朱 明，肖 松，黄 洁

（江西理工大学 电气工程与自动化学院，江西 赣州 341000）

0 引 言

随着当前计算机网络技术、AR技术、语音图像识别等智能科技的不断更新发展与相互交融，智能家居也日趋多元化，并且多次实现新的突破。

由于目前很大一部分家居工作未完全脱离人为控制，或没有很好地被人为控制。在实际应用场景中，需要每个被控节点间相互联系，构成一个信息交换网络，以实现实时家居参数测定显示、设备便捷控制、网络远程通信等具体功能，这也是一个难题。系统的控制范围增加后，控制系数也会增加，并且会出现更多不可预测的问题。通信与接入方式也需要根据实际情况进行调节，所以近距离的通信、组网技术成为了研究热点；WiFi作为组网技术中的一种，在近距离通信中占主导。

基于此，文中提供面向智能家居的物联网操作系统应用方案，通过STM32单片机，结合OneNET物联网平台与手机APP以及外围传感器检测电路，构成一套家居控制系统，多方面地提升家居智能化、便捷化、人性化、舒适化，并可以实现环保控制。

1 智能家居控制系统总体设计

智能家居系统总体架构如图1所示。系统选用面向智能家居的物联网操作系统，搭载STM32F4嵌入式微控制器为主控下位机，采集多种环境参数，如PM、温湿度、可燃/有害气体浓度等传感器数据；通过ESP8266 WiFi芯片连接无线局域网并使用HTTP协议接入中移物联网云平台；然后利用PHP服务器从OneNET平台上获取控制器上传的环境参数信息发送到手机APP上；最后可以将APP作为上位机实时观测环境信息或直接上传控制数据，以实现诸如远程控制电机启停或其他被控对象工作等功能。系统控制方案流程如图2所示。

图1 智能家居系统总体架构

图2 智能家居控制方案流程

1.1 智能家居控制系统功能实现

简易的智能家居可以实现功能如下：当人们回到家中时，门口的人体红外感应会检测到有人到来，并播放语音“欢迎回家”。进入家门，智能报警系统项目全面启动，屋外进行雨量检测，如果下雨，实时播报，并进行RGB三色雨量警告；如果室内或者周边有害气体含量超标，蜂鸣器会发出报警声；如果室内温度较高，控制风扇的电机便会工作，并根据温度高低自动调节转速等。

1.2 智能家居控制系统硬件设计

文中设计应用系统的核心是云平台，以实现移动终端对智能家居中的诸多设备进行实时控制。搭载云平台的是基于Cortex-M4体系结构的32位标准RISC（精简指令集）STM32F4微处理器，拥有极其丰富的资源。本系统主要组成情况如下：

（1）为了采集环境质量参数，在室内和室外布置多个采集节点、数据传输节点。由于系统上传数据的速度很频繁，所以对于数据的稳定性要求不高。考虑设计精简性，采用ESP8266+OneNET+手机APP控制。

（2）设计采用RT-Thread操作系统，系统需要预留充足的I/O口用于扩展更多的数据采集设备及通信设备，并且将数据同步到服务器中，综合考虑采用STM32微处理器作为总控制器。

（3）采用ATK-VS1053MP3语音模块，支持两种格式的WAV录音：PCM格式或者IMA ADPCM格式。其中PCM（脉冲编码调制）是最基本的WAVE文件格式，这种文件直接存储采样的声音数据，没有经过任何的压缩；而IAM ADPCM则是使用了压缩算法，压缩比率为4：1。

（4）采用的DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

1.3 智能家居控制系统软件设计

文中设计系统采用RT-Thread操作系统，在搭建好的BSP工程基础上添加所需的模块函数。图3是ESP8266模块程序控制温湿度信号的流程。

图3 ESP8266模块程序控制流程

首先在裸机开发下正确读取DHT11温湿度数据；然后了解RT-Thread的sensor框架，将DHT11对接到sensor框架上并创建一个线程，通过其读取温湿度数据，并通过FinSH控制台实时打印数据；通过ENV工具获取NRF24L01软件包后加载到MDK工程页面中，实现DHT11线程与NRF24L01线程之间的数据通信；通过修改NRF24L01软件包，实现多点通信功能；在接收节点中使用RT-Thread文件系统存放节点数据，接收节点根据上位机中的数据帧格式，通过串口发送温度数据到上位机；最后再配置RT-Thread的OneNET云软件包和AT组件，并使用它们实现将接收节点的数据通过ESP8266 WiFi模块上传至OneNET服务器，云端通过图形可视化处理实现实时温度远程监控。

通过ESP8266 WiFi芯片连接无线局域网并使用HTTP协议接入中移物联网的设备云开放平台，将采集到的传感器数据上传。同时，利用PHP服务器从OneNET平台上获取环境信息，并下发到手机APP上。

APP将接收到的数据进行处理并显示到用户界面上，用户便可以远距离实时获取与控制室内的温度、湿度等参数，极大地摆脱了短距离遥控的限制。

1.4 智能家居系统客户端设计

本Android客户端的开发环境基于Android Studio3.3，开发语言为面向对象的编程语言JAVA。客户端的设计主要包括UI界面、通信模块搭建、数据库设计、语言功能设计四个方面。

安装好APP后首先进入设计的登录界面如图4所示，通过提供的登录账号和密码进入智能家居管理系统，如图5所示。

图4 登录界面

图5 智能家居管理系统

2 系统调试

本系统调试有如下两个步骤：

（1）通过STM32控制器采集与显示数据；

（2）通过服务器实时传输与显示数据。

STM32控制器继续通过各个传感器采集数据后，经过处理显示到LCD液晶屏上。经过多次调试，结果符合要求，最终数据采集界面如图6所示。

图6 数据采集调试界面

远程数据显示需要STM32单片机借助ESP8266 WiFi模块，并通过HTTP协议将数据传送给服务器，然后再从服务器中实时查询和显示数据，如图7所示。

图7 数据查询、显示界面

3 结 语

本系统设计的应用框架，目的是尽可能多地将家具集中化，然后再进行智能化管理。资源丰富的STM32嵌入式控制器作为主控机，根据不同家具的实际情况与其建立联系，通过物联网平台与手机APP可以实现人为实时监控的功能。虽然现在部分检测与控制功能未进行多次的实地试验，无法完全准确地提供智能家居相关设备的参数，但是基本具备了预期的能力。通过不断调试优化与更新迭代，增设新的功能，会逐渐完善智能家居控制系统。

同时，本设计突出特点是节能环保，利用低成本的设备构建所需的居家条件；并且可以通过自动检测进入低功耗模式，降低使用成本。