基于Wifi和用戶戶狀態(tài)感知的智能臥室設計

劉力赫　覃楚岳　邢江豪

摘要：針對當前傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)使用的BLE、ZigBee等無線網(wǎng)絡制式存在擴展成本較高，復雜度較高的問題，文章提出了一種基于無線以太網(wǎng)及TCP-socket通信協(xié)議來實現(xiàn)的智能臥室設計，可以利用現(xiàn)已廣泛應用于家庭的802.11g/b標準無線以太網(wǎng)對家居環(huán)境實施查看和控制，實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠有效地在用戶前端呈現(xiàn)出房間數(shù)據(jù)并對房間環(huán)境實施自動或手動控制。同時，通過傳感器對用戶的感知，主動地去改變房間的環(huán)境來輔助用戶更加舒適的生活。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；無線局域網(wǎng)；云技術

中圖分類號：TP3

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2017）10-0142-02

在目前，社交網(wǎng)絡、020、手機應用等Web2.0時代的商業(yè)模式已經(jīng)基本發(fā)展成熟，資本和市場亟待新的突破點帶來新的技術革命，而物聯(lián)網(wǎng)正是一個有待突破的新藍海。由于市場環(huán)境的期待、嵌入式技術的飛速發(fā)展和無線通信技術的普及，使得家居智能化的愿景得以實現(xiàn)并走向市場，借助物聯(lián)網(wǎng)的新風口，智能家居已然成為了炙手可熱的熱門技術之一。

當前家用物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸方式有BLE、ZigBee、2.4G和無線以太網(wǎng)等，其中無線以太網(wǎng)作為最為普遍使用的家庭無線網(wǎng)絡技術，在信息可靠性、魯棒性、網(wǎng)絡自組織性能、成本的控制等方面具有較高的優(yōu)勢。

當前家用智能家居的思路往往止步于用戶通過手機應用或網(wǎng)頁對室內(nèi)環(huán)境的控制和數(shù)據(jù)的查看，而不具有“智能”和“自動”特性；且本地嵌入式設備在家用場合，難以頻繁迭代更新控制代碼等，使用的靈活性上并不具有優(yōu)勢。

因此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術，結合了無線以太網(wǎng)技術、嵌入式技術等多個技術優(yōu)點于一體的智能家居設計。

1.系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)概述

針對當前年輕人對物聯(lián)網(wǎng)智能家居的需求和期待，結合無線以太網(wǎng)技術的靈活性及普遍性，設計了一系列使用策略來幫助用戶能夠準時入睡，準時舒適起床，并在用戶生活中提供無微不至的人性化關懷。

通過本文的設計，使得設備只要有UART接口就可以接入網(wǎng)絡，成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，提高了設備的易用度和智能度，極大地降低了家庭現(xiàn)有設施的改造難度和改造成本。

1.2系統(tǒng)框架

設計包括硬件部分和軟件部分兩大部分。其中硬件部分包含智能家庭中的傳感器、控制器、執(zhí)行器和家庭無線以太網(wǎng)系統(tǒng)。軟件部分包括服務器前端、后端和數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容。

設計搭建的智能臥室硬件系統(tǒng)框架圖如圖1所示，傳感器感知用戶的睡眠狀態(tài)、是否在家以及房價的溫度、濕度、亮度等數(shù)據(jù)，并通過串口或IIC通信傳輸給STM32單片機，STM32單片機將感知到的家居環(huán)境信息、用戶狀態(tài)信息打包加密后，通過無線以太網(wǎng)模塊加密后傳輸至遠程服務器。

而軟件構架方面，用戶可通過多種智能設備訪問云服務，進而查看房間的參數(shù)，并對房間的設備進行操作。云端基于FlaskWeb構架開發(fā)了具有RESTful風格的Web及物聯(lián)網(wǎng)服務架構，該架構便于拓展，方便更新，能夠確保系統(tǒng)接納多樣而又標準的客戶端。用戶前端使用了JQuery及Bootstrap框架，通過AJAX與服務器進行通信。相對于傳統(tǒng)的將運算功能集成在MCU中的傳統(tǒng)方案，這樣的設計為物聯(lián)網(wǎng)控制程序迭代升級提供了極大的便利。

軟件在應用層面，提供了入睡提醒、睡眠監(jiān)測、起床提醒、智能安防、健康報告、房間參數(shù)查閱、控制房間內(nèi)設備等功能，此外，還提供了自定義模式供用戶自行設計。

2.網(wǎng)絡設計

2.1無線網(wǎng)絡架構

本文中無線以太網(wǎng)以Infra-Structure模式進行組網(wǎng)，其中：無線路由器作為網(wǎng)絡接入點AP，接入到互聯(lián)網(wǎng)，并與服務器通信；終端設備的數(shù)據(jù)信息通過無線以太網(wǎng)接入AP與服務器進行通信，接收命令并上傳本地傳感器的數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)上傳與下載

