基于无线WiFi技术的智慧家居控制系统的研究与设计

岳丽颖

(郑州工业应用技术学院 信息工程学院，河南省 郑州市 450000)

传统智能家居系统主要采取了主机控制、分散管理和零星布置的方式，在一定程度上改善了传统居家环境。随着互联网技术和智能终端设备制造业的快速发展，智慧家居系统受到了越来越多家庭的青睐。智慧家居可以提供电子远程控制、环境实时监测和智能化的电子设备自动控制，大大改变了人们的居家环境。

基于无线WiFi技术的智慧家居系统主要是对室内环境进行监测以及自我调节，对终端设备进行智能化控制传感器采集、视频监控与语音采集、终端控制、温湿度控制、APP远程控制和外围电路继电器。

1 系统总体设计方案

基于无线WiFi技术的智慧家居系统采用ARM-STM32F103作为核心处理器,对室内环境各项数据进行分析处理以及通过WiFi模块向终端设备发出命令执行一系列的操作[1]。主要模块功能如下：

(1)传感器采集模块的主要功能为光照强度、噪声、空气质量(PM2.5、甲醛等)、煤气、温度湿度等家居环境参数采集。

(2)监控语音采集模块主要实现家居视频和语音指令的采集；终端控制主要实现灯具、空调、窗帘等家用电器的控制功能。

(3)温度湿度控制模块功能主要是实现家居环境的升降温、加湿或者除湿的控制。

(4)APP远程控制模块主要实现手机端的家居设备远程操控等；外围电路设计主要是智慧家居环境的电源、数据存储、调试和复位等电路部署设计。智慧家居总体设计方案如图1所示。

图1 智能家居系统总体结构图

2 智慧家居系统硬件设计

2.1 主控芯片ARM-STM32F103-Cortex M3

ARM-STM32F103-CortexM3主控芯片内置了128位逻辑控制器，工作频率为144 MHz。该芯片拥有4个无线WiFi接口、4个24位的D/A转换器、64个有线通信接口、8个定时器接口、4个I2C总线接口和4G大容量高速嵌入式存储器，最大转换时间为0.1 ms[2]。该主控芯片冗余接口多，方便后期系统维护，大大满足了智慧家居所需要的控制需求。

2.2 数据传感器采集模块

智慧家居系统实时采集家庭环境的内部数据，包括室内光照强度、甲醛浓度、PM2.5浓度、空气环境的温度湿度等。环境传感器采用了Xiaomi公司的智慧家居检测传感器工作套件GP2Y1010AU0F，它可以实现光照、甲醛、PM2.5和温湿度的数据采集。数据传感器采集接口主要负责数据收集和数据传送，采集接口使用的MAX485芯片提供的RS485，该接口使用了modbus协议、差分逻辑信号和线控工作方式[3]。RS485采集接口电路如图2所示。

图2 RS485采集接口电路图

2.3 WiFi模块

基于802.11n/g/b标准WiFi模块采用了新H3C公司的HLK-RM06，该模块能够实现Serial接口、Ethernet接口和Wireless接口之间的数据传输，同时实现了网络参数配置、Serial与Wireless接口线TCP/UDP传输、60个Max连接数和远程web网络管理功能[4]。无线WiFi模块的电路设计如图3所示。

图3 无线WiFi模块的电路设计

2.4 视频监控与语音外放模块

为了支持远程登录控制和实时视频传输，摄像头型号采用的是惠普公司的CAMARA-OV2640，由它完成监控采集。该监控模块通过DCMI-SCL接口与主控芯片连接进行通信，选用RT8186和XC7715B-168MR接口，分别提供了3.2 V和 1.6 V电压供电[5]。CAMARA-OV2640电路设计如图4所示。

