基于WiFi的智能家居监控系统设计

2018-01-19张凯达赵延明陈建勋

软件导刊 2018年10期

张凯达赵延明陈建勋

摘要：针对目前许多家庭的需求，深入分析无线通信的通信机制，比较各类通信方式的特点。系统采用WiFi无线网络组建智能家居监控系统，利用本地遥控器或远程智能手机对室内空调、窗户窗帘、防盗探测器、有害气体检测器、视频监视器进行控制，对家庭燃气浓度、烟雾浓度及室内温度等进行实时监测，并根据检测结果采取自动开窗、智能通风、打开防火设备等应急处理措施，还可以在户主外出期间通过视频监视器对家庭进行实时监控，在家庭出现非法闯入者时实现自动报警，对实时状况进行录像以及对闯入者进行抓拍，从而为将来破案提供资料。

关键词：WiFi；智能控制；智能家居；远程监控；报警系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.181360

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）010-0133-04

英文摘要Abstract：According to the needs of many families at present，the paper analyzes the communication mechanism of wireless communication and compares the characteristics of various communication methods.The system uses WiFi wireless network to set up intelligent home monitoring system.It uses local remote control or remote smart phone for indoor air conditioning，Anti-theft detectors，harmful gas detectors，video monitor，and monitor the home gas concentration，smoke concentration，indoor temperature etc. in real-time，and corresponding are take，such as opening window automatically，intelligent ventilation，switching on fire protection equipement，monitoring the house when no one is present through the video monitors，when the illegal intruder occurs in the house alarming automatically alarm，photographing the house real-time conditions and capturing videos of intruders，providing information for future cases.

英文關键词Key Words：WiFi；intelligent control；intelligent home；remote monitoring；alarm system

0 引言

随着社会的发展与经济水平的提高，科技不断改变着人们的生活方式。对于家居生活而言，人们对家居智能化、舒适性与便捷性的要求越来越高。因此，智能家居应运而生。传统智能家居系统通过将综合布线技术、设备自动化控制技术及智能安防技术相结合，形成一个可对家居电器进行智能化控制的便捷的管理系统[1]。目前，传统的家居电器控制一般采取有线方式进行控制及相互通信，但有线控制方式具有以下缺点：①布线成本高；②安全隐患多；③可扩展性差。据公安部消防局网站公布的《2016年消防年鉴》数据显示，2016年全国共发生电气火灾31.2万起，其中94 848起电气火灾的直接起火原因为电气线路故障，造成直接经济损失高达11.308 8亿元[2]。由此可见，由电线老化造成的经济损失是十分巨大的。

随着嵌入式技术及短距离无线通信技术的发展，物联网产业取得了长足进步。目前市面上常见的智能家居系统有基于红外、ZigBee与蓝牙的系统。如李伟[3]以Eson A01蓝牙模块为通信基础实现了蓝牙通信；朱凯[4]采用ATmega8L作为处理器进行红外控制，实现了智能家居系统；黄涛[5]采用MT8880与MCP2120实现智能家居系统；李成大等[6]提出基于ZigBee无线通信技术，实现短距离控制家居电器的目的；赵奎兵、段富海[7]提出将ZigBee技术与语音识别技术相结合的方法，通过语音控制家居电器。

相关研究在一定程度上解决了有线网络面临的问题，但仍然存在不少缺陷：使用红外系统会由于距离、障碍物等因素导致其在信号传递上受到干扰；使用蓝牙系统通讯速率较低，而成本过高；使用Zigbee系统成本较高，通信距离短，且穿透性不强。

由于WiFi无线电波具有覆盖范围广、传输速度快、无需布线且健康安全等优点，本文提出一种基于WiFi的智能家居监控系统，以改善传统智能家居系统的缺点，在方便安装维护的同时，更可避免因线路老化漏电而引起灾害或能源浪费，以及避免因煤气泄漏或家具及装修材料中散发出有毒气体而导致的意外事故发生，同时对家庭环境进行实时监控，在保障生命财产安全等方面具有重要意义。

1 总体方案设计

针对目前智能家居监控系统在通信方式、数据存储、监控模式、数据传输等方面的不足，本文提出一种基于WiFi的智能家居监控系统，总体方案如图1所示。系统总体结构由服务器、无线路由器（网关）、开关控制器、电机控制器/温湿度检测器、防盗探测器、有害气体检测器、视频监视器、遥控器、智能手机构成。

2 系统硬件设计

本文硬件系统框架如图2所示，包括：开关控制器、电机控制器、防盗探测器、有害气体检测器。4个终端模块在功能上具有相同特点：数据量小、功能简单、对数据传输速度要求低。因此，4个终端模块直接采用ESP8266 WiFi模块作为模块控制器。

图像监视器与开关控制器、电机控制器、防盗探测器、有害气体检测器4个终端模块不同，其采用MCU+WiFi模块的设计方案。MCU采用STM32F103系统，由于ESP8266性能较差，不能很好地满足图像监视器对WiFi模块性能需求，因此图像监视器采用USR-C322高性能串口WiFi模块。

开关控制器包括窗帘、灯具开关等，选用一个直流5V驱动的继电器，通过控制GPIO口的高低电平实现继电器通断，进而控制开关状态；电机控制器上还搭载了温湿度传感器与光照强度检测器，温湿度传感器采用一个AM2320电容式温湿度传感器，该传感器是一款温湿度复合型传感器，温度数据可精确到0.1℃，湿度数据精确到0.1%RH。光照强度检测器采用一个10KΩ光敏电阻与其它元件组成分压电路，采用ESP8266内部的ADC转换电压；有害气体检测器上搭载的有害气体传感器选用MQ-2型烟雾传感器，通过传感器的电导率变化捕捉烟雾状态；电源模块采用Micro USB接口供电，该接口输入电压为5V，通过USB接口接入电路，为系统供电。

