基于点灯科技的智能家居控制系统设计

张桂莲 石宜金 谭贵生 戴志超 魏文文

摘  要：随着科技的不断进步，物联网的应用愈加广泛，涌现出越来越先进的智能设备。智慧农业、智能家居就是智能设备最好的体现。文章提出并设计一种基于点灯blinker、AVR单片机、Esp8266的智能家居控制系统。使用Arduino控制传感器采集数据并通过Esp8266将数据上传至云端。用户可借助手机查看数据、下发指令并通过云服务器和Arduino控制台控制家居设备。实践证明，智能家居可提供全方位的信息交互，实现了方便快捷、节能环保的目的。

关键词：智能家居；云平台；Blinker；传感器；AVR

中图分类号：TP399      文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）08-0185-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， the application of the Internet of Things has become more and more extensive， and more and more advanced intelligent devices have emerged. Smart agriculture and smart home are the best embodiment of smart devices. This paper proposes and designs a smart home control system based on lighting blinker， AVR single-chip microcomputer and Esp8266. It uses Arduino to control the sensor to collect data and upload the data to the cloud through Esp8266. Users can view data， issue instructions and control home devices through the cloud server and Arduino console with mobile phones. Practice has proved that smart home can provide all-round information interaction and achieve the purpose of convenience， energy conservation and environmental protection.

Keywords： smart home; cloud platform; Blinker; sensor; AVR

0  引  言

智能家居属于物联网应用比较广泛的领域，同时物联网技术也在一定程度上推动了智能家居行业的发展。连接感知层和应用层的重要媒介就是网络层，它更像是物联网技术的核心。物联网可实现设备与设备、设备与物体之间的可控连接，连接方式有局域连接和广域连接。云平台的兴起离不开智能物联网设备的搭建，物联网智能家居可谓互联网时代的必然产物，主要以智能单品为主。智能设备具有独立的物理地址，基于云平台就可实现对产品的激活与鉴权，利用计算机、手机APP等也可以实现对设备的远程控制和数据传输。

物联网技术的飞速发展一定程度上改变了人们的生活方式，智能交通、智慧农业、智能物流、电子支付等各个领域都有物联网的身影。在各种智能技术的充斥下，通过语音来控制家庭设备就显得尤为重要。通过接入第三方应用平台，由自己配置指令，并结合米家智能音箱的使用，同样可以按照需求对家庭设备进行控制和管理，大大节省了人们手动操作的时间，提高了人们的生活质量，符合物联网技术智能化发展理念。

文献[1]提出了基于OneNET云平台的智能家居远程控制系统，控制芯片使用的是STM32，集成有OpenMV视觉模块实现了人脸检测。文献[2]提出了基于物联网平台的智能家居系统设计，控制部分采用的是ESP32单片机。文献[3]提出了基于树莓派和物联网云平台的智能家居远程控制系统，以树莓派为主控中心，传感器通过Wi-Fi连接到物联网云平台实现数据处理。文献[4]提出了基于ZigBee和Wi-Fi深度结合的智能家居控制系统，以STM32单片机为核心，把数据连接到OneNET云平台，结合ZigBee和Wi-Fi通信组网技术实现家电控制和环境监测。

综上所述，本文提出基于点灯科技的智能家居远程控制系统设计。系统所用的硬件模块主要有Esp8266和UNO主控板以及小爱音箱、1602LCD、OLED屏幕、5 V风扇、继电器、MQ-5传感器、光敏电阻、步进电机、有源蜂鸣器、若干电源等。所用的软件有Blinker和Arduino IDE。用户随时随地可以通过手机客户端对系统进行控制。本系统主要采用云服务器平台+单片机+无线通信技术+移动智能终端的新型物联架构。其目标为：

1）比较各类云平台服务器，选择合适的云平台作为数据存储的服务器。

2）掌握各种传感器采集数据的方法。

3）研究如何通过手机APP来控制设备。

1  系统设计

1.1  总体设计

本系统主要由四大功能模块组成：数据采集、数据上传、遠程操控和语音控制、自动调控和报警。系统结构框图如图1所示。

1）数据采集。数据采集属于物联网体系结构的最底层，主要由各类传感器（如光敏传感器、火焰传感器、语音传感器等）来完成。

2）数据上传。也称为数据传输，是物联网体系结构的中间层。本系统使用Wi-Fi模块将各类传感器采集到的数据上传至阿里云平台，用户可随时登录云平台查看数据。

3）远程操控和语音控制。本系统主要是利用手机上的点灯Blinker平台，在平台中设置相应控件级，编写相应代码即可进行远程操控，本系统还利用该平台连接小米音箱中的小爱语音助手，实现简单的语音控制功能。

