IoT 畢設(shè)｜機(jī)智云AIoT云平臺(tái)+Arduino單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安防控制
本系統(tǒng)是由廣東粵東技師學(xué)院程瑩設(shè)計(jì)開發(fā)完成，通過提出一種基于機(jī)智云平臺(tái)和 Arduino 單片機(jī)控制的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，主要研究智能家居系統(tǒng)在無線組網(wǎng)技術(shù)和下位機(jī)子系統(tǒng)的軟硬件功能。經(jīng)過理論驗(yàn)證、仿真實(shí)驗(yàn)、電路搭建到智能家居模型的建立，完成了一套由無線 Wi-Fi 組網(wǎng)、云平臺(tái)檢測、以 Arduino 單片機(jī)為下位機(jī)控制核心的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)通過 ESP8266 Wi-Fi 模塊與 Internet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳，實(shí)現(xiàn)智能 APP 遠(yuǎn)程與近程的全方位監(jiān)控，結(jié)合語音控制、手勢控制、RFID 門禁控制等先進(jìn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居控制智能化。
圖 1 系統(tǒng)分層管理示圖
圖 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖
圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層
圖 5 Wi-Fi 配網(wǎng)及 APP 控制功能測試圖
3）機(jī)智云平臺(tái)監(jiān)控設(shè)備活動(dòng)數(shù)據(jù)本次項(xiàng)目根據(jù)被控對(duì)象的個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)類型，在機(jī)智云平臺(tái)上建立了一下數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別是浴室燈、主次臥燈、餐廳燈及車庫門四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)的類型也可根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行設(shè)置。如圖 6 所示。
圖 6 機(jī)智云平臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)一覽圖
01
引 言
廣義的智能家居是以家庭居住場景為載體，綜合各類現(xiàn)代化技術(shù)，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算等；將家庭生活中人們所需的環(huán)境利用現(xiàn)代信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合，包括照明系統(tǒng)控制、家電遠(yuǎn)程控制、安防監(jiān)測等構(gòu)成便于人們居住的具備便捷性安全性、節(jié)能型的智能場景。智能家居是不同信息技術(shù)元素的共生關(guān)系，根據(jù)綜合控制場景，第一層控制是對(duì)現(xiàn)有家電的集中控制。打通各廠家的通信協(xié)議，加入一款兼容各大品牌通信協(xié)議的手機(jī) APP，將各種可以用紅外遙控或藍(lán)牙及 Wi-Fi 控制的家具電器組合起來集中控制。第二層控制是加入對(duì)應(yīng)無線傳感器模塊，結(jié)合云平臺(tái)控制和互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有效管理和監(jiān)測家庭環(huán)境，實(shí)現(xiàn)安放控制和監(jiān)測系統(tǒng)。面向用戶端，提供高性能服務(wù)，讓人類居住環(huán)境變得可控、安全、節(jié)能、便捷。02
系統(tǒng)需求分析
2.1 性能需求智能家居的設(shè)計(jì)以上述要求為基準(zhǔn)，在現(xiàn)代信息技術(shù)上力求突破，實(shí)現(xiàn)滿足客戶需求，智能家居控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下的性能需求：時(shí)效性、防范性、可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性 。
2.2 功能需求智能家居系統(tǒng)的主要功能概括為以下幾大類：照明系統(tǒng)及電器控制、人機(jī)交互服務(wù)、遠(yuǎn)程控制服務(wù)、居住環(huán)境安全保障。如圖 1 所示。
圖 1 系統(tǒng)分層管理示圖03
系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)下面對(duì)主要模塊及其功能進(jìn)行簡單描述，如圖 2 所示。圖 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖
3.2 下位機(jī)功能控制框圖
由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)前段探測系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理、對(duì)比，從而通過單片機(jī)（核心控制機(jī)構(gòu)）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、邏輯處理等，從而在后端驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如顯示器、聲光報(bào)警、繼電器控制、GPRS 電話報(bào)警、語音音響控制等實(shí)現(xiàn)一整套可以節(jié)約人力成本的智能探測及處理系統(tǒng)。
主要模塊包括：單片機(jī)控制最小系統(tǒng)、無線 Wi-Fi 透傳模塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、手機(jī) APP 控制檢測控制系統(tǒng)、電源模塊等。原理圖使用 Protues 8.7 版本繪制的基于 Arduino UNO 單片機(jī)和 Wi-Fi 模塊控制的照明電路和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真。核心為 Arduino UNO 單片機(jī)芯片，D0 ～ D13 為數(shù)字接口，可作為信號(hào)輸入接口也可作為輸出接口，部分接口具有 PWM 信號(hào)輸出功能，同時(shí)可作為第二功能接口使用。AD0 ～ AD5 為模擬信號(hào)輸入接口，作為一些模擬傳感器信號(hào)輸入口。通過使用 ESP8266 芯片與機(jī)智云結(jié)合控制，Arduino UNO 單片機(jī)連接后，用程序的方式讓其聯(lián)網(wǎng)工作，起到了將 Arduino UNO 單片機(jī)與 Wi-Fi 互聯(lián)網(wǎng)連接，用戶可在自己手機(jī)上設(shè)置好后，遠(yuǎn)程控制家內(nèi)的照明電路和其他可以連接的電器。如圖 3 所示。
3.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本架構(gòu)可以分為三層：物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，圖 4 顯示了系統(tǒng)中各層的功能和相互關(guān)系，其中Wi-Fi網(wǎng)關(guān)位于網(wǎng)絡(luò)層和物理層之間，起著承上啟下的作用。三層模型中，每一層都有對(duì)應(yīng)的軟、硬件設(shè)備，層間通過物理通信鏈路和接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)耦合。
圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層
下面對(duì)三層模型進(jìn)行說明：
* 第一層：物理層。由具體的智能家居終端設(shè)備組成，它們的種類、通信方式和數(shù)據(jù)接口多種多樣，可能存在通過物理傳輸線進(jìn)行通信的，也可以有通過 Wi-Fi、RFID 和ZigBee 進(jìn)行通信的。*第二層：網(wǎng)絡(luò)層。根據(jù)其具體功能，又可稱為數(shù)據(jù)接口層。*第三層：應(yīng)用層。是面向用戶的應(yīng)用程序，是界面友好的、直接與用戶進(jìn)行交互的智能家居 應(yīng)用軟件部分。應(yīng)用層用戶程序通過網(wǎng)絡(luò)層的統(tǒng)一接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，面向不同設(shè)備的軟件可以分別開發(fā)。
04
系統(tǒng)調(diào)試與分析
4.1 本設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的三個(gè)階段系統(tǒng)建立完成后，經(jīng)過三個(gè)階段的驗(yàn)證：
*第一階段：理論設(shè)計(jì)和知識(shí)技能準(zhǔn)備。本設(shè)計(jì)根據(jù)智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，查閱中外相關(guān)資料和技術(shù)文檔，從實(shí)用型設(shè)計(jì)理念出發(fā)，學(xué)習(xí)和驗(yàn)證了將云平臺(tái)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能家居中的理論可行性；學(xué)習(xí)和驗(yàn)證了手機(jī) APP技術(shù)與機(jī)智云平臺(tái)的互聯(lián)作用理論可行性；學(xué)習(xí)和驗(yàn)證了Wi-Fi 模組與單片機(jī)結(jié)合控制的理論可行性；以及各類傳感器與單片機(jī)之間信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、處理的理論可行性。
