IoT畢設(shè) | 機(jī)智云AIoT+arduino單片機(jī)+智能家居系統(tǒng)及安防控制

開發(fā)者提出了一種基于機(jī)智云平臺(tái)和Arduino單片機(jī)控制的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，主要研究智能家居系統(tǒng)在無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)和下位機(jī)子系統(tǒng)的軟硬件功能，經(jīng)過理論驗(yàn)證、仿真實(shí)驗(yàn)、電路搭建到智能家居模型的建立，完成了一套由無(wú)線Wi-Fi組網(wǎng)、云平臺(tái)檢測(cè)、以Arduino單片機(jī)為下位機(jī)控制核心的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本應(yīng)用筆記是通過ESP8266Wi-Fi模塊與Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)鳎瑢?shí)現(xiàn)智能APP遠(yuǎn)程與近程的全方位監(jiān)控，結(jié)合語(yǔ)音控制、手勢(shì)控制、RFID門禁控制等先進(jìn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居控制智能化。

目錄預(yù)覽

1課題研究意義及人文創(chuàng)新性2系統(tǒng)需求分析3總體設(shè)計(jì)4系統(tǒng)功能測(cè)試及分析5 結(jié)論

1.課題研究意義及人文創(chuàng)新性

結(jié)合了移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)和無(wú)線局域網(wǎng)，將智能家居控制系統(tǒng)與嵌入式設(shè)備、移動(dòng)終端、云平臺(tái)、Wi-Fi組網(wǎng)、語(yǔ)音控制、智能安防GPRS報(bào)警系統(tǒng)等有機(jī)的結(jié)合起來，改善了傳統(tǒng)紅外信號(hào)定向與距離短和布線復(fù)雜的局限，使得用戶可隨時(shí)隨地能對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，并增加房屋的智能安防系統(tǒng)，為現(xiàn)代家居生活帶來便利的同時(shí)還增加了房屋安全監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)，讓用戶不論是在家還是外出都能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家里的情況，做到出門放心，遇到緊急狀況能第一時(shí)間知道并控制隱患。

本文的具體創(chuàng)新體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1）提出了一種基于機(jī)智云網(wǎng)絡(luò)控制和Arduino單片機(jī)控制的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。目前智能家居要考慮相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合用戶行為習(xí)慣及特殊需求，考察產(chǎn)品使用環(huán)境，以達(dá)到滿足用戶需求的設(shè)計(jì)。(2）將有關(guān)的功能子系統(tǒng)利用云平臺(tái)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及短距離無(wú)線通信技術(shù)集合起來，安防監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、智能門窗控制子系統(tǒng)、智能語(yǔ)音控制等，給用戶帶來更加人性化的操作體驗(yàn)，享受高科技的家居生活。

2系統(tǒng)需求分析

智能家居系統(tǒng)的主要功能概括為以下幾大類：照明系統(tǒng)及電器控制、人機(jī)交互服務(wù)、遠(yuǎn)程控制服務(wù)、居住環(huán)境安全保障。如圖1所示。

3 總體設(shè)計(jì)

下面對(duì)主要模塊及其功能進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，如圖2所示。

3.1下位機(jī)功能控制框圖

由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)前段探測(cè)系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理、對(duì)比，從而通過單片機(jī)（核心控制機(jī)構(gòu)）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、邏輯處理等，從而在后端驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如顯示器、聲光報(bào)警、繼電器控制、GPRS電話報(bào)警、語(yǔ)音音響控制等實(shí)現(xiàn)一整套可以節(jié)約人力成本的智能探測(cè)及處理系統(tǒng)。
主要模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制最小系統(tǒng)、無(wú)線Wi-Fi透?jìng)髂K、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、手機(jī)APP控制檢測(cè)控制系統(tǒng)、電源模塊等。原理圖使用Protues8.7版本繪制的基于ArduinoUNO單片機(jī)和Wi-Fi模塊控制的照明電路和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真。

核心為ArduinoUNO單片機(jī)芯片，D0～D13為數(shù)字接口，可作為信號(hào)輸入接口也可作為輸出接口，部分接口具有PWM信號(hào)輸出功能，同時(shí)可作為第二功能接口使用。AD0～AD5為模擬信號(hào)輸入接口，作為一些模擬傳感器信號(hào)輸入口。

通過使用ESP8266芯片與機(jī)智云結(jié)合控制，ArduinoUNO單片機(jī)連接后，用程序的方式讓其聯(lián)網(wǎng)工作，起到了將ArduinoUNO單片機(jī)與Wi-Fi互聯(lián)網(wǎng)連接，用戶可在自己手機(jī)上設(shè)置好后，遠(yuǎn)程控制家內(nèi)的照明電路和其他可以連接的電器。如圖3所示。

3.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基本架構(gòu)可以分為三層：物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，圖4顯示了系統(tǒng)中各層的功能和相互關(guān)系，其中Wi-Fi網(wǎng)關(guān)位于網(wǎng)絡(luò)層和物理層之間，起著承上啟下的作用。三層模型中，每一層都有對(duì)應(yīng)的軟、硬件設(shè)備，層間通過物理通信鏈路和接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)耦合。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試及分析