图4 CAMARA-OV2640电路设计

为了提高语音模块的外放音量, R6和R2的电阻值设计为33 kΩ和15 kΩ,语音外放扩大了2倍，语音外部控制电路设计如图5所示。

图5 语音模块外放控制设计

2.5 外围电路继电器模块

外围电路继电器采用6脚转换型继电器实现智能终端设备的“开”和“关”控制，通过P12接口实现家居电器等设备的开闭控制[6]。外围电路继电器模块设计如图6所示。

图6 外围电路继电器驱动电路图

3 系统软件设计

智慧家居系统主要是实现房间环境状态的实时监测，从而实现家用电器终端的智能自我调节控制功能。智慧家居软件总流程为：时钟和数据输入输出初始化，通过家居环境的检测来完成环境的参数动态调节，ARM-STM32F103对采集的数据进行分析处理和模糊控制算法分析[7]。智慧家居软件总流程设计如图7所示。

图7 智慧家居系统软件设计

3.1 WiFi模块软件设计

WiFi模块系统默认为休眠状态，当控制信号指令发送后，其对信号指令进行分析并完成指令的相应操作，将指令发送至家居终端并执行指令。WiFi模块控制流程如图8所示。

图8 WiFi模块控制软件流程设计

3.2 视频采集模块软件设计

视频采集模块首先进行了I/O、WiFi、TCP协议栈等系统初始化并完成TCP服务器的成功连接，监控视频数据通过ARM-STM32F103主控芯片调用无线WiFi无线路由，采用TCP客户端模式连接服务器实现数据的传输存储[8]。视频采集模块软件流程设计如图9所示。

图9 视频采集模块软件流程设计

3.3 语音模块设计

语音识别软件流程主要包括了写入识别列表循环、设定编号和寄存器写入等功能，当语音模块采集到音频信号时，立刻启动中断函数并清零寄存器数据，将最佳识别结果存放入C5寄存器中进行结果分析[9]。语音模块控制程序设计如图10所示。

图10 语音模块控制程序设计

3.4 继电器模块软件设计

继电器软件流程主要实现终端设备的“开”和“关”，高电平设置为“打开”模式，低电平设计为“关闭”模式。外围电路继电器工作流程设计如图11所示。

图11 外围电路继电器工作流程设计图

4 系统测试及结果

4.1 WiFi无线传输性能测试

数据WiFi无线通道测试中,设置本地端口设为8088,远程端口设为8081。测试平台由WiFi无线模块和两台笔记本组成。测试距离采用了8个节点值，无障碍数据丢包率测试数据如表1所示，有障碍数据丢包率测试数据如表2所示。

表1 无障碍数据丢包率测试

表2 有障碍数据丢包率测试

从测试结果来看，无障碍的数据丢包率为≤0.2%，有障碍丢包率为≤0.6%，测试结果满足要求。

4.2 语音模块准确度测试

语音模块功能测试主要分为60分贝、40分贝、20分贝和10分贝下进行,室内语音控制测试距离选取5米。男女声的语音识别准确率测试结果如表3所列。

表3 音识别准确率测试

4.3 客户端测试

智慧家居系统的客户端测试主要包括了远程登录稳定性和智能终端的实时操控，并实现了家居环境的光照、空气质量和温湿度等传感设备的采集存储等情况。手机APP端实时测试智慧家居终端的网络连接、节点信息和系统设置等人机交互的功能。客户端界面测试如图12所示，系统连接基本稳定，满足了智慧家居设计的要求。

图12 客户端测试界面

5 结语

基于无线WiFi技术的智慧家居系统采用了物联网、互联网、无线通信和模糊控制等技术，实现了传感器数据采集、视频监控传输存储、语音识别、空气质量检测和综合布线等智慧家居硬件系统设计，同时完成了WiFi通信、视频与语音、继电器电路和远程客户端的软件设计。该系统实现了无线传输、智能调节、远程登录与操作，同时测试结果完全满足智慧家居系统的设计要求，该系统解决了传统智能家居能耗率高、智能化不足、综合布线成本高和环保差等问题，具备一定的经济价值和推广价值。