基于物联网的智能家居实验技术平台的设计

2021-07-20党长青陈昌盛周恒

电子制作 2021年13期

党长青，陈昌盛，周恒

（贵州大学电气工程学院，贵州贵阳，550025）

0 引言

物联网技术的快速发展，使得智能家居遍地开花，所以在实验室搭建一个基于物联网的智能家居实验技术平台供学生实验研究显得异常的重要。本系统将结合ATMEGA 2560-16AU开发板与ESP8266Wifi模块搭建一个简单实用、使用方便、价格低廉、便于扩展的智能家居实验平台，方便学生通过智能家居实验平台感受互联网的发展对人们日常生活的冲击，也便于教师的实验教学。

1 实验系统总体设计

本实验技术平台主要由DHT11温湿度传感器模块、BH1750光照强度传感器模块、土壤湿度传感器模块、水位传感器模块、烟雾浓度传感器模块、OLED显示模块、ESP8266WiFi无线传输模块、控制器与处理器模块、继电器模块、电机模块以及YS-M3语音播放模块构成[1]。该实验平台以Arduino MEGA2560单片机作为核心控制器，通过上述传感器模块对家居环境参数进行采集，然后通过Arduino单片机的AD模块对传感器采集的模拟量数据进行数据转换，其中将土壤湿度、光照强度、蓄水池液位以及环境温湿度等重要环境数据通过显示模块进行数据显示，以便用户更加直观的观察到家居环境的实时数据。同时通过ESP8266Wifi模块将采集到的传感器数据上报至云端服务器，服务器再将传感器所采集到的相关数据转发给客户端，客户端接收到云端服务器发送的状态信息后更新相关数据并通过本文设计的手机APP平台进行显示。当传感器检测到的数据低于所设定阈值时，语音播放模块将会播放报警信息，实现现场报警；同时Arduino单片机将该警告信息通过ESP8266WIFI模块及机智云服务器发送至Android客户端进行显示，实现远程报警。该智能家居实验技术平台能够实现对智能设备的远程操作控制，便于实验室教师开展各类相关的实验教学，实用性价值比较高。

2 系统硬件设计

■2.1 智能家居实验技术平台硬件系统框图

智能家居控制系统硬件系统框图如图1所示，该控制系统以ATMEGA2560-16UA芯片为核心处理器，通过各个传感器对环境参数进行检测。将传感器输出的电信号接入单片机的A/D转换模块，转换成单片机能够处理的数字信号然后再通过单片机进行处理。Arduino单片机将各个传感器数据进行中值滤波后将部分数据进行归一化处理，然后通过ESP8266WIFI模块发送至机智云服务器，并将部分重要参数值发送至OLED显示屏进行显示。

图1 智能家居实验技术平台硬件系统框图

■2.2 智能家居实验技术平台硬件介绍

2.2.1 MCU选择

由于本设计中使用了多个传感器，而ArduinoMega2560核心板具有多个IO接口正好满足本设计对多个IO口的需求，因此本设计选择ArduinoMega2560作为本系统的核心控制板。ArduinoMega2560核心板如图2所示。

图2 ArduinoMega2560核心板

2.2.2 WIFI模块选择

WIFI模块选择ESP8266WIFI模块。这款芯片使用3.3V的直流电源，体积小，功耗低，支持透传，数据收发稳定。ESP8266可以通过AT命令来设置芯片的大部分参数和设置为透传模式[2]。ESP8266也可以采集一些温湿度传感器的数据，然后发送到互联网上。ESP8266模块如图3所示。

图3 ESP8266模块

本设计配置网络时使用的是SmartConfig模式，采用UDP广播模式（UDP接收IP地址是255.255.255.255）ESP8266WIFI模块先扫描所在环境的AP（AccessPoint），得到AP的相关信息,如工作的channel,然后配置wifi芯片工作在刚才扫描到的channel上去接收UDP包，如果没有接收到相应的UDP包，则继续配置ESP8266工作在另外的channel上，如此往复循环，直到收到UDP包为止。

2.2.3 OLED屏幕的选择

本设计中只需查看部分重要数据，选择0.96寸OLED显示屏足以满足需求。

2.2.4 语音模块

YS-M3模块具备9个触发口，其触发方式为低电平触发。为了更方便的实现语音播报的功能，本设计选择单片机的IO口触发。以A1-A5为编码端口、二进制的反码进行编码。编码格式如表1所示。

表1 语音模块编码方式

根据以上表格的输出形式，0代表输出低电平，1代表输出高电平，在单片机IO口输出编码后，等待200ms以上恢复默认值（高电平），即可进行播放语音。主控板收到手机APP的指令之后，语音模块会同时播报手机发送的指令，用于提醒用户。其部分实现代码如下：

2.2.5 稳压电路设计

该智能家居实验技术平台整体采用7.2V锂电池供电，而OLED显示模块、ESP8266WiFi模块均采用 3.3V电源进行供电。传感器以及单片机最小系统需采用5V电源供电。因此需进行稳压电路设计将7.2V的电源通过相应的稳压芯片降至本系统所需的5V以及3.3V电源。在稳压电路设计中本设计采用LM1117-3.3、LM1117-5.0和TPS7350稳压芯片对电源电压进行降压处理，降至3.3V和5V，考虑到稳压芯片在进行降压处理后会有较大的纹波，因此在设计电路时采用10μF的电解电容滤除低频信号，采用0.1μF的瓷片电容滤除高频信号，对稳压芯片输出的电压进行滤波处理，得到一个稳定的直流电源。其电路设计如图4所示。

图4 稳压电路设计

3 系统软件设计

该智能家居实验技术平台的软件设计步骤主要有：（1）控制器通过传感器对环境参数的采集和处理；（2）控制器采集处理后的家居环境数据发送至OLED显示；（3）控制系统配置入网；（4）控制器通过ESP8266WiFi模块上报数据；

（5）接收客户端下发的控制命令并执行相应的操作[3]。

智能家居实验技术平台的主程序流程图如图5所示。

图5 智能家居实验技术平台程序流程图

智能家居实验技术平台配网流程图如图6所示。

图6 智能家居实验技术平台配网流程图

4 系统测试

将各个模块通电，智能家居控制系统配置入网，连接机智云服务器。打开Android客户端应用程序便可查看相关传感器检测到的环境参数值，同时OLED显示屏也会显示当前数据。如图7、8所示，分别为手机APP显示的各个传感器参数值和OLED显示屏显示的重要参数值；如图7所示，通过Android客户端应用程序还可实现对家居设备的控制，当传感器检测到的环境参数小于所设定的阈值时，在Android客户端应用程序还可查看到相关警告信息，如图9所示。