基于機(jī)智云的智能私家車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著人民生活質(zhì)量的提升，我國家庭正逐步進(jìn)入“一戶一車”的時(shí)代。傳統(tǒng)的開放式停車場已難以滿足人們對(duì)車庫安全性和智能化的需求。

本文以STM32單片機(jī)為核心，結(jié)合DHT11傳感器用于環(huán)境溫濕度檢測，MQ2煙霧傳感器用于火災(zāi)檢測，HC-SR04超聲波傳感器用于水位監(jiān)測，esp8266作為WiFi通信模塊，通過機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開發(fā)的手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)車庫內(nèi)溫濕度、水位和火災(zāi)等情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。手機(jī)APP還支持遠(yuǎn)程控制車庫門的升降及車庫燈的開關(guān)。

智能車庫硬件電路總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控制器，采用步進(jìn)電機(jī)控制車庫門的升降、LED模擬庫燈，分別設(shè)計(jì)溫濕度檢測、火災(zāi)檢測、水位監(jiān)測等電路。主控制器接收采集到的數(shù)據(jù)，然后利用WiFi模塊與無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，使用手機(jī)App實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的通信。智能車庫控制系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

溫濕度檢測電路

溫濕度檢測使用DHT11溫濕度傳感器。該傳感器是一款直接輸出數(shù)字信號(hào)的傳感器，利用數(shù)字采集和溫濕度傳感技術(shù)，完成溫度和濕度的復(fù)合檢測。其輸出信號(hào)使用單總線數(shù)字信號(hào)，可直接與單片機(jī)的IO口進(jìn)行串行的數(shù)據(jù)讀取。因DHT11傳感器具有低功耗、體積小、響應(yīng)速度快以及抗干擾能力強(qiáng)等特性，被廣泛應(yīng)用于較苛刻的環(huán)境中。系統(tǒng)電路使用單片機(jī)的一個(gè)PA8口與DHT11傳感器的DATA端相連。

火災(zāi)檢測電路

火災(zāi)檢測采用MQ2氣體傳感器?；馂?zāi)檢測電路由MQ2煙霧傳感器和電壓比較器構(gòu)成。當(dāng)檢測氣體來臨時(shí)，MQ2傳感器的內(nèi)部電阻發(fā)生變化，并輸出與煙霧濃度成比例的模擬電壓，經(jīng)低通濾波器后，再通過電壓比較器輸出數(shù)字量0或1，表示火災(zāi)的有或無。

水位檢測電路

采用HC-SR04超聲波傳感器測量水位。它使用IO觸發(fā)的方式，自動(dòng)發(fā)射40 kHz方波信號(hào)，沒有遇到障礙物，即沒有信號(hào)返回時(shí)，IO輸出低電平（0）；遇到障礙物，即有信號(hào)返回時(shí)，IO輸出高電平（1）。其持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。

已知聲速為340 m/s，水位超聲波到地平面的距離為L，水平面到超聲波探頭的距離為X，超聲波從發(fā)射到接收信號(hào)的時(shí)間差為T，則水位高度H為：

WiFi通信電路

WiFi通信電路采用ESP8266模塊。該模塊可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，也可以通過它接入互聯(lián)網(wǎng)，從而添加物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。ESP8266模塊只需將其Tx和Rx引腳連接至單片機(jī)的普通IO口，并將該IO口配置為串口的Tx和Rx,ESP8266模塊的Tx與串口Rx相連，Rx與串口Tx相連即可。

其他外設(shè)電路

門控系統(tǒng)

使用28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)的順/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)模擬庫門的開/關(guān)，28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)使用ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)的工作原理是將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移。單片機(jī)IO口輸出脈沖信號(hào)，ULN2003接收到脈沖后，將驅(qū)動(dòng)28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。

照明系統(tǒng)

采用工作電壓為直流12 V，功率5 W的LED作為車庫照明燈，使用STM32的IO口接三極管放大后接繼電器，由繼電器控制車庫燈的亮滅。

報(bào)警系統(tǒng)

采用有源蜂鳴器作為報(bào)警系統(tǒng)，使用IO口和三極管驅(qū)動(dòng)，通過置位IO口為高或低（1或0），控制三極管（NPN）的導(dǎo)通與截止，從而控制蜂鳴器報(bào)警或不報(bào)警。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建

