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