4）自动调控和报警。由继电器、风扇、蜂鸣器和传感器组成，实现在数据达到所设定的阈值时进行相应调控，使整个系统具有一定的自动调控能力。

1.2  单片机最小系统电路设计

单片机最小系统又称为单片机最小应用系统，具有电源电路、复位电路、程序下载电路、晶振电路等。单片机最小系统是实现光照强度采集、可燃气体浓度检测以及数据显示的控制核心。本系统中单片机选择的是AVR单片机，芯片采用的是ATmega328P。焊接的最小系统如图2所示。其中，数字引脚有14个，模拟引脚有6个，使用单片机最小系统的主要目的是系统资源完全开放，配合其他模块可以实现任意功能，同时接口设计比较灵活。

1.3  Esp8266电路设计

本系统中Esp8266选用的是Esp12F主控芯片，该芯片处理器具有32位的MCU，主频在80 MHz到160 MHz之间，具有TCP和IP协议栈。另外，Esp8266-12F是一块Wi-Fi模块，不仅可以独立使用，也可以与单片机最小系统一起使用，从而提高开发效率。在本系统中，通过USART串口将Esp8266与单片机最小系统进行通信连接，把单片机采集的数据传输至Esp8266-12F，再通过Esp8266连接互联网将采集到的数据传输至手机APP端或网页端，进而实现对传感器的检测和控制。

Esp8266-12F模块支持STA、AP、STA+AP三种工作模式。本文采用的STA+AP模式，既可以通过路由器连接互联网，也可以实现对热点设备的远程控制。Esp8266-12F中主要使用RX和TX进行数据传输，实物图如图3所示。

1.4  窗帘设计

在模拟智能家居系统中，窗帘需要根据参数设定成为能够自我控制的电动窗帘，通过在窗帘上安装步进电机及相关传感器，实现对窗帘的开关、状态检测等功能。传感器节点属于感知层，当采集到窗帘的状态时就会触发电机并进行指令操作。智能网关设备处于接入层，与窗帘上的传感器进行通信，数据会通过互联网传输到手机APP端，再将命令下发到传感器节点。本文是基于阿里云公有云服务端而设计的，手机、电脑、平板都属于应用层。通过与互联网连接访问服务管理平台，进而实现对窗帘的控制与检测。如图4所示为窗帘控制的系统结构图。窗帘控制部分主要的设备是步进电机（四相），若要实现步进电机的正反转运行，需要连接ULN2003A驱动板。实物中ULN2003A的ABCD引脚与电机的ABCD引脚相连，ULAN2003A的1、2、3、4引脚与单片机的引脚相连，由单片机引脚的高低电平值控制步进电机的正反转。

1.5  灯光设计

照明灯是模拟智能家居系统中一个最基本的设备，它可以控制家里的明亮程度。通过将灯与传感器连接，实现对灯状态的控制，使一个普通的LED灯或灯带具有远程开关、无极调光、状态汇报等功能。灯光系统的控制框架如图5所示。传感器节点与LED灯相连，位于感知控制层，手机APP端属于应用层，通过互联网访问服务管理平台，实现对灯光的检测和控制，方便用户操作。本系统主要使用LED灯和WS2812B灯带。LED灯有两个引脚，分别为“+”和“-”。WS2812B有4个引脚（VCC、VSS、DIN、DOUT），可以显示三种颜色（红、绿、蓝），WS2812b具有级联功能，主要通过DOUT实现。

1.6  可燃气体检测设计

可燃气体的浓度关系到每个家庭居住环境的安全，在模拟智能家居设备中使用了MQ-5的可燃气体检测模块。该模块主要用于检测丁烷、甲烷等K可燃性气体，当可燃气体的浓度升高時检测的数值也会变高并通过蜂鸣器报警，该检测模块可以实现对家庭可燃气体浓度的实时监测，并将数据上传至云平台，用户可登录网站实时查看数据。如图6所示为可燃气体检测实现的系统框架图。可燃气体模块主要包含MQ-5传感器、蜂鸣器、直流电机和风扇。可燃气体MQ-5传感器有四个引脚（VCC、GND、DO、AO），工作电压为5 V，传感器内置2个LED灯，当传感器工作时，LED灯亮起。蜂鸣器有两个引脚，通过控制引脚的高低电平来控制声音。风扇主要由直流电机控制其转动，其中直流电机有两个引脚，一个为正极，一个为负极。若要使可燃气体模块正常运行，在与单片机最小系统进行连接时，确保数字引脚和模拟引脚接线正确。

