基于模塊化的智能擴(kuò)展云監(jiān)控系統(tǒng)

郝佳琦 胡云生 謝雅麗

摘要 本文設(shè)計(jì)了一種基于模塊化的智能擴(kuò)展云監(jiān)控系統(tǒng)，采用不同的傳感器，實(shí)現(xiàn)了模塊化的數(shù)據(jù)采集，針對(duì)不同的控制對(duì)象采用相應(yīng)的傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的智能云監(jiān)控，用戶可通過(guò)移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)與設(shè)備之間的通信，包括對(duì)設(shè)備工作信息的查看、對(duì)設(shè)備啟停的控制和運(yùn)行流程設(shè)定等。另外，本文對(duì)自動(dòng)澆花系統(tǒng)和水位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在不同傳感器模塊情況下分別實(shí)現(xiàn)不同的控制流程及系統(tǒng)功能。

【關(guān)鍵詞】智能家居 云監(jiān)控 傳感器

1 引言

智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，還兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，提供全方位的信息交互功能，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金，為生活提供了極大的便利。但目前大多數(shù)家庭所使用的家具設(shè)備大多屬于非智能家居，可通過(guò)智能化改造將其升級(jí)為智能家居，如果對(duì)多數(shù)家居都進(jìn)行智能化改造，一是難度大，二是成本高。本文設(shè)計(jì)了一種基于模塊化的智能擴(kuò)展云監(jiān)控系統(tǒng)，可以在不同需求下通過(guò)連接不同的傳感器模塊將部分非智能設(shè)備升級(jí)為智能設(shè)備。消費(fèi)者可以按需配置，實(shí)現(xiàn)不同家居的智能化改造。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 整體設(shè)計(jì)思路

首先，設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)，使其能夠完成對(duì)部分家具的控制，如控制電源、紅外遙控等。其次，為了讓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，本文采用Wi-Fi模塊通過(guò)串口與單片機(jī)連接，當(dāng)Wi-Fi模塊連接網(wǎng)絡(luò)后可采用移動(dòng)端與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。最后，為了實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，需要為控制系統(tǒng)配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集功能，以返回家居設(shè)備工作狀態(tài)，由此，可在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

為滿足不同情況下監(jiān)視數(shù)據(jù)類型的不同，保證設(shè)備通用性，我們?cè)O(shè)計(jì)了模塊化的傳感器配件，及其對(duì)應(yīng)的調(diào)用子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)多種類型的數(shù)據(jù)采集和處理。另外，為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)自動(dòng)工作流程可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，我們?cè)诔绦蛄鞒讨性O(shè)計(jì)了條件運(yùn)行機(jī)制，用戶只需在移動(dòng)端修改條件變量即可實(shí)現(xiàn)工作流程控制。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，單片機(jī)與Wi-Fi模塊通過(guò)串口進(jìn)行連接，并連接無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)云控制，云控制系統(tǒng)通訊示意圖如圖2所示。控制系統(tǒng)中預(yù)留了采集I/O及輸出I/O端口。通過(guò)采集I/O端口連接傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)量的采集;通過(guò)輸出I/O端口控制紅外發(fā)光二極管發(fā)出遙控指令;控制系統(tǒng)內(nèi)置繼電器控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)外部電源的開關(guān)控制。不同傳感器結(jié)合相應(yīng)的放大電路實(shí)現(xiàn)模塊化的通用擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集模塊。應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同的需要連接不同的傳感器模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)采集。模塊化的傳感器包括光敏、熱敏、濕度等。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，Wi-Fi模塊自動(dòng)搜索無(wú)線路由器并進(jìn)行連接，直到連接成功后在服務(wù)器注冊(cè)IP。單片機(jī)按照預(yù)先設(shè)定程序，通過(guò)采集I/0口以5秒每次的速度對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷采集并可將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)端，若有自動(dòng)指令，則單片機(jī)開始進(jìn)行判斷，若高于設(shè)定最大參數(shù)，則關(guān)閉外部設(shè)備。若是低于設(shè)定的最小參數(shù)，則啟動(dòng)外部設(shè)備，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間超過(guò)設(shè)定值時(shí)關(guān)閉外部設(shè)備;當(dāng)Wi-Fi模塊接收到移動(dòng)端控制命令后，將指令發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將刷新控制邏輯。程序流程圖如圖3所示。

