基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居場景設(shè)計

摘 要：得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和發(fā)展，智能家居應(yīng)用場景越來越豐富。本智能家居場景設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)，開發(fā)一個可通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程跨網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和控制的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的監(jiān)測和控制，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在云端，在使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的同時綜合提升用戶家居體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；阿里云；ESP32；傳感器；自動控制

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展，人們逐漸開始追求品質(zhì)化生活。得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和發(fā)展，智能家居的應(yīng)用場景越來越豐富。科學(xué)分析、嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計的智能家居能夠解決傳統(tǒng)智能家居的缺陷和不足，更符合人們對生活品質(zhì)的追求[1]。

智能家居系統(tǒng)是以服務(wù)日常為主，通過技術(shù)及設(shè)備，完成對相關(guān)智能化設(shè)備的驅(qū)動控制，例如，布線技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)以及監(jiān)測技術(shù)等，通過設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)之間的融合，實(shí)現(xiàn)家居日常事務(wù)的數(shù)字化控制[2]。

本次設(shè)計旨在依據(jù)現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于Arduino和阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺，利用ESP32開發(fā)板、傳感器和控制硬件，開發(fā)可通過“云智能”手機(jī)APP遠(yuǎn)程跨網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和控制的智能家居模型，營造一個舒適安全的家居環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本次設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)，自下而上分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層?；谖锫?lián)網(wǎng)四層架構(gòu)的系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示[3]。

1.1 感知層設(shè)計

感知層的主要功能是采集物理世界的數(shù)據(jù)，是人類與物理世界信息交流的媒介和橋梁[4]。感知層包括核心控制板、各類傳感器和控制硬件，實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的感知識別、信息收集和自動控制，并將采集的信息連接到網(wǎng)絡(luò)層。

從功能上將其分為智能家居系統(tǒng)和智能安防系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，同時保證家居環(huán)境的舒適性和安全性[5]。兩個系統(tǒng)分別采用樂鑫科技的ESP32-WROOM-32開發(fā)板作為控制板[6]，其板載2.4 GHz WiFi可直接連接至路由器。ESP32開發(fā)板豐富的I/O引腳可連接各類傳感器和控制硬件，并通過電源模塊向其供電，通過傳感器采集信息并對控制硬件進(jìn)行控制。兩個控制板接線如圖2、圖3所示。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是傳輸信息，將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳送至平臺層。控制板的WiFi模塊可無線連接至路由器[7]，通過路由器接入網(wǎng)絡(luò)并與服務(wù)器通信，其通信遵守MQTT協(xié)議。MQTT協(xié)議是一種基于客戶端服務(wù)端架構(gòu)的發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，由于其低開銷、低帶寬和即時通信特性，MQTT協(xié)議已成為最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之一[8]。

在本次設(shè)計中，兩個控制板作為客戶端發(fā)布傳感器信息并訂閱指令，云智能APP分別作為客戶端訂閱傳感器信息并發(fā)布指令，阿里云平臺的MQTT服務(wù)器為服務(wù)端，過程如圖4所示。

1.3 平臺層設(shè)計

平臺層可為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設(shè)備，支撐數(shù)據(jù)上報至云端，向上提供云端API，服務(wù)端通過調(diào)用云端API將指令下發(fā)至設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制[9]。在本次設(shè)計中，選用阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺，其簡單易用、手機(jī)APP端可免開發(fā)，主要功能有設(shè)備接入、設(shè)備管理、安全管理、消息通信、監(jiān)控運(yùn)維以及數(shù)據(jù)應(yīng)用等。

感知層的控制板通過設(shè)備三元組（ProductKey， DeviceName， DeviceSecret）的方式接入阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺，云平臺上可以為其選擇MQTT服務(wù)器，定義數(shù)據(jù)類型并設(shè)置數(shù)據(jù)接口，設(shè)計云智能APP界面并選擇向云智能APP傳遞的數(shù)據(jù)類型。此外，阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺接收的來自感知層的數(shù)據(jù)可直接上傳至阿里云RDS MySQL云數(shù)據(jù)庫存儲，更有利于監(jiān)測家庭各項(xiàng)數(shù)據(jù)，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計。

1.4 應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的最終目的，即利用感知層的數(shù)據(jù)為各行各業(yè)提供智能服務(wù)。在本次設(shè)計中，云智能APP可顯示來自感知層的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可直觀看到家庭的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對硬件或智能家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 智能家居系統(tǒng)

（1）監(jiān)測室內(nèi)溫濕度并聯(lián)動小風(fēng)扇：利用DHT11溫濕度傳感器對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)小風(fēng)扇處于智能擋位時，通過監(jiān)測值與程序閾值的對比實(shí)現(xiàn)對小風(fēng)扇的自動化控制；當(dāng)小風(fēng)扇處于手動擋位時，可遠(yuǎn)程控制小風(fēng)扇的開關(guān)。

