基于云平台的智能家居安防控制系统硬件设计

蔡湘繁，王 丹

（广东科技学院 机电工程学院，广东 东莞 523083）

0 引 言

常规的智能家居控制系统具有硬件电路布线复杂、功耗过大、模块不易扩展、温湿度数据采集不精确的缺点，本设计基于云平台的智能家居安防控制系统，能够自动检测周围环境的动态数据，将所检测的数据通过物联网方式传输至云平台，进而发送到App显示在手机上，并且实时监控变化，一旦检测到的数据超过预先设定的阈值，则会进行用户所设置的安防功能提醒，随后通过一系列调控进行智能家居的安防控制。通过物联网平台，使用手机App 实现远程数据的显示以及指令的下达，打破了传统局域网的空间限制，实现了“随时、随地”访问和控制智能家居安防控制系统。本文对基于云平台的智能家居安防控制系统的硬件部分进行了设计，具体如下。

1 系统概述

1.1 系统结构

基于云平台的智能家居安防控制系统由STM32最小系统模块、温湿度检测模块、物联网模块、继电器控制模块、安防模块、用户App 端等构成，具体如图1 所示。

图1 基于云平台的智能家居安防控制系统结构

1.2 系统原理

使用STM32F103C8T6 作为控制芯片，配合DHT11温湿度传感器模块检测环境数据，通过ESP8266 Wi-Fi实现物联网功能，将数据上传到云平台，云平台通过数据报文发送到用户App 端，用户通过手机端界面可查看相关环境数据并进行控制。云平台收到用户App端发送的指令报文后再发送指令报文回主控芯片，控制继电器模块进行设备控制，工作原理如图2 所示。

图2 基于云平台的智能家居安防控制系统工作原理

1.3 云平台

使用阿里云物联网平台作为云平台端，阿里云是阿里巴巴物联网开放式平台，支持多种网络协议接入。本次选择的消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）有发布和订阅2种消息模式，都属于开放式系统互连（Open System Interconnect，OSI）参考模型的传输层协议[1]。MQTT协议的报文有格式精简的优点，可以更高效地传输数据；3 种级别的服务质量（Quality of Service，QoS）满足不同消息的传输要求，可在保证可靠性的基础上减小开销；带Topic 的订阅模式可以实现消息的一对多发布。MQTT 设计规范的优点使得它更能满足部分物联网设备低功耗、网络带宽小、延时高、不稳定等局限的需求，广泛应用于各领域的物联网设备。众所周知，物联网云平台的初始创建和实际应用本来是个复杂的过程，但阿里云物联网平台简化了诸多复杂的技术细节，可适配各类网络环境和协议，支持各类智能设备的快速接入，其简化的操作流程如图3所示[2]。

图3 阿里云物联网平台创建应用操作流程

2 系统硬件部分设计

2.1 STM32 最小系统模块

STM32F103X 系列ARM 芯片是由意法半导体（ST）公司推出的内核为Cortex-M3 的32 位微控制器，其硬件采用LQFP38 封装。该芯片具有价格实惠、外设接口多、实时性能优异、控制功耗低以及开发成本低等优点。本系统使用的芯片型号为STM32F103C8T6，该芯片具有20K×8bit 的静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）、63K×8bit 的快闪存储器，自带3 个定时器，3 个USART 串口，功能强大，价格适中[3]。STM32 最小系统模块电路原理如图4 所示。

图4 STM32 最小系统模块电路原理

2.2 温湿度检测模块

采用DHT11 作为系统的温湿度检测模块。DHT11 是一款数字温湿度传感器，适用于测量一定环境内的温度和湿度，具有使用方便、占用空间小、品质卓越、抗干扰能力强、快速响应、低功耗、性价比极高等优点，表现出极高的可靠性与卓越的长期稳定性，因此被广泛应用于家居自动化、气象站、智能农业等领域。此外，DHT11 采用单总线数据传输，可以通过数字信号直接与微控制器连接，测量范围为0 ～50 ℃的温度和20%RH ～90%RH 的湿度，精度分别为±2 ℃和±5%RH[4]。DHT11 温湿度检测模块如图5 所示。

图5 DHT11 温湿度检测模块

2.3 Wi-Fi 物联网模块

采用ESP8266 Wi-Fi 芯片作为系统的Wi-Fi 物联网模块，常应用于物联网设备、智能家居、智能家电等领域。该芯片集成了Wi-Fi 模块和处理器，内置传输控制协议和网络协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）协议栈，其主要特点包括体积小、功耗低、易于开发、性价比高等。ESP8266 Wi-Fi 芯片可以通过串口与单片机连接，也可以独立作为一个微控制器使用，而且支持多种编程语言，如C、C++、Python 等。因此，ESP8266 Wi-Fi 片具有广泛的应用前景，是物联网和智能家居领域的重要组成部分[5]。Wi-Fi 物联网模块如图6 所示。

图6 Wi-Fi 物联网模块

2.4 继电器模块

采用继电器模块拓展控制其他智能家居设备。继电器是一种电控制器件，其基本结构主要由线圈、铁芯、触点等组成，工作原理为小电流控制大电流。一般来说，控制电路包括电源、信号输入以及继电器驱动3 个部分。其中，电源一般使用直流电源，信号输入可以是开关量信号或模拟信号，继电器驱动则是通过控制电路将3.3 V 的电压转换为驱动继电器线圈的电压，从而使继电器动作。低电压继电器常用于嵌入式系统、物联网设备等领域，使用时需注意其额定电压和额定电流，避免过载和损坏。同时，还需要注意控制电路的设计和调试，确保继电器能够正常工作[6]。其中，继电器模块如图7 所示。

图7 继电器模块

2.5 安防模块

使用蜂鸣器模拟安防提醒，当室内环境数据到达安全隐患阈值时，蜂鸣器响起提醒用户，同时自动启动室内循环通风系统进行环境控制，保障用户安全。

2.6 室内照明

使用LED 灯模拟室内照明，其工作电压为3.3 ～5 V。在实际应用时，该部分可接室内灯光系统，用户可通过手机端App 开关进行发送指令，通过继电器模块实现室内照明控制。

2.7 室内循环通风系统

使用低电压电机与扇叶模拟室内循环通风系统，其工作电压为3.3 ～5 V。在实际应用时，该部分可接室内循环通风系统，用户可设定环境阈值自动启闭室内循环通风系统，也可通过手机端App 开关发送指令，通过继电器模块实现室内循环通风系统控制。

2.8 物联网云平台配置

使用阿里云物联网平台Web 网页端进行物联网设备的添加，配置设备信息，主要流程为设备功能定义→人机交互设置→设备调试设置等，如图8 所示。

图8 阿里云物联网平台Web 网页

3 实验与分析

系统硬件部分搭建完成后，接通电源，各模块提示灯正常亮灭，系统电路通路正常，无短路情况，硬件部分总体搭建合理，电路布线简约，经过后期实际运行检测，该系统的硬件部分表现出了高度的可靠性和稳定性，初步调试时控制反应非常灵敏，各模块功能能够成功响应，可以进行系统的软件部分设计，进行程序编写与调试。

4 结 论

在物联网技术飞快发展与“互联网+”对智能交互需求的背景下，本文进行了一款基于云平台的智能家居安防控制系统的硬件部分设计。通过测试证明，本系统的硬件搭建分布合理、运行正常，可以进行系统的下一步程序编程调试开发，部署应用到现实生活中的智能家居生态环境中，在实际生活应用中有一定价值。