1.7  小爱音箱设计

小爱音箱的主要功能是实现语音的控制。本系统首先通过各参数和指令的相关配置，将小爱mini与点灯Blinker进行绑定；然后通过互联网将Esp8266接入点灯Blinker；最后在客户端进行界面的设计和配置，并将相关程序代码烧入Esp8266和UNO中。通过以上步骤小爱智能音箱就可以实现对系统的语音全控制。

1.8  系统开发环境

本文中UNO开发板和Esp8266-12F使用的编程环境都是Arduino IDE。Arduino IDE是一些电子设计方面的爱好者、创客教育工作者以及专业人士使用的集成开发环境。诸如OLED、LCD显示屏之类的一些复杂元件，温湿度模块等就可以通过调用库文件使用C语言来编写程序。

2  系统集成测试

本文完成了智能家居控制系统的设计，为了确保系统能够稳定可靠地运行，下面将对所用到的硬件和开发平台进行测试，如图7所示为完整系统的成品展示图。

2.1  可燃气体模块、蜂鸣器及排气扇检测

可燃气体模块使用的是MQ-5，主要检测甲烷等可燃气体，使用打火机进行模拟测试，蜂鸣器的作用是随着可燃气体模块检测数据的高低进行报警，开发板也会自动触发继电器驱动排气扇工作，当可燃气体达到安全浓度时，排气扇和蜂鸣器会自动关闭。

2.2  光敏电阻模块及LCD显示

光敏电阻为四针式引脚，连接UNO主控开发板，LCD选用的是具有IIC通信的1602蓝屏显示屏，具有SDL、SCL、VCC、GND四个控制引脚，连接UNO开發板的电源和数字引脚。LCD显示屏主要是实时显示环境光照强度和可燃气体浓度数据。

2.3  窗帘控制测试

连接窗帘的电机使用的是28BYJ4步进电机（四相），同时使用ULN2003驱动板进行驱动控制，连接Esp8266芯片。窗帘的控制方式有三种：在手机端控制启停、根据光照强度自动启停、使用小爱同学进行控制。

2.4  卧室灯以及WS2812B测试

使用5 V的LED灯条模拟卧室灯进行测试。氛围灯使用带有驱动芯片的WS2812的RGB彩灯，测试方式是通过客户端进行控制。

2.5  客户端点灯Blinker测试

手机控制端使用的是点灯Blinker，这是供物联网开发者使用的一款软件。用户应用需要首先注册开发板设备和连接方式，选择接入阿里云平台。通过自行设计模块，组件和指令匹配，完成手机端配置。控制界面如图8所示。

3  结  论

本文系统是基于点灯科技的智能家居控制系统，其融合了点灯科技、Wi-Fi无线通信技术以及各类传感器和常用模块控制电路。该系统功能齐全，成本较低，硬件电路体积较小，控制可靠，符合相关设计要求。测试结果表明，从底层的数据采集到中层的数据传输再到上层的数据应用服务，整个过程数据可靠且用时在规定的范围之内。目前设计的功能能够满足智能家居系统的控制要求。在以后的研究工作中会加入更多的传感器和智能设备，实时保存数据和处理数据，让系统实现更加复杂的功能。

参考文献：

[1] 张晨，王玉槐，韩齐，等.基于OneNET云平台的智能家居远程控制系统设计 [J].信息科技与信息化，2020（10）：223-226.

[2] 王平，王焱.基于物联网平台的智能家居中心控制系统设计 [J].计算机测量与控制，2020，28（11）：79-83.

[3] 舒连成.基于树莓派和云平台的智能家居控制装置设计 [D].大连：大连理工大学，2020.

[4] 石瑛.基于ZigBee与WiFi深度结合的智能家居系统的研究与设计 [D].南京：南京邮电大学，2019.

[5] 程德浩.基于阿里云物联网的平台数据可视化 [J].电脑知识与技术，2020，16（22）：50-53.

[6] 薛翔.基于ESP8266的智能开关控制系统设计 [J].电子世界，2018，555（21）：149-150.

[7] 谢亚明.智能家用窗户窗帘控制及物联网系统 [J].智能处理与应用，2020（11）：78-80.

[8] 陈丽媚.基于Arduino的AI语音识别智能音箱设计 [J].科学技术创新，2020（19）：57-58.

作者简介：张桂莲（1989.12—），女，白族，云南大理人，讲师，硕士，研究方向：物联网应用和计算机视觉；通讯作者：石宜金（1985.12—），男，汉族，云南大理人，副教授，硕士，研究方向：嵌入式技术；谭贵生（1986.10—），男，汉族，重庆人，副教授，硕士，研究方向：人工智能在电力设备中的应用；戴志超（1998.12—），男，汉族，安徽毫州人，软件工程师，本科，研究方向：软件开发；魏文文（2001.02—），男，汉族，陕西汉中人，本科在读，研究方向：物联网工程。