（2）監(jiān)測室內(nèi)光照并聯(lián)動智能小燈：利用光敏電阻傳感器對室內(nèi)光照進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)小燈處于智能擋位時，小燈將根據(jù)監(jiān)測值動態(tài)調(diào)節(jié)小燈的電壓，使室內(nèi)光照維持在恒定值；當(dāng)小燈處于手動擋位時，可遠(yuǎn)程控制小燈開關(guān)。

（3）監(jiān)測室外光照并聯(lián)動智能窗簾：利用光敏電阻傳感器對室外光照進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)智能窗簾處于智能擋位時，通過監(jiān)測值與程序閾值的對比實(shí)現(xiàn)對窗簾的自動化控制；當(dāng)智能窗簾處于手動擋位時，可遠(yuǎn)程控制窗簾的啟停。

（4）小屏溫濕度計模塊：利用一塊OLED屏顯示DHT11溫濕度傳感器采集的室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)。

2.2 智能安防系統(tǒng)

（1）檢測有害氣體、火焰，聯(lián)動報警裝置、排風(fēng)扇：利用MQ-135空氣質(zhì)量傳感器模塊檢測空氣中是否存在有害氣體，利用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測房間里是否有火焰。報警按鍵處于常開狀態(tài)，當(dāng)任意一個監(jiān)測值超過設(shè)定閾值后，通過蜂鳴器蜂鳴、紅色LED小燈閃爍報警，并自動打開排風(fēng)扇進(jìn)行排煙處理。無有害氣體且無火焰時，可遠(yuǎn)程控制排風(fēng)扇開啟或關(guān)閉。

（2）刷卡開門模塊：用RFID射頻模塊MFRC RC522 IC卡感應(yīng)傳感器檢測IC卡內(nèi)部UID數(shù)據(jù)，并與ESP32開發(fā)板中存儲的家庭成員UID進(jìn)行對比判斷，為家庭成員自動開門。

（3）嵌入式攝像頭感知模塊：利用樹莓派4B外接攝像頭對入戶門外的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，利用家庭內(nèi)網(wǎng)傳輸視頻畫面作為電子貓眼與遠(yuǎn)程開、關(guān)門按鍵聯(lián)動[10]。

3 系統(tǒng)測試

3.1 系統(tǒng)功能測試

經(jīng)測試，云智能APP上可實(shí)時顯示房間內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，控制硬件也可對來自云智能APP上的指令及時響應(yīng)。云智能APP界面如圖5、圖6所示。

3.2 程序代碼測試

經(jīng)過白盒測試，初始化函數(shù)、連接服務(wù)器、獲取傳感器數(shù)據(jù)、上傳傳感器數(shù)據(jù)、回調(diào)函數(shù)接收參數(shù)、硬件控制函數(shù)均正常，程序流程如圖7、圖8所示。

4 結(jié) 語

本次設(shè)計實(shí)現(xiàn)了利用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對智能家居場景化的設(shè)計，開發(fā)了通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程跨網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和控制的系統(tǒng)模型。

此外，在系統(tǒng)上還可加入其他類型的傳感器和控制硬件，進(jìn)行更加豐富的場景化設(shè)計。隨著傳感器和控制硬件數(shù)量的增加，可進(jìn)一步對“一鍵晚安”“休閑模式”等高級場景進(jìn)行設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1]黃海軍，喬成.智能家居發(fā)展趨勢及其解決方案[J].日用電器，2015，58（9）：65-68.

[2]胡寶玲，王彥貞，陳淑春.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（6）：160-161.

[3]韓濟(jì)澤，張永林.物聯(lián)網(wǎng)USN體系與混合式架構(gòu)應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2021，29（12）：128-132.

[4]張益嘉.信息時代室內(nèi)設(shè)計與智能家居結(jié)合的實(shí)踐與研究[J].居舍，2022，42（23）：12-15.

[5]張文禮. 讓智能家居“更懂你”[N].中國質(zhì)量報，2022-0617（001）.

[6]狄新宇，刁宇杰，朱泓宇，等.基于ESP32的智能物聯(lián)網(wǎng)臺燈設(shè)計[J/OL].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備：1-8[2022-10-11].

[7]劉金雯.無線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用研究[J].數(shù)字通信世界，2022，18（7）：103-105.

[8]程德昊，何元清，蔡春昊.基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)可視化

[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（22）：50-51.

[9]嚴(yán)清虎，龔家元，汪雪濤.基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的無線風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2022，36（3）：46-50.

[10]王宗，陳德為，藍(lán)承燕，等.基于樹莓派智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].電視技術(shù)，2020，44（7）：76-80.