系統(tǒng)建立完成后，經(jīng)過三個(gè)階段的驗(yàn)證：第一階段：理論設(shè)計(jì)和知識(shí)技能準(zhǔn)備。本應(yīng)用根據(jù)智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，查閱中外相關(guān)資料和技術(shù)文檔，從實(shí)用型設(shè)計(jì)理念出發(fā)，學(xué)習(xí)和驗(yàn)證了將云平臺(tái)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能家居中的理論可行性；
學(xué)習(xí)和驗(yàn)證了手機(jī)APP技術(shù)與機(jī)智云平臺(tái)的互聯(lián)作用理論可行性；學(xué)習(xí)和驗(yàn)證了Wi-Fi模組與單片機(jī)結(jié)合控制的理論可行性；以及各類傳感器與單片機(jī)之間信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、處理的理論可行性。
第二階段：理論設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)思路經(jīng)過第一階段理論查實(shí)和能力具備后。進(jìn)入第二階段的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。對(duì)于系統(tǒng)的程序編程和電路各項(xiàng)功能的仿真，編程軟件是KEIL、Arduino編程軟件結(jié)合使用。
第三階段：實(shí)物電路的制作、調(diào)試及模型驗(yàn)證。

4.1語(yǔ)音控制功能測(cè)試

該項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試語(yǔ)音識(shí)別及控制功能的成功率?！皶r(shí)光”為語(yǔ)音喚醒指令。要進(jìn)行語(yǔ)音控制音響和照明燈的操作，必須先以“時(shí)光”來喚醒語(yǔ)音識(shí)別模塊。10s內(nèi)發(fā)布指令，若10s內(nèi)沒有發(fā)布語(yǔ)音指令，如“播放音樂、下一首、打開車庫(kù)燈”等指令，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉語(yǔ)音識(shí)別功能，防止不必要的干擾。

4.2 測(cè)試結(jié)果因素分析及解決辦法

本設(shè)計(jì)的電源電壓要求提供3～9V的直流電，3～5V直流電提供MUC及語(yǔ)音識(shí)別模塊的電路電壓，5～9V直流電提供音響和繼電器的工作電壓。本設(shè)計(jì)中，電源的供電模式均由直流電源提供。也可由蓄電池提供電源。但是蓄電池電量不足，影響音響的播放功能。為了提高執(zhí)行音樂播放的準(zhǔn)確度，建議用穩(wěn)壓直流電源供電。
外界噪音干擾，是影響語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確度的又一主要因素。語(yǔ)音識(shí)別，因?yàn)槭窃谕饨绛h(huán)境中獲取有用信號(hào)。要求在喚醒語(yǔ)音識(shí)別功能時(shí)，盡量保持室內(nèi)安靜，當(dāng)其他聲音的音量和指令信號(hào)音量相同或者超過指令信號(hào)音量的情況下，會(huì)影響識(shí)別的準(zhǔn)確度或者直接喚醒失敗。所以，語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確性是受到環(huán)境噪音因素的影響。
語(yǔ)音控制指令是要求用標(biāo)準(zhǔn)普通話的，對(duì)英語(yǔ)或者方言都暫時(shí)沒辦法獲取。由于測(cè)量過程中，語(yǔ)音識(shí)別功能受到電源電壓波動(dòng)、外界噪音干擾、普通話發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)度、線路接觸不良等因素影響，測(cè)試成功率在96%左右。為了提高語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確度應(yīng)保持設(shè)備不受以上干擾因素的影響。

4.3 手機(jī)APP控制功能測(cè)試

此項(xiàng)目測(cè)試功能有：Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)測(cè)試及APP功能測(cè)試。如圖5所示，該項(xiàng)目完成下位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)入APP控制界面，進(jìn)行特定功能控制。

4.4 Wi-Fi模塊及手機(jī)APP配網(wǎng)測(cè)試

Wi-Fi模塊配網(wǎng)，在新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，首次配網(wǎng)，必須手動(dòng)配置。只要首次配網(wǎng)成果，Wi-Fi模組具有記憶功能，斷電后再次聯(lián)網(wǎng)，就會(huì)自動(dòng)連入已記錄的網(wǎng)絡(luò)IP。

手機(jī)APP要連接設(shè)備Wi-Fi模組，首次配網(wǎng)，需要手機(jī)與Wi-Fi模組處在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，只要配網(wǎng)成功，手機(jī)和Wi-Fi模組都接入互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)再次斷電控制，只要手機(jī)有4G網(wǎng)絡(luò)，在任何地點(diǎn)都可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行APP控制，即具備遠(yuǎn)程控制功能。

4.5 機(jī)智云平臺(tái)監(jiān)控設(shè)備活動(dòng)數(shù)據(jù)

本次項(xiàng)目根據(jù)被控對(duì)象的個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)類型，在機(jī)智云平臺(tái)上建立了一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別是浴室燈、主次臥燈、餐廳燈及車庫(kù)門四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)的類型也可根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行設(shè)置。如圖6所示。

表1配網(wǎng)測(cè)試表

本文所構(gòu)架的智能家居安防三層體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究位于網(wǎng)絡(luò)層的基于云端網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線Wi-Fi組網(wǎng)技術(shù)，下位機(jī)以Arduino開發(fā)板為控制核心，結(jié)合手機(jī)APP遠(yuǎn)、近程監(jiān)控、語(yǔ)音識(shí)別、GPRS聲光電報(bào)警、手勢(shì)控制等多種技術(shù)。

總結(jié)出一套關(guān)于智能家居及安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。從模擬軟件設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等多方面進(jìn)行了驗(yàn)證，運(yùn)用Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)關(guān)和機(jī)智云網(wǎng)絡(luò)透?jìng)鞯牡汝P(guān)鍵技術(shù)；開發(fā)設(shè)計(jì)了一款智能家居與安防功能模型系統(tǒng)并對(duì)方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。