當(dāng)更換不同的采集模塊后可在移動(dòng)端對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)控制程序的調(diào)用，以適應(yīng)不同參數(shù)的采集和判斷。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 基于濕度模塊的自動(dòng)澆花系統(tǒng)的測(cè)試

將濕度傳感器連接在單片機(jī)的I/O口，并將傳感器插入土壤中3cm處，通過(guò)預(yù)先測(cè)試不同土壤濕度對(duì)應(yīng)的單片機(jī)采集的值（ 0～1024），以確定需要保持土壤的濕度的上下限，以此作為單片機(jī)控制水泵抽水量的標(biāo)準(zhǔn)。在移動(dòng)端設(shè)置濕度臨界參數(shù)最小值Pl和最大值P2，并啟動(dòng)單片機(jī)自動(dòng)判斷程序，當(dāng)濕度pP2時(shí)，單片機(jī)控制水泵停止抽水，考慮到系統(tǒng)延時(shí)問(wèn)題，供單片機(jī)判斷的參數(shù)P2和土壤實(shí)際濕度值是不同的，因此在測(cè)試時(shí)，濕度參數(shù)P2測(cè)兩組：p01為實(shí)時(shí)濕度，p02為停止供水后20分鐘后測(cè)得實(shí)際濕度。如表1所示。

初始濕度（干燥時(shí)采集到的濕度值）：p=300。

由于實(shí)時(shí)濕度和實(shí)際濕度所對(duì)應(yīng)的數(shù)值相差過(guò)大，為了精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)該功能，我們將程序改為每次抽10秒，5分鐘抽一次，直到濕度接近P2。

經(jīng)測(cè)定綠蘿的濕度在500-800間時(shí)適于生長(zhǎng)，于是遠(yuǎn)程控制的條件設(shè)定為：

tl=lOs， t2=300s， P1=500， P2=800。

3.2 基于超聲波模塊的戶外水位監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試

在室內(nèi)水池上方lOOmm處固定超聲波傳感器，模擬戶外環(huán)境：用單片機(jī)自動(dòng)控制水泵抽水。

由于實(shí)際水深p和單片機(jī)參數(shù)P成反比，表2中換算水位P是經(jīng)過(guò)超聲波測(cè)距結(jié)果換算后的水深。具體換算方法為：設(shè)定初始深度H，調(diào)用函數(shù)后自動(dòng)用H減去采集到的值。在本次測(cè)試中，無(wú)水時(shí)單片機(jī)采集到的參數(shù)pl為540，于是設(shè)定H=540。

由于測(cè)量距離不存在延時(shí)，因此可以設(shè)置t2為較大值，本次測(cè)試中讓泵抽水從O抽到15 0mm深，抽滿過(guò)后每隔lOmin后檢測(cè)一次水位，低于lOOmm時(shí)補(bǔ)充水。于是遠(yuǎn)程控制指令為：

t1=600，t2=600， pl=lOO，p2=150，H=540;

當(dāng)水位低于lOOmm時(shí)，單片機(jī)控制水泵開始抽水;當(dāng)水位大于等于150mm時(shí)，單片機(jī)控制水泵停止抽水。經(jīng)測(cè)試，該功能可以實(shí)現(xiàn)。

4 小結(jié)

通過(guò)將單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展連接不同的傳感器，采集并返回相應(yīng)參數(shù)給客戶端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，以使舊設(shè)備智能化，功能模塊化。

智能家居作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，其市場(chǎng)的消費(fèi)潛力必然是巨大的，接下來(lái)的三到五年，一方面智能家居進(jìn)入一個(gè)相對(duì)快速的發(fā)展階段，另一方面，由于更換設(shè)備需要的經(jīng)濟(jì)開支過(guò)大，舊設(shè)備的利用價(jià)值依舊較高，很多用戶難以且沒(méi)有必要在短期內(nèi)徹底更替大量家居設(shè)備，本文設(shè)計(jì)的基于云的模塊化智能擴(kuò)展監(jiān)控系統(tǒng)只需根據(jù)相應(yīng)需求，連接相應(yīng)傳感器，再由用戶手動(dòng)定標(biāo)即可完成家居智能改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控，用戶可以享受科技帶來(lái)的便利。因此，基于云的模塊化智能擴(kuò)展監(jiān)控具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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