本系統(tǒng)是由廣東粵東技師學(xué)院程瑩設(shè)計開發(fā)完成，通過提出一種基于機(jī)智云平臺和 Arduino 單片機(jī)控制的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計模式，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)過理論驗證、仿真實驗、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。設(shè)計通過 ESP8266 Wi-Fi 模塊與 Internet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳，實現(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)，實現(xiàn)家居控制智能化。

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應(yīng)無線傳感器模塊，結(jié)合云平臺控制和互聯(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)計以上述要求為基準(zhǔn)，在現(xiàn)代信息技術(shù)上力求突破，實現(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

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計下面對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)計圖

3.2 下位機(jī)功能控制框圖

由下位機(jī)實現(xiàn)前段探測系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理、對比，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)動機(jī)構(gòu)，如顯示器、聲光報警、繼電器控制、GPRS 電話報警、語音音響控制等實現(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，可作為信號輸入接口也可作為輸出接口，部分接口具有 PWM 信號輸出功能，同時可作為第二功能接口使用。AD0 ～ AD5 為模擬信號輸入接口，作為一些模擬傳感器信號輸入口。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。

圖 3 下位機(jī)控制框圖

3.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的基本架構(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)實現(xiàn)耦合。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層

下面對三層模型進(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，面向不同設(shè)備的軟件可以分別開發(fā)。

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系統(tǒng)調(diào)試與分析

4.1 本設(shè)計及驗證的三個階段

系統(tǒng)建立完成后，經(jīng)過三個階段的驗證：

*第一階段：理論設(shè)計和知識技能準(zhǔn)備。本設(shè)計根據(jù)智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計理論，查閱中外相關(guān)資料和技術(shù)文檔，從實用型設(shè)計理念出發(fā)，學(xué)習(xí)和驗證了將云平臺和互聯(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)和驗證了手機(jī) APP技術(shù)與機(jī)智云平臺的互聯(lián)作用理論可行性；學(xué)習(xí)和驗證了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)之間信號采集、轉(zhuǎn)換、處理的理論可行性。

*第二階段：理論設(shè)計的仿真驗證。本設(shè)計思路經(jīng)過第一階段理論查實和能力具備后。進(jìn)入第二階段的仿真實驗驗證階段。對于系統(tǒng)的程序編程和電路各項功能的仿真，本設(shè)計項目選用 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：實物電路的制作、調(diào)試及模型驗證。4.2 語音控制功能測試1）語音識別控制實驗數(shù)據(jù)匯總

該項試驗測試語音識別及控制功能的成功率?！皶r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“時光”來喚醒語音識別模塊。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)會自動關(guān)閉語音識別功能，防止不必要的干擾。

本實驗主要測試語音識別的準(zhǔn)確度和控制指令的執(zhí)行率。本次實驗共 10 組，每組 50 次。通過測試語音識別準(zhǔn)確性實驗，其語音識別的準(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，是影響語音識別準(zhǔn)確度的又一主要因素。語音識別，因為是在外界環(huán)境中獲取有用信號。要求在喚醒語音識別功能時，盡量保持室內(nèi)安靜，當(dāng)其他聲音的音量和指令信號音量相同或者超過指令信號音量的情況下，會影響識別的準(zhǔn)確度或者直接喚醒失敗。所以，語音識別的準(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，對英語或者方言都暫時沒辦法獲取。由于測量過程中，語音識別功能受到電源電壓波動、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)，就會自動連入已記錄的網(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)，在任何地點都可以對設(shè)備進(jìn)行 APP 控制，即具備遠(yuǎn)程控制功能。

本次實驗，是對于 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，每次測量時長 1 小時。測試表格如表 1 所示。

3）機(jī)智云平臺監(jiān)控設(shè)備活動數(shù)據(jù)本次項目根據(jù)被控對象的個數(shù)和數(shù)據(jù)類型，在機(jī)智云平臺上建立了一下數(shù)據(jù)點，分別是浴室燈、主次臥燈、餐廳燈及車庫門四個數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點的類型也可根據(jù)被控對象的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行設(shè)置。如圖 6 所示。

圖 6 機(jī)智云平臺設(shè)備數(shù)據(jù)點一覽圖

管理人員通過云平臺查看對應(yīng)設(shè)備的上線時間及控制功能類型。列表中“類型”指 APP 和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)透傳方向；“時間”指對應(yīng)數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)傳輸時間，精確到秒；“指令” 指數(shù)據(jù)點傳輸?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)的動作指令也會通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到機(jī)智云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存。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配網(wǎng)，以后設(shè)備會記憶網(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，就可以輕松檢測和控制家里的智能設(shè)備，從而實現(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)熱點三種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，手機(jī)熱點的信號較弱，且網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定，影響配網(wǎng)成功率。并且經(jīng)過 1 小時的待機(jī)測量，發(fā)現(xiàn)手機(jī)熱點配置的 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：

* 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)信號穩(wěn)定。最好不要使用手機(jī)熱點提供網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境。4.4安防功能測試

安防測試項目，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)采集及聲光電報警系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

1）安防電話報警

為安防電話報警和短信報警功能實現(xiàn)圖。安防報警是否有效動作，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現(xiàn)。此技術(shù)對于程序員的編程技術(shù)是個極大的考驗。

2）安防數(shù)據(jù)檢測

安防報警動作分成手動報警和自動報警。手動報警即人在特定情況下按下的緊急按鈕；自動報警，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發(fā)生的聲、光、手機(jī)電話報警。

手動報警，通過觸摸按鍵進(jìn)行觸摸報警，其性能指標(biāo)準(zhǔn)確度達(dá)到 100%，故不建立測試表格。自動報警，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警指令，其報警準(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)速度及實際電路元器件性能和線路等多個因素的影響。為了檢測設(shè)備穩(wěn)定性，可靠性等，經(jīng)過反復(fù)測試。這個涉及水位檢測值和實際水位高度值的轉(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值：然后，程序員將電信號值轉(zhuǎn)換成實際的水量多少的數(shù)值；經(jīng)實驗數(shù)據(jù)檢測，這個 data 的數(shù)值范圍在 4.5 ～ 0.25 的范圍內(nèi)，且沒有水的時候數(shù)值是越大的。

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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，確定的水滴報警值是在 2 ～ 4.5 的報警范圍。煙霧傳感器性能測試：這個涉及煙霧濃度檢測值和實際煙霧濃度等級值的轉(zhuǎn)換關(guān)系。首先，單片機(jī)通過煙霧傳感器讀取電信號值；然后，將電信號值通過數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換成實際的煙霧等級值。當(dāng)煙霧等級值越大，說明有害氣體濃度越濃，根據(jù)反復(fù)試驗，達(dá)到煙霧濃度 3 級以上即設(shè)定報警。

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、語音識別、GPRS 聲光電報警、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)計思路。從模擬軟件設(shè)計、模型構(gòu)建、現(xiàn)場調(diào)試等多方面進(jìn)行了驗證，運用 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)計了一款智能家居與安防功能模型系統(tǒng)并對方案的可行性進(jìn)行了驗證。該設(shè)計語音控制照明系統(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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