機(jī)智云AIoT+ESP8266+物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)

本文介紹的智能云家居控制系統(tǒng)是由嘉應(yīng)學(xué)院管嘉誠等人設(shè)計(jì)開發(fā)完成。該系統(tǒng)通過 ESP8266 與機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)器互聯(lián)，使用智能手表遠(yuǎn)程控制解決老式家居聯(lián)網(wǎng)問題。該智能云家居共有兩大部分：第一部分采用了 STM32F103ZET6 作為主控芯片，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)云傳輸系統(tǒng)以及智能家居智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成；第二部分采用了 ESP32 作為主控芯片，由數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。

01

引 言

傳統(tǒng)家電產(chǎn)品性能已發(fā)展到極限，難有大幅度上升。傳統(tǒng)家電行業(yè)急需創(chuàng)新產(chǎn)品，時(shí)下最熱門的人工智能便成了行業(yè)突破口。因此，智能家居成為了家電大廠和互聯(lián)網(wǎng)巨頭的必爭(zhēng)紅海。隨著智能家居相關(guān)技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，智能家居系統(tǒng)的發(fā)展前景將更加廣闊。移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中扮演著重要角色，能夠有效地對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，對(duì)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用。因此研發(fā)出一套價(jià)格合適、穩(wěn)定性高的智能云家居顯得非常緊迫和重要。本文設(shè)計(jì)的智能云家居系統(tǒng)能夠?qū)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器采集到的信息通過ESP8266傳輸?shù)綑C(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)器，再通過智能手表對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。本系統(tǒng)采用的傳感器較為常見且價(jià)格低廉，配件來源廣且精準(zhǔn)度高，可擴(kuò)張且移植性強(qiáng)，從而降低了硬件成本，大幅提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。

02

系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)第一部分硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它以STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心，搭載溫濕度傳感器、氣體傳感器、光強(qiáng)傳感器、煙霧傳感器、繼電器、電機(jī)，并將ESP8266作為數(shù)據(jù)云傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信模塊等。為了使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠，本系統(tǒng)采用了意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6微控制器。此款微控制器主頻能達(dá)到72MHz，擁有4通道PWM、13個(gè)通信接口和16位定時(shí)器等資源，能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。

圖1硬件系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)第二部分硬件結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖2所示。WT-32-SC01是一款以ESP32為核心的可視化觸摸屏，采用這塊開發(fā)板作為智能手表的核心，通過連接機(jī)智云平臺(tái)對(duì)家居進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

ESP32是樂鑫公司的一款產(chǎn)品，它集成了電源管理、功率放大、RFbalun、濾波器、接收低噪聲器等于一體，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的處理性能和WiFi功能。

◆智能家居數(shù)據(jù)云傳輸本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)云傳輸功能采用的是樂鑫公司的ESP8266，它自成體系又有完整WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案。ESP8266在AP模式下能夠接入無線服務(wù)，例如路由器等，從而與機(jī)智云的云端互聯(lián)。主控芯片會(huì)將采集到的各種信息分析處理后，通過ESP8266傳輸?shù)綑C(jī)智云的云平臺(tái)上。◆智能手表遠(yuǎn)程監(jiān)控本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能手表采用ESP32作為核心，在ESP32的STA模式下連接到路由器上，進(jìn)而連接到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；通過訪問機(jī)智云云端的IP地址，讀取智能家居在云端存儲(chǔ)的各項(xiàng)信息，實(shí)時(shí)反饋顯示到智能手表上，以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。智能手表監(jiān)控端如圖3所示。

