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    一種基于遠(yuǎn)程控制的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

    2018-11-01 05:19:12段志雄田新志楊樂薛宇航
    電腦知識(shí)與技術(shù) 2018年18期
    關(guān)鍵詞:網(wǎng)關(guān)串口智能家居

    段志雄 田新志 楊樂 薛宇航

    摘要:目前電子智能家居市場(chǎng)多以大中型物聯(lián)網(wǎng)公司為主要設(shè)備生產(chǎn)商,但是其產(chǎn)品線大而多,且主要圍繞近場(chǎng)WiFi或近距離物聯(lián)網(wǎng)通信進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā),實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制的成熟產(chǎn)品也不多,本文以樹莓派為主控服務(wù)器,單片機(jī)為主控件,繼電器為輔控件,設(shè)計(jì)了一款具有短信、手機(jī)app及語音等遠(yuǎn)程控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的智能家居設(shè)備。該設(shè)計(jì)操作便捷、成本低廉,具有較強(qiáng)的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。

    關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程控制;智能家居

    中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2018)18-0163-03

    1 引言

    伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,智能控制技術(shù)、智能生活也呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭,人們的生活方式、生活追求也在發(fā)生著翻天覆地的變化。在這個(gè)對(duì)個(gè)性化、自動(dòng)化、快節(jié)奏、充滿樂趣的生活方式的追求下。人們對(duì)家居生活的品質(zhì)要求也越來越高,主要表現(xiàn)在居住環(huán)境舒適化、家居生活安全化,家居生活人性化、家居產(chǎn)品的智能化等方面。目前我國(guó)人們的生活水平得到了極大的改善,人們對(duì)生活的追求也發(fā)生了很大的變化,因此智能家居市場(chǎng)在我國(guó)潛藏著巨大商機(jī)。房地產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,房地產(chǎn)商為了提升自己的品牌效應(yīng),提高業(yè)主的認(rèn)可度,在小區(qū)智能化建設(shè)方面也投入了大量的人力物力,再配合智能家居,這種“全智能”概念的提出,也將給我國(guó)房地產(chǎn)業(yè)帶來新的機(jī)遇,從另一方面來說,也意味著,智能家居產(chǎn)業(yè)在我國(guó)將迎來新的發(fā)展契機(jī)。

    特別是近些年來,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)的情況下,富有人群也越來越多,因此別墅和高檔公寓的銷售市場(chǎng)也大規(guī)模增長(zhǎng),房地產(chǎn)開發(fā)商在智能化方面投入了大量的資金支持。這都為智能家居市場(chǎng)的發(fā)展提供了有力的動(dòng)力基礎(chǔ)。自2016年以來,全球范圍內(nèi)有關(guān)信息技術(shù)的創(chuàng)新持續(xù)加速,從而導(dǎo)致了信息領(lǐng)域新產(chǎn)品、新服務(wù)、新業(yè)態(tài)的大量涌現(xiàn),持續(xù)激發(fā)新的消費(fèi)需求,成為日益活躍的消費(fèi)熱點(diǎn)。我國(guó)市場(chǎng)規(guī)模龐大,正處于居民消費(fèi)升級(jí)和信息化、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化加快融合發(fā)展的階段,信息消費(fèi)具有良好發(fā)展基礎(chǔ)和巨大發(fā)展?jié)摿Α?針對(duì)以上需求,本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程控制的智能家居系統(tǒng);該系統(tǒng)以樹莓派,手機(jī)和單片機(jī)為主體,并搭載基站,傳感器等設(shè)備,系統(tǒng)的主要功能包括以下幾個(gè)方面:

    1) 家居環(huán)境信息監(jiān)測(cè):通過單片機(jī)系統(tǒng)采集環(huán)境數(shù)據(jù),反饋至客戶;

    2) 終端設(shè)備控制:通過app控制單片機(jī)設(shè)備的繼電器模塊,通斷線路;

    3) 家居設(shè)施調(diào)控:根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)配合其他設(shè)備調(diào)控家居設(shè)施的工作狀態(tài),達(dá)到節(jié)能、舒適的目的。

    2 系統(tǒng)架構(gòu)

    基于遠(yuǎn)程控制的智能家居屬于新型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)范疇。其主要功能為讓居家設(shè)施在同一局域網(wǎng)下通過手機(jī)app,或在不同網(wǎng)絡(luò)下,通過手機(jī)發(fā)送短信指令在室內(nèi)控制繼電器模塊或智能家電,并調(diào)節(jié)溫度閾值以營(yíng)造適合的家居溫度,外出辦公時(shí),通過樹莓派作為遠(yuǎn)程服務(wù)器并綁定設(shè)備MAC和IP地址,實(shí)現(xiàn)使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制遠(yuǎn)程化操作,可隨時(shí)隨地查看房屋情況,為居民的生活提供極大的方便。硬件采用APP-服務(wù)器-設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