*第二階段：理論設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)思路經(jīng)過第一階段理論查實(shí)和能力具備后。進(jìn)入第二階段的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。對(duì)于系統(tǒng)的程序編程和電路各項(xiàng)功能的仿真，本設(shè)計(jì)項(xiàng)目選用 Proteus 仿真軟件，編程軟件是 KEIL、Arduino 編程軟件結(jié)合使用。
*第三階段：實(shí)物電路的制作、調(diào)試及模型驗(yàn)證。4.2 語音控制功能測試1）語音識(shí)別控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總
該項(xiàng)試驗(yàn)測試語音識(shí)別及控制功能的成功率。“時(shí)光” 為語音喚醒指令。要進(jìn)行語音控制音響和照明燈的操作，必須先以“時(shí)光”來喚醒語音識(shí)別模塊。10 s 內(nèi)發(fā)布指令，若10 s 內(nèi)沒有發(fā)布語音指令，如“播放音樂、下一首、打開車庫燈”等指令，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉語音識(shí)別功能，防止不必要的干擾。
本實(shí)驗(yàn)主要測試語音識(shí)別的準(zhǔn)確度和控制指令的執(zhí)行率。本次實(shí)驗(yàn)共 10 組，每組 50 次。通過測試語音識(shí)別準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)，其語音識(shí)別的準(zhǔn)確度達(dá)到 96%。試誤的過程，是通過外界噪音干擾，不同人的普通話標(biāo)準(zhǔn)程度和電源電壓波動(dòng)等進(jìn)行試誤測試。2）測試結(jié)果因素分析及解決辦法
本項(xiàng)目的電源電壓要求提供 3 ～ 9 V 的直流電，3 ～ 5 V 直流電提供 MUC 及語音識(shí)別模塊的電路電壓，5 ～ 9 V 直流電提供音響和繼電器的工作電壓。本設(shè)計(jì)中，電源的供電模式均由直流電源提供。也可由蓄電池提供電源。但是蓄電池電量不足，影響音響的播放功能。為了提高執(zhí)行音樂播放的準(zhǔn)確度，建議用穩(wěn)壓直流電源供電。
外界噪音干擾，是影響語音識(shí)別準(zhǔn)確度的又一主要因素。語音識(shí)別，因?yàn)槭窃谕饨绛h(huán)境中獲取有用信號(hào)。要求在喚醒語音識(shí)別功能時(shí)，盡量保持室內(nèi)安靜，當(dāng)其他聲音的音量和指令信號(hào)音量相同或者超過指令信號(hào)音量的情況下，會(huì)影響識(shí)別的準(zhǔn)確度或者直接喚醒失敗。所以，語音識(shí)別的準(zhǔn)確性是受到環(huán)境噪音因素的影響。
語音控制指令是要求用標(biāo)準(zhǔn)普通話的，對(duì)英語或者方言都暫時(shí)沒辦法獲取。由于測量過程中，語音識(shí)別功能受到電源電壓波動(dòng)、外界噪音干擾、普通話發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)度、線路接觸不良等因素影響，測試成功率在 96% 左右。為了提高語音識(shí)別準(zhǔn)確度應(yīng)保持設(shè)備不受以上干擾因素的影響。4.3 手機(jī) APP 控制功能測試
1）手機(jī) APP 配網(wǎng)及控制界面說明此項(xiàng)目測試功能有：Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)測試及 APP 功能測試。如圖 5 所示，該項(xiàng)目完成下位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)入 APP 控制界面，進(jìn)行特定功能控制。
圖 5 Wi-Fi 配網(wǎng)及 APP 控制功能測試圖
2）Wi-Fi 模塊及手機(jī) APP 配網(wǎng)測試
Wi-Fi模塊配網(wǎng)，在新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，首次配網(wǎng)，必須手動(dòng)配置。只要首次配網(wǎng)成果，Wi-Fi 模組具有記憶功能，斷電后再次聯(lián)網(wǎng)，就會(huì)自動(dòng)連入已記錄的網(wǎng)絡(luò) IP。
手機(jī) APP 要連接設(shè)備 Wi-Fi 模組，首次配網(wǎng)，需要手動(dòng)與 Wi-Fi 模組處在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，只要配網(wǎng)成功，手機(jī)和 Wi-Fi 模組都接入互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)再次斷電控制，只要手機(jī)有 4G 網(wǎng)絡(luò)，在任何地點(diǎn)都可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行 APP 控制，即具備遠(yuǎn)程控制功能。