圖3智能手表監(jiān)控端

◆智能手表遠(yuǎn)程管理功能本系統(tǒng)的智能家居在正常運(yùn)行時(shí)，可以通過智能手表上的觸摸屏對(duì)智能家居進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。通過觸控顯示屏，智能手表會(huì)將命令實(shí)時(shí)反饋到機(jī)智云平臺(tái)上，智能云家居會(huì)讀取機(jī)智云的命令，進(jìn)行自檢并執(zhí)行命令。例如，遠(yuǎn)程開啟電風(fēng)扇和LED照明燈等。◆智能家居智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)開啟智能調(diào)節(jié)功能。該系統(tǒng)利用溫濕度傳感器檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度，當(dāng)溫度超過所設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)打開風(fēng)扇，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行降溫；當(dāng)室內(nèi)二氧化碳濃度達(dá)到閾值時(shí)，繼電器將驅(qū)動(dòng)排氣扇，進(jìn)行通風(fēng)換氣；當(dāng)光照強(qiáng)度低于所設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)亮LED照明燈；當(dāng)室內(nèi)產(chǎn)生大量的一氧化碳時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警并通風(fēng)，排盡室內(nèi)的一氧化碳。智能調(diào)節(jié)的所有閾值均可根據(jù)情況調(diào)整。

03

軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆智能家居系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)的單片機(jī)會(huì)對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行初始化，傳感器將采集到的溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、一氧化碳濃度等信息傳輸?shù)街骺匦酒?，主控芯片?huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并等待發(fā)送。智能云家居數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4智能云家居數(shù)據(jù)采集流程

◆智能家居數(shù)據(jù)云傳輸

主控芯片通過定時(shí)器設(shè)定好每次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，可有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。主控芯片將處理好的數(shù)據(jù)通過ESP8266連接互聯(lián)網(wǎng)再傳輸?shù)綑C(jī)智云平臺(tái)。智能云家居數(shù)據(jù)云傳輸流程如圖5所示。

圖5智能云家居數(shù)據(jù)云傳輸流程

◆智能手表遠(yuǎn)程監(jiān)控

智能手表通過接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)而讀取機(jī)智云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，手表端的主控芯片ESP32將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在觸控屏上。智能手表端顯示數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

圖6智能手表端顯示數(shù)據(jù)流程

◆智能手表遠(yuǎn)程管理

通過觸控屏的觸摸反饋，ESP32實(shí)時(shí)將命令傳輸?shù)綑C(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，最后再傳輸給智能云家居系統(tǒng)。智能手表端觸摸反饋發(fā)送命令流程如圖7所示。

圖7智能手表端觸摸反饋發(fā)放命令

◆智能調(diào)節(jié)

本系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下自動(dòng)開啟調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主控芯片通過分析各個(gè)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，判斷各個(gè)狀態(tài)是否處于閾值中，進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。智能調(diào)節(jié)流程如圖8所示。

圖8智能調(diào)節(jié)流程

04

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件測(cè)試，本系統(tǒng)采用沙盤建筑為載體，將各個(gè)功能模塊固定在沙盤建筑的各個(gè)位置上，通過智能云家居數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試、數(shù)據(jù)云傳輸測(cè)試、智能手表遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試、智能手機(jī)遠(yuǎn)程管理測(cè)試、智能云家居智能調(diào)節(jié)測(cè)試，證明系統(tǒng)均能夠正常運(yùn)行。智能手表遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示“正常啟動(dòng)”，與智能家居采集到的數(shù)據(jù)一致，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為1s。系統(tǒng)對(duì)溫濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度超過閾值的處理誤差為1%～5%，符合設(shè)計(jì)要求。

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總 結(jié)

針對(duì)我國老齡化現(xiàn)象問題，需要把年輕人從繁瑣復(fù)雜、高重復(fù)率的日常家務(wù)中解放出來，讓他們專注更有價(jià)值、更具創(chuàng)造性的事務(wù)。本文研究開發(fā)的智能云家居系統(tǒng)可安裝于絕大多數(shù)家庭的家居中，具有可擴(kuò)張性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高人們的生活品質(zhì)。本文方案還可以從以下方面進(jìn)行優(yōu)化：優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，降低數(shù)據(jù)延遲時(shí)間，使之能夠更快地在智能手表上實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)；增加手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控管理功能，目前智能手機(jī)的使用率很高，是不錯(cuò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)。