    3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    遠(yuǎn)控智能家居主要利用現(xiàn)代成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將“客戶端+服務(wù)器+終端“架構(gòu)模式組合而成,其系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示。利用樹莓派,云服務(wù)器,終端硬件等組成物理鏈路,具有遠(yuǎn)程操控智能家電,檢測(cè)家居健康指數(shù)的云家居物聯(lián)服務(wù)的功能。

    遠(yuǎn)控系統(tǒng)通過傳感器、網(wǎng)關(guān)、基站獲取傳感器感知的環(huán)境信息(如溫度、光度等環(huán)境信息),系統(tǒng)之后將反饋的信息解析傳送至用戶界面,根據(jù)反饋的信息系統(tǒng)配合其他智能硬件調(diào)控照明等設(shè)施工作,若有異常情況,系統(tǒng)推送預(yù)警信息至用戶。

    3.1遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

    近場(chǎng)通訊一般是創(chuàng)建內(nèi)部局域網(wǎng),通過局域網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和指令實(shí)現(xiàn),一般適用于辦公和家居等場(chǎng)所,但是局域網(wǎng)通信有地域限制,超過信號(hào)覆蓋范圍便不能與其他設(shè)備進(jìn)行通信,尤其是阻礙物較多的地方通信效果更差,而且需要投入更多的硬件。遠(yuǎn)控系統(tǒng)利用成熟的遠(yuǎn)控技術(shù),結(jié)合運(yùn)營(yíng)商架設(shè)的無線基站,大大節(jié)省人力物力投資,只需支付一部分的服務(wù)費(fèi);本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以“無線模塊+單片機(jī)”作為整個(gè)系統(tǒng)的指令處理核心。用手機(jī)和WiFi模塊作用戶控制端,用樹莓派作網(wǎng)關(guān),STC89C52單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理模塊,組合實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程控制。電路原理圖如圖3所示,打開手機(jī)app連接互聯(lián)網(wǎng),當(dāng)觸發(fā)開燈按鈕時(shí),數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過WiFi-串口的TX,RX引腳發(fā)送給單片機(jī)解析處理,解析的數(shù)據(jù)值賦給單片機(jī)不同的回路,繼而實(shí)現(xiàn)不同的指令功能。如:點(diǎn)擊開燈,數(shù)據(jù)指令就通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給單片機(jī)00110001的指令,引腳位置1,電路連通,引腳位置0,電路斷開。

    3.2傳感器設(shè)計(jì)

    傳感器設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容是家居環(huán)境數(shù)據(jù)的智能監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有溫度,濕度和光照傳感器,這些元件通過單片機(jī)的引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn),最后呈現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)檢測(cè)到溫度達(dá)到某閾值(如19攝氏度),則連通溫度控制器將室溫降至或升高到宜居的室溫;室內(nèi)光照若是超過臨界值,則系統(tǒng)自動(dòng)切換至關(guān)閉模式或者另一個(gè)光強(qiáng)較弱的模式;室內(nèi)環(huán)境濕度若是超過臨界值,則系統(tǒng)自動(dòng)切換至關(guān)閉模式或者另一個(gè)光強(qiáng)較弱的工作模式。

    在系統(tǒng)終端設(shè)備上,傳感器所采集的信息通過單片機(jī)將數(shù)據(jù)提交給CPU進(jìn)行處理,之后將采集到的溫濕度,光感信息提交至云服務(wù)器主機(jī)后臺(tái),再將數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷比對(duì)控制繼電器的限位開關(guān)控制家電。

    3.3GSM指令模塊設(shè)計(jì)

    信息指令實(shí)現(xiàn)的主要功能是進(jìn)行關(guān)于智能家居系統(tǒng)的信息推送功能。其應(yīng)用背景是,在智能家電中,傳感器探測(cè)到有一些異常事件需要處理,則以通過短信方式通知戶主這一方法就顯得尤為重要,以便戶主及時(shí)跟進(jìn)處理可能的危急情況。

    短信通知模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的小分支,GSM-Modem作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分,一切均由中央控制器控制,中央控制器在智能家居中負(fù)責(zé)處理各類數(shù)據(jù),其他的外圍設(shè)備,傳感器網(wǎng)絡(luò)和 GSM-Modem 短信通知設(shè)備都是通過連接中央服務(wù)器完成的。GSM-Modem 通過 GSM網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)到戶主的移動(dòng)設(shè)備端。短信推送模塊工作過程是在中央控制器檢測(cè)到傳感器(例如家居系統(tǒng)的溫度傳感器和光感傳感器)的一些信息后,中央控制器進(jìn)行判斷(比如根據(jù)溫度數(shù)據(jù)判斷是否室內(nèi)溫度過高或過低),然后中央控制器通過socket通信調(diào)用API驅(qū)動(dòng)短信模塊,實(shí)現(xiàn)短信模塊自動(dòng)發(fā)送短信至用戶的移動(dòng)設(shè)備[3]。

