif的加点物联网应用系统,系统具有 智能化和自动化,控制方便,性价比高的特点,非常适合在物联网 智能家居中应用推广。在国家和我国企业的大力推动下,物联网技 术在快速发展的同时,在全球也展现出一定的影响力,特别是在智 能家居领域,很多世界五百强企业纷纷将物联网当作一项选择,这 也为我国发展物联网营造了非常积极有利的外部环境。物联网智能家 I。 图2.2—6 居行业毕竟只发展了十几年,未来的发展空间还是很长久的,各种企 图2-2—7 业对于市场的争夺,可预见的是物联网家居行业的未来值得期待。 2.3软件部分 整个控制系统根据功能可以分为智能控制中心和遥控部分。控 总之,该系统应用前景广阔,它创造性的实现了随时随地的 数据监测,实现了将无线通信方便地运用到我们的干家万户的生活 中,但考虑到从技术的创造到实际运用需要一个漫长的过渡时期, 同时也为我们将来可以创造出更先进的设备预留 空间。 参考文献 制信号通过手机发送到控制单片机STM32,单片机接受信号将信号 进行分析处理发出控制命令到各个开关并接受反馈信号,将信息反 馈给手机APP,控制中心由STM32Fl03C8T6微控制器、无线接收 模块、传感器等组成,是整个系统的核心。远程控制采用Android 操作系统实现。 …谭浩强.《c程序设计》.北京:清华大学出版社,2()【l5(2()07年 重印),第三版. 整体上,我们采用的是c语言进行全部程序的编写,其中我们 采用模块化编程的思想。进行每一个模块单元程序的调试,让每一 个模块都能进行正常的工作,最后再在主程序里进行调用,进 行总体相应的调整,让各个模块能进行协同工作。其中主要是用 Protus软件进行电路仿真,用到fkeil uVision5进行编程。 f21熊茂华,陆海军《物联网技术及应用开发》,北京,清华出版 社,2014-f--3月份出版. 陈根.《互联网+智能家居一传统家居与重构》,机械工业 出版社,2015年8月份出版. 【41零点工作室、张睿《Altium Designer6.0原理图与PcB设计55 3.团队及设计 本团队由3名大三的本科生,5名大二的本科生组成。在廊坊师 范学院学生课外科技活动计划的支持下,经过一年时间的不断完善 和进步,完成了此次设计。 电子工业出版社. f5】刘云朋.《单片机原理与应用55,天津,天津大学出版社,2012g- 6月份出版. f61陈静.《基于单片机的温度湿度控制系统设计》,《科技信 息》杂志出版,出版时间2011年第28期. 在设计之初,非电子专业的本科生还是电子设计的门外汉,通 过这次设计不但掌握了许多电子设计的知识,还培养了团队精神, 锻炼了顽强的意志。这些收获对团队成员一生的发展都会产生很大 的影响。 ·…· 屯子世界 I71贾灵,郑淑君《物联网无线传感网原理与实践》,北京,北京航 空航天大学出版社,2011年1月份出版。 f81采清民.《全国大学生电子设计与制作技能实训》,北京,中国 电力出版社.21)15年6月份出版 

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