本次實(shí)驗(yàn)，是對(duì)于 Wi-Fi 模組在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行配網(wǎng)成功率及手機(jī) APP 控制功能的測試。分別在家庭 4G 網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)熱點(diǎn)配置、家庭 5G 網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下重復(fù)配網(wǎng)測試，每組 10 次測試，每次測量時(shí)長 1 小時(shí)。測試表格如表 1 所示。
3）機(jī)智云平臺(tái)監(jiān)控設(shè)備活動(dòng)數(shù)據(jù)本次項(xiàng)目根據(jù)被控對(duì)象的個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)類型，在機(jī)智云平臺(tái)上建立了一下數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別是浴室燈、主次臥燈、餐廳燈及車庫門四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)的類型也可根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行設(shè)置。如圖 6 所示。圖 6 機(jī)智云平臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)一覽圖
管理人員通過云平臺(tái)查看對(duì)應(yīng)設(shè)備的上線時(shí)間及控制功能類型。列表中“類型”指 APP 和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)透傳方向；“時(shí)間”指對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，精確到秒；“指令” 指數(shù)據(jù)點(diǎn)傳輸?shù)闹噶铑愋汀?/span>
手機(jī)通過機(jī)智云和下位機(jī)進(jìn)行無線相連，手機(jī)可以控制Wi-Fi 模組聯(lián)網(wǎng)的照明系統(tǒng)，同樣，照明系統(tǒng)的動(dòng)作指令也會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。這一系統(tǒng)只要在穩(wěn)定的 Wi-Fi 環(huán)境中，首次需要操作者手動(dòng)配網(wǎng)，以后設(shè)備會(huì)記憶網(wǎng)絡(luò)地址，自定通過 Wi-Fi 模組連入互聯(lián)網(wǎng)，用戶一旦注冊使用后，手機(jī)只要有無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，就可以輕松檢測和控制家里的智能設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。
4）結(jié)果分析及處理方法
根據(jù)測試數(shù)據(jù)及機(jī)智云后臺(tái)的設(shè)備日志綜合分析，Wi-Fi 組網(wǎng)的準(zhǔn)確性受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和硬件電路的性能影響。在家庭 4G 網(wǎng)絡(luò)、家庭 5G 網(wǎng)絡(luò)及手機(jī)熱點(diǎn)三種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，手機(jī)熱點(diǎn)的信號(hào)較弱，且網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定，影響配網(wǎng)成功率。并且經(jīng)過 1 小時(shí)的待機(jī)測量，發(fā)現(xiàn)手機(jī)熱點(diǎn)配置的 Wi-Fi 模組丟包概率大，導(dǎo)致設(shè)備 Wi-Fi 連接斷線，控制不到。
為了不影響 Wi-Fi 配網(wǎng)的成功率，有以下注意事項(xiàng)：
* 設(shè)備控制電路的供電電源是直流 5 V 電壓，Wi-Fi模組的供電是由單片機(jī)電路提供，不用另外提供電壓。被控對(duì)象，如照明燈和家電設(shè)備，主要是通過繼電器間接控制。* 設(shè)備配網(wǎng)收到家庭無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響，要求無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)穩(wěn)定。最好不要使用手機(jī)熱點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境。4.4安防功能測試
安防測試項(xiàng)目，主要測試室外環(huán)境中的人員入侵（防盜）、光線亮度及風(fēng)雨天氣，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測有害氣體及水災(zāi)、火災(zāi)、門禁等數(shù)據(jù)采集及聲光電報(bào)警系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。
1）安防電話報(bào)警