本設計使用了ESP-8266 UART-無線以太網(wǎng)模塊，該模塊使用802.11b/g/n標準無線以太網(wǎng)協(xié)議，內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，利用透傳模式，允許嵌入式設備與服務器建立Socket連接傳輸數(shù)據(jù)。

Socket連接起源于Unix，在Unix一切皆為文件的哲學的思想下，socket是一種”打開一讀/寫一關閉”模式的實現(xiàn)方式，客戶端和服務器各自維護一份”文件”，在連接建立并打開后，可以向自己的文件寫入內(nèi)容供對方讀取或者以同樣的方式讀取對方內(nèi)容，通訊結束時關閉文件。

2.3用戶查看數(shù)據(jù)及下達指令

Ajax是一種無需重新加載整個網(wǎng)頁的情況下，能夠更新部分網(wǎng)頁的技術。用戶可以通過訪問利用Ajax實時刷新的網(wǎng)頁來實現(xiàn)實時查看數(shù)據(jù)的功能，用戶點擊按鈕發(fā)送命令時，命令通過JavaScript點擊觸發(fā)事件激活，并通過AJAX傳送到服務器進行處理。

3.感知功能的實現(xiàn)

3.1睡眠狀態(tài)的感知

科學研究發(fā)現(xiàn)，人的睡眠分為四個相位，不同的睡眠狀態(tài)，產(chǎn)生的肢體動作、胸腔擴張收縮、心臟泵血等會動作引起的震動都不盡相同，采集這些震動，經(jīng)過加速度器轉換為電信號，通過MCU和UART無線以太網(wǎng)模塊，再傳輸?shù)椒掌鬟M行分析，即可獲得較為準確的睡眠狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2房間狀態(tài)的感知

通過在房間內(nèi)安裝DHT-11溫濕度傳感器、光敏電阻及A/D轉換電路等，可以獲得較為準確的室內(nèi)溫濕度、光照強度數(shù)據(jù)；同時，MCU通過UART無線以太網(wǎng)模塊對局域網(wǎng)內(nèi)所有設備MAC地址的掃描，輔以紅外位移傳感器的探測，可用于探測用戶是否在家。

4.應用及實現(xiàn)

4.1人造“自然醒“

科學研究發(fā)現(xiàn)，人的睡眠狀態(tài)是周期性的，大致可分為淺度睡眠（非REM期）和深度睡眠（REM期），同時統(tǒng)計也發(fā)現(xiàn)，人在不同周期被喚醒時的主觀體驗和客觀指標是不同的，在淺度睡眠中的某一周期被喚醒時，用戶的主觀體驗最為舒適。在最佳喚醒時間節(jié)點之前30分鐘，通過紅外發(fā)射模塊控制空調(diào)提升室內(nèi)溫度；前10分鐘，通過步進電機拉起窗簾，僅保留窗紗，并啟動LED補光，從而提升房間內(nèi)亮度；到達最佳喚醒時間后，通過啟動電視或收音機，播放白噪聲，從而達到人造自然醒的功能。

4.2入睡提醒

用戶設定起床時間區(qū)間和睡眠時長后，不難計算出用戶的最晚入睡時間，在即將到達最晚入睡時間前的40分鐘，系統(tǒng)會逐步降低房間的環(huán)境光亮度以提醒用戶入眠，直至達到預計入眠時間時，會通過無線路由器的遠程管理命令對用戶的手機等設備進行限速，直至用戶入睡。

4.3智能安防

當前很多家庭都在室內(nèi)安裝了安防攝像頭，但出于隱私考慮往往只有在外出的時候開啟，但只有的操作往往會使得用戶忘記啟動或忘記關閉。針對這樣的生活痛點，我們設計了基于MAC地址感知的智能安防：MCU會通過UART無線以太網(wǎng)模塊不間斷請求局域網(wǎng)內(nèi)所有設備的MAC地址，當發(fā)現(xiàn)用戶指定的某臺設備（如用戶的手機）不在局域網(wǎng)內(nèi)且紅外位移模塊檢測不到有人移動時，自動進入安防模式，啟動安防監(jiān)控等。

5.小結

本文設計了一款面向臥室場景的智能家居設計，基于了廣泛使用的無線以太網(wǎng)協(xié)議，布設成本相對較低，重點分析了通過無線以太網(wǎng)建立家庭物聯(lián)網(wǎng)的可行性；并提出了一種基于用戶狀態(tài)感知主動去調(diào)節(jié)房間環(huán)境的新思路，該系統(tǒng)有成本低，易部署等特點，經(jīng)過測試，證實該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和通信/控制性能，可滿足當前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，具有良好的使用前景和推廣價值。