    4 系統(tǒng)核心模塊實(shí)現(xiàn)

    4.1 基于遠(yuǎn)程通信的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)的主要功能是遠(yuǎn)程化控制家電,實(shí)現(xiàn)“人走物可控”的功能需求。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議作為傳輸控制層鏈路,結(jié)合無線基站,服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)組合為物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)控系統(tǒng)。用戶通過HTTP端口與云服務(wù)器主機(jī)建立TCP連接,服務(wù)器連接設(shè)備網(wǎng)關(guān)控制硬件[1]。系統(tǒng)利用API,客戶端發(fā)送“開燈”請(qǐng)求指令,服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)流后響應(yīng)請(qǐng)求將響應(yīng)信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再連接局域網(wǎng)控制家庭終端 ,終端最后將反饋信息通過此鏈路在客戶端顯示結(jié)果。

    4.2短信通知服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)

    短信通知主要是為了對(duì)系統(tǒng)異常處理的短信通知功能。在現(xiàn)代的家居生活中,當(dāng)傳感器設(shè)備檢測(cè)到異常情況,則系統(tǒng)可通過短信方式通知使用者,以便戶主及時(shí)處理危險(xiǎn)事件。具體模塊設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

    短信通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶的手機(jī),而短信模塊通知服務(wù)的推送是使用 GSM-MODEM 的AT命令來實(shí)現(xiàn)的。處理設(shè)備將短信文本信息(中文)以特定的格式進(jìn)行短信編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù),建立從ARM板到GSM-MODEM的通信鏈路(使用串口通信實(shí)現(xiàn)),然后將AT命令通過該通信鏈路(串口)進(jìn)行發(fā)送,AT命令中將短信編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,最終驅(qū)動(dòng)GSM-MODEM進(jìn)行短信的發(fā)送[2]。

    4.3 WiFi-串口通信設(shè)計(jì)

    串口通訊主要是為了解決WiFi與單片機(jī)的通信問題,真正意義上實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。WIFI模塊和單片機(jī)的通訊主要利用了wifi模塊的串口(VCC 、RX、TX、GND),wifi模塊將串口轉(zhuǎn)化成無線wifi信號(hào),反之,串口可將WiFi信號(hào)轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能識(shí)別的機(jī)器指令。WiFi模塊通過TX,RX引腳將WiFi載波信號(hào)通過串口轉(zhuǎn)換成只有0和1的二進(jìn)制數(shù)據(jù),之后將二進(jìn)制數(shù)據(jù)提交給單片機(jī)的CPU進(jìn)行處理,進(jìn)而獲得指令信息,指令賦0,1值給單片機(jī)引腳,之后觸發(fā)電子元件工作,控制繼電器模塊實(shí)現(xiàn)高電平通路,低電平斷路的功能。

    5 軟件設(shè)計(jì)流程

    軟件設(shè)計(jì)流程是為了能輔助開發(fā)者更好地實(shí)現(xiàn)客戶的需求,實(shí)現(xiàn)開發(fā)效益最大化。用戶可通過手機(jī)app進(jìn)入該軟件界面,初次使用用戶需要注冊(cè)賬號(hào)和聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息初始化。具體軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

    在app執(zhí)行按鈕操作后,若設(shè)備未聯(lián)網(wǎng),則app請(qǐng)求聯(lián)網(wǎng)操作觸發(fā)通信;若網(wǎng)絡(luò)連通,按鈕將點(diǎn)擊事件通過局域網(wǎng)或公共網(wǎng)絡(luò)提交給服務(wù)器網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過無線模塊,即WiFi-串口轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)芯片存儲(chǔ)執(zhí)行,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制家居智能設(shè)備。

    6 結(jié)束語

    本設(shè)計(jì)是為方便家居遠(yuǎn)程操作而設(shè)計(jì)的,具有監(jiān)測(cè),操控一體化功能 ,利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的功能,具有一定的市場(chǎng)前瞻性。系統(tǒng)具有如下功能:

    (1) 遠(yuǎn)程指令控制:將APP的分路控制按鈕指令通過云服務(wù)器發(fā)送給網(wǎng)關(guān)進(jìn)行存儲(chǔ),樹莓派再將指令通過串口提交給單片機(jī)處理信息實(shí)現(xiàn)指令控制;

    (2) 實(shí)時(shí)家居環(huán)境監(jiān)測(cè):軟件通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居健康狀況,根據(jù)所反饋的溫濕度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)配合其他智能硬件進(jìn)行智能硬件的環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)控;

    (3) 恒溫控制:通過溫度控制器結(jié)合終端硬件調(diào)控臥室,客廳空調(diào)或水暖的溫度,達(dá)到人體感受的舒適溫度,只需設(shè)定閾值,便保持在這個(gè)溫度。

    參考文獻(xiàn):

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    [2] 單立娟.一種智能家居遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦迷,2017(3):81-82.

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