3 系统软件设计

3.1 硬件程序设计

开关控制器、电机控制器、防盗探测器、有害气体检测器采用NodeMCU开发方式，主要操作包括设置ESP8266工作在Station模式、设置目标WiFi接入点的SSID（服务集标识）与密码、连接WiFi、等待连接WiFi完成。NodeMCU初始化程序流程如图3所示。

电机控制器的功能较为复杂，全部功能可分为两类：数据上传、按照指令控制电机。电机控制器数据种类有4种：温度数据、湿度数据、光照强度数据与电机角度数据。温度数据与湿度数据都来自于AM2320温湿度传感器。NodeMCU固件提供了AM2320温湿度传感器的API，只需要两行代码即可完成AM2320数据读取，具体代码如下：

am2320.init（6，7） --初始化AM2320

rh，t=am2320.read（） --讀取AM2320传感器数据

光照强度检测NodeMCU提供了非常简单的用于读取ADC转换值的API，只需一行代码即可读出数据，具体代码如下：

li=adc.read（0） --读取ADC转换结果

电机控制的实现较为复杂。ESP8266输出一路频率为1KHz的PWM波，STM32F030利用TIM14的CH1的捕获模式。获得高电平时间，计算出高电平占一个周期的时间比，并根据占空比控制无线四相步进电机旋转到指定角度。无线四相步进电机的控制命令用0～99之间的一个整数表示电机旋转角度。PWM波占空比与该整数n的对应关系如下：

占空比= （n×6+200）/102 4（1）

电机控制器程序流程如图4所示。

防盗探测器将读取红外对射探测器信号的GPIO口设置为中断触发模式。一旦红外对射探测器光路被遮挡，信号发生跳变，中断会立即触发，调用处理外部中断信息的回调函数，立即上传数据。程序流程如图5所示。

有害气体检测器定时向服务器发送传感器数据，MQ-2气体传感器输出一个范围为0～4V的模拟电压信号，ESP8266通过一路ADC将分压电路分压后的电压信号转换为数字量并上传数据。程序流程如图6所示。

图像监视器启动后，USR-C322WiFi模块将自主完成连接指定WiFi的操作，并自动与指定服务器建立连接。单片机等待WiFi模块完成自动连接操作，首先发送一个注册数据帧。该数据帧通过WiFi模块，经过无线路由器被服务器接收，服务器根据该数据帧确认图像监视器的设备身份。服务器发送的操作指令通过无线路由器、WiFi模块被单片机接收，单片机对比指令并执行对应操作。程序流程如图7所示。

开关控制器中，每隔10s软件定时器调用其回调函数，查询继电器状态相关标识位，并按照通信协议将继电器开关状态发送给服务器。控制指令的接收通过NodeMCU固件中net类提供的数据接收方法实现，接收到的数据传入该方法的回调函数。数据处理首先进行的是数据格式检查，根据通信协议的规定检查原始数据，排除错误信息，提取有效指令，并根据指令信息对继电器进行开关操作。程序流程如图8所示。

3.2 手机客户端APP

智能终端APP包括3个页面：登录界面、显示界面、实时图片显示页面，如图9所示。APP中的登录界面主要用于用户登录；显示界面是登录系统后出现的界面，如图10所示，主要用于显示包括继电器状态、电机状态、光照强度、温湿度数据、防盗状态、红外对射状态、气体数据等信息，使用户可以实时看到家中状况；实时图片显示页面只在按键获取到实时图片之后出现。

4 结语

本文提出一种基于WiFi的智能家居监控系统，可实现家居电器开关控制、室内空调遥控、窗帘开关控制、防盗报警、有害气体实时监控与报警、空气净化器自动启动、视频动态监视、照片抓拍、开关故障自诊断、本地与远程监控等功能，克服了传统家居电器控制的埋线繁琐、安全隐患多、可扩展性差的缺点，在方便安装维护的同时，更可避免因线路老化漏电引起的灾害与能源浪费，以及因煤气泄漏或家具及装修材料中散发出有毒气体而导致的意外事故发生，确保生命财产安全，营造一个安全、舒适、方便与高效的生活环境。该报警系统成本低、使用方便，可以广泛应用于家庭、住宅小区等。

参考文献：

[1] SHERMAN M，JOSEPH P A.Smart home technologies[J].nclusive Housing in an Ageing Society，2001（3）：30-1055.

[2] 2016全国火灾情况分析[EB/OL].[2016-06-05].http：//www.119.gov.cn/xiaofang/nbnj/34601.html/.

[3] 李伟.基于蓝牙通讯的智能家居红外控制系统的实现[J].电气传动自动化，2011，33（2）：38-41.

[4] 朱凯.基于ATmega16L的智能照明系统[D].杭州：浙江工业大学，2013.

[5] 黄涛，褚淑杰.基于红外通信的智能家居系统[J].微计算机信息，2005，21（1）：140-142.

[6] 李成大，张京，倪继烈.基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统[J].电讯技术，2007，47（5）：63-66.

[7] 赵奎兵，段富海.基于ZigBee节点的智能家居系统语音控制设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：5-8.

[8] 蒋春利，李政林，罗文广，等.智能家居监控及安防系统设计[J].自动化仪表，2017，38（11）：13-16，21.

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[11] 湖南科技大学.基于WiFi无线通信的智能家居监控系统[P].CN201620245546.8，2016-10-05.