基于云平台的智能家居系统设计与实现

彭彭123

【摘要】 设计并实现了一种基于云平台的智能家居系统，该系统以STM32作为下位机的控制核心，通过传感器搜集家庭环境信息并上传之云服务
器，手机APP端通过云服务器实现对下位机各用电器的状态监控。该系统通过云平台对家居环境实现智能化，提高人们日常家居生活的生活质量。
【关键词】机智云；智能家居系统设计；智能化
0 引言
智能家居以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。该智能家居系统分为移动控制终端模块和硬件模块。软件模块作为移动控制端，系统选择android操作系统实现实时监控和反馈、以及远程操控等功能。系统的硬件模块采用了STM32F103C8T6主控芯片、esp8266WI-FI模块和功能外设实现了网络通信、自动控制等功能。云端选取的是机智云。
1 智能家居系统总体的设计
整体设计以机智云为中心。移动控制端可以透过机智云与下位机进行双向通信。移动控制端通过云端对下位机所有设备的状态进行监视，并对部分用电器进行控制。下位机以STM32F103C8T6为核心对所有用电器进行数据的读取与控制，并将数据整合后通过ESP8266WI-FI模组与云进行双向通信，云服务器在整个数据传输的过程中充当着一个中继器的角色。下位机共包括个7部分，分别为LED驱动模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、温湿度感应器模块、红外传感器模块、烟雾感应器模块和WIFI模块。LED灯驱动模块用于模拟现实中可调亮度LED灯。电机驱动模块用于控制窗帘的开关，通过控制电机的正反转及工作时间实现窗帘的开关。舵机驱动模块用于控制门的开关，当接收到MCU命令时，实现正反转90°从而实现门的自动开关。温湿度数据通过温湿度传感器进行收集。红外传感器模块用于防盗系统，当监测到警报信号时，发出警报并向云上报警报信息。烟雾感应器模块用于对厨房气体的监测，当出现异常状态时，及时进行警报和向云端发送警报信息。WIFI模组用于STM32F103C8T6主控芯片与云之间通讯。
2 移动终端设计
移动终端的设计要取决于数据类型和指令的执行方式。在对需求分析之后，移动端采用当前广泛流行的开放的Android系统进行移动控制终端的设计，配合机智云的开放数据库，使该终端具有良好的扩展性。然后设计出各个功能的模块的界面，包括图标、电灯的开关功能、反馈的设备状态数据的显示方式、以房间为单位对家电设备进行分组控制以及烟雾和红外的报警功能。主要工作流程：应用程序启动后，后台服务启动，与机智云取得连接，输入用户名密码登录进入主界面，主界面后以房间为单位选取需要操作的设备，云会定时发送当前设备信息到移动控制端，达到实时监测的要求，设计界面图如图1所示。

3 硬件模块结构及功能
硬件模块的设计采用了STM32F103C8T6芯片为主控制芯片实现对设备控制和设备状态信息的获取、通过与ESP8266WI-FI模块通信实现与云端的数据传输。外设设备包括各类传感器和家居应用设备，其硬件模型图如图2所示。

3.1 环境监测模块
环境监测模块主要依靠多种传感器进行数据搜集，主要包括有光电红外开关、烟雾感应器、温度感应器。系统通过对传感器状态信息的获取，实现对家居环境的监测。烟雾感应器可以对厨房气体进行有效的监测，烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，烟雾感应器向STM32发送警报信息，STM32接收到警报信息后进行警报并向云端发送警报信息，从而防止火灾的发生。在对门控制中，可以对光电感应器状态信息的获取实现门的自动开关，当检测到门内用红外信息时，STM32向舵机发送开门信息并将当前门的状态上报到云，从而实现门的自动感应。在阳台装置的红外感应器可以实现防盗功能，当获取到异常信息时，自动触发报警装置和上报警报信息。温湿度感应器采用的是DHT11温湿度传感器，STM32向温湿度传感器发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，将采集的温度高8位数据和湿度高8位数据上传到云，实现对环境温湿度的有效控制。
3.2 家居应用设备
家居应用设备包括：可调亮度LED灯、排气扇、可调节转速风扇、智能窗帘等。这些设备均与STM32F103C8T6芯片进行连接，从而实现对设备的远程控制。通过STM32F103C8T6芯片向控制LED和风扇的串口发送PWM信号可实现对LED亮度和风扇转速的控制。通过对控制电机电流的方向、大小的及工作时间的实现的控制，能够准确的移动窗帘的位置，从而实现窗帘的智能化。当然，在实际应用中也可以根据用户的需求进行设备的增减。
4 智能家居系统的测试分析
该智能家居系统通过一个智能家居模型进行调试分析，通过对各个模块的分别调试，使得设备上传的数据能准确上传到云，云下发的指令能准确的控制各个对应的模块，各个模块都能够实现自己对应的功能。之后将所有的模块进行整合，整合后设备也能够实现与之对应的功能，基本上实现了设计的初衷。在软件部分，通过应用使用机智云开放的数据库，进行对界面、功能的设计。开发的软件访问系统后台服务器，进入机智云开发者中心进行调试，通过调试虚拟设备与手机软件之间的数据传输，使之实现了准确数据传输。将云、手机软件、硬件设备整合后，能实现准确的数据下发和上传，从而实现了智能家居的远程控制。
5 总结
智能家居系统是近年来比较热门的研究课题，对居民的生活方式也造成了很大的影响，越来越多的家庭采用智能家居系统。该系统还存在不足之处，系统的稳定性、网络的安全性、数据传输实时性等方面还是需要进一步研究。