物聯(lián)網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在提高工作效率、節(jié)省人工成本等方面起到了很大的作用。本系統(tǒng)主要采用的是機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。該平臺(tái)提供了智能家電、智能家居等產(chǎn)品的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

在本方案中，STM32單片機(jī)通過ESP8266 WiFi模塊，與GAgent進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳，通過2.4 G網(wǎng)絡(luò)（路由器或手機(jī)熱點(diǎn)）接入互聯(lián)網(wǎng)后，利用機(jī)智云平臺(tái)與手機(jī)App實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，物聯(lián)網(wǎng)方案如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)方案示意圖

其中，GAgent是可移植到ESP8266 WiFi模組中的，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、機(jī)智云和手機(jī)App之間的交互。其接入機(jī)智云平臺(tái)的流程分為三大步驟：（1）設(shè)備上電；（2）配置入網(wǎng)；（3）綁定設(shè)備。

機(jī)智云平臺(tái)

機(jī)智云平臺(tái)應(yīng)運(yùn)物聯(lián)網(wǎng)而生，是一個(gè)致力于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)的云服務(wù)平臺(tái)，包括智能硬件和軟件。其產(chǎn)品接入流程圖如圖3所示。機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)面向個(gè)人和企業(yè)開發(fā)者，是智能家居產(chǎn)品開發(fā)的理想云服務(wù)平臺(tái)。

圖3 機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)快速接入流程

手機(jī)App的設(shè)計(jì)

手機(jī)App的設(shè)計(jì)主要使用機(jī)智云平臺(tái)提供的Demo（樣板App),Demo可到機(jī)智云平臺(tái)的官網(wǎng)下載。根據(jù)上述產(chǎn)品接入流程，經(jīng)注冊(cè)、創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)及虛擬調(diào)試等步驟，即可完成硬件設(shè)備與App的綁定。手機(jī)App界面如圖4所示。

圖4 手機(jī)app界面

下位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

主控芯片程序設(shè)計(jì)

在STM32單片機(jī)的主程序中，包含了各模塊函數(shù)的頭文件、數(shù)據(jù)定義類型、協(xié)議及函數(shù)初始化等。主函數(shù)設(shè)計(jì)為一個(gè)死循環(huán)，循環(huán)的內(nèi)容是對(duì)車庫環(huán)境（溫濕度、災(zāi)情等）的循環(huán)檢測，以及對(duì)發(fā)出控制命令（開啟報(bào)警，開/關(guān)門等）的循環(huán)檢測。程序流程圖如圖5所示。

圖5 主函數(shù)程序流程圖

溫濕度檢測模塊程序設(shè)計(jì)

溫濕度檢測模塊程序設(shè)計(jì)，采用STM32單片機(jī)IO口串行數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)格式為8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)位。首先對(duì)DHT11進(jìn)行初始化，判斷其是否存在，若數(shù)據(jù)正確即讀取數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖6所示。

火災(zāi)檢測模塊程序設(shè)計(jì)

火災(zāi)檢測模塊程序設(shè)計(jì)，使用STM32單片機(jī)內(nèi)部的12位ADC采集。該模塊的采集信號(hào)由IO輸入到MCU,ADC把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成煙霧濃度。程序流程圖如圖7所示。

圖6 溫濕度檢測程序流程圖

圖7 火宅檢測程序流程圖

水位檢測模塊程序設(shè)計(jì)

水位檢測模塊程序設(shè)計(jì)，利用STM32定時(shí)器定時(shí)，測量超聲波發(fā)射到接收所用的時(shí)間，從而根據(jù)聲速計(jì)算出所測水位是否超過預(yù)警值，若超出預(yù)警值則向手機(jī)發(fā)送水災(zāi)報(bào)警信號(hào)。

測試結(jié)果

通過測試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車庫內(nèi)部溫濕度、煙霧、水位等測試，測試數(shù)據(jù)可通過WiFi上傳至機(jī)智云平臺(tái)，手機(jī)App可以查閱機(jī)智云平臺(tái)存儲(chǔ)的車庫信息，也可以發(fā)送指令遠(yuǎn)程控制模擬車庫門的升降?？刂葡到y(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能私家車庫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，結(jié)合硬件檢測電路、WiFi通信和手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)了通過手機(jī)App遠(yuǎn)程控制車庫門的升降，并對(duì)外部環(huán)境參數(shù)（如溫濕度、煙霧、水位）進(jìn)行智能檢測和報(bào)警。