為安防電話報(bào)警和短信報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)圖。安防報(bào)警是否有效動(dòng)作，是由傳感器檢測機(jī)構(gòu)，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理功能，GPRS 功能模塊的密切配合才能實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)對(duì)于程序員的編程技術(shù)是個(gè)極大的考驗(yàn)。
2）安防數(shù)據(jù)檢測
安防報(bào)警動(dòng)作分成手動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)報(bào)警。手動(dòng)報(bào)警即人在特定情況下按下的緊急按鈕；自動(dòng)報(bào)警，就是在發(fā)生火災(zāi)、淹水、有害氣體溢出及非特定人員入侵時(shí)發(fā)生的聲、光、手機(jī)電話報(bào)警。
手動(dòng)報(bào)警，通過觸摸按鍵進(jìn)行觸摸報(bào)警，其性能指標(biāo)準(zhǔn)確度達(dá)到 100%，故不建立測試表格。自動(dòng)報(bào)警，因依靠傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理判斷后采取的報(bào)警指令，其報(bào)警準(zhǔn)確度收到傳感器檢測精度、傳感器獲取數(shù)值的速度、單片機(jī)處理響應(yīng)速度及實(shí)際電路元器件性能和線路等多個(gè)因素的影響。為了檢測設(shè)備穩(wěn)定性，可靠性等，經(jīng)過反復(fù)測試。這個(gè)涉及水位檢測值和實(shí)際水位高度值的轉(zhuǎn)換關(guān)系。首先，單片機(jī)通過水位傳感器讀取水位電信號(hào)值：然后，程序員將電信號(hào)值轉(zhuǎn)換成實(shí)際的水量多少的數(shù)值；經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測，這個(gè) data 的數(shù)值范圍在 4.5 ～ 0.25 的范圍內(nèi)，且沒有水的時(shí)候數(shù)值是越大的。
05
測試結(jié)果分析
據(jù)系統(tǒng)調(diào)試所得的數(shù)值邏輯剛好和其他傳感器所要達(dá)到報(bào)警值的邏輯關(guān)系是相反的，為了保持邏輯關(guān)系的統(tǒng)一，將反向邏輯通過按照 data1=4.5-data；公式編程正向邏輯，即數(shù)值越小，表示沒有水滴檢測到，數(shù)值越大，表示水量越多。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定的水滴報(bào)警值是在 2 ～ 4.5 的報(bào)警范圍。煙霧傳感器性能測試：這個(gè)涉及煙霧濃度檢測值和實(shí)際煙霧濃度等級(jí)值的轉(zhuǎn)換關(guān)系。首先，單片機(jī)通過煙霧傳感器讀取電信號(hào)值；然后，將電信號(hào)值通過數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換成實(shí)際的煙霧等級(jí)值。當(dāng)煙霧等級(jí)值越大，說明有害氣體濃度越濃，根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)，達(dá)到煙霧濃度 3 級(jí)以上即設(shè)定報(bào)警。06
總 結(jié)
本文所構(gòu)架的智能家居安防三層體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究位于網(wǎng)絡(luò)層的基于云端網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線 Wi-Fi 組網(wǎng)技術(shù)，下位機(jī)以Arduino開發(fā)板為控制核心，結(jié)合手機(jī)APP遠(yuǎn)、近程監(jiān)控、語音識(shí)別、GPRS 聲光電報(bào)警、手勢控制等多種技術(shù)，總結(jié)出一套關(guān)于智能家居及安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。從模擬軟件設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建、現(xiàn)場調(diào)試等多方面進(jìn)行了驗(yàn)證，運(yùn)用 Wi-Fi、無線網(wǎng)關(guān)和機(jī)智云網(wǎng)絡(luò)透傳的等關(guān)鍵技術(shù)；開發(fā)設(shè)計(jì)了一款智能家居與安防功能模型系統(tǒng)并對(duì)方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)語音控制照明系統(tǒng)及音響功能的控制、無線傳感器監(jiān)測安防環(huán)境、手機(jī) APP 遠(yuǎn)程控制家 電及照明等功能，形成了集智能家電控制、家居環(huán)境檢測、室內(nèi)安全監(jiān)測的綜合性方案。
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