蔡 自 偉

(運(yùn)城學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000)

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)居住環(huán)境的要求也越來(lái)越高，智能家居的概念逐漸被人們所接受[1]。智能家居行業(yè)經(jīng)歷了十來(lái)年的發(fā)展，有很多企業(yè)在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了深度布局，不同的廠家從不同的角度用智能化的手段對(duì)家居行業(yè)進(jìn)行了改造。小米基于生態(tài)對(duì)智能家居進(jìn)行了賦能；華為基于網(wǎng)絡(luò)連接對(duì)智能家居進(jìn)行了賦能；阿里巴巴和中國(guó)移動(dòng)通過(guò)搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)來(lái)降低智能家居的開(kāi)發(fā)門(mén)檻。盡管這個(gè)行業(yè)的涉入者眾多，技術(shù)成熟度很高，但是這個(gè)領(lǐng)域缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，整體發(fā)展受到了很大的限制[2]。當(dāng)前，微信作為一個(gè)應(yīng)用最為廣泛的社交工具，把微信小程序作為智能家居的入口，將很大程度上提升用戶的便捷性，從而提高用戶對(duì)智能家居的親和度和粘度[3]。通過(guò)微信小程序接入服務(wù)器的方式有兩種，一種是私有服務(wù)器，另外一種是云服務(wù)器。云服務(wù)器無(wú)論是在性能還是成本上都具有很大的優(yōu)勢(shì)。

本文設(shè)計(jì)并完成了基于MQTT的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)了智能光線調(diào)節(jié)和智能溫濕度調(diào)節(jié)等常規(guī)功能外，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙霧的監(jiān)控、對(duì)火焰的監(jiān)控以及防盜提醒等安全功能。系統(tǒng)安全功能的增強(qiáng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。傳輸使用MQTT協(xié)議，使系統(tǒng)具有低時(shí)延高可靠的特點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)的客戶端采用了微信小程序的形式，使用起來(lái)更加方便靈活。

1. 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖

通過(guò)需求分析，遵循物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三層設(shè)計(jì)模式[4]，系統(tǒng)層次圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)層次圖

系統(tǒng)分成三層。其中，感知層用來(lái)獲取數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)用層負(fù)責(zé)監(jiān)控和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

感知層通過(guò)主控板控制傳感器采集數(shù)據(jù)，可以分成常規(guī)數(shù)據(jù)采集和安全數(shù)據(jù)采集兩部分。常規(guī)部分主要包含溫濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。光強(qiáng)傳感器采集光照強(qiáng)度用來(lái)分析室內(nèi)的亮度。溫度傳感器采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，濕度傳感器采集室內(nèi)的濕度數(shù)據(jù)。安全部分主要包含煙霧、火焰和紅外數(shù)據(jù)。煙霧數(shù)據(jù)通過(guò)煙霧傳感器采集，火焰識(shí)別主要通過(guò)火焰識(shí)別模塊完成。紅外數(shù)據(jù)用于判斷是否室內(nèi)有人，攝像頭主要用于視頻監(jiān)控。

網(wǎng)絡(luò)層一方面接收來(lái)自感知層的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用層，另外一方面負(fù)責(zé)把應(yīng)用層的控制數(shù)據(jù)傳遞給感知層的主控板，由主控板完成對(duì)應(yīng)模塊的調(diào)整。

應(yīng)用層的數(shù)據(jù)存放在云服務(wù)器中的，通過(guò)小程序完成界面的顯示。小程序?qū)崿F(xiàn)的控制面板，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)感知層模塊的控制。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析

本系統(tǒng)基于MQTT協(xié)議完成數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，智能家居系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)框圖

MQTT協(xié)議用來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸，需要配合服務(wù)器才能工作[5]。現(xiàn)在大型的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)都提供對(duì)應(yīng)的協(xié)議棧。本系統(tǒng)采用了阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并結(jié)合MEQX，MEQX作為一款企業(yè)級(jí)的MQTT消息服務(wù)器平臺(tái)，其主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性高、存儲(chǔ)效率高、并發(fā)性好、使用簡(jiǎn)單。MEQX只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置就能運(yùn)行MQTT協(xié)議棧[6]。從兼容性考慮，本系統(tǒng)的云服務(wù)器也選擇使用了阿里的云服務(wù)器。主控板使用了ESP-12F WiFi模組，該模組包含主控芯片和WiFi芯片ESP8266，通過(guò)ESP-12F模組可以完成本地網(wǎng)絡(luò)的搭建[7]。通過(guò)光強(qiáng)傳感器采集光照強(qiáng)度信息，上傳到小程序。小程序結(jié)合天氣預(yù)報(bào)信息，綜合后完成對(duì)燈光和窗簾的控制[8]。溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)上傳到小程序，小程序通過(guò)分析完成對(duì)應(yīng)家居模塊的控制。

智能家居系統(tǒng)涉及的器件眾多，安全是最重要的模塊之一[9]。本系統(tǒng)加強(qiáng)了室內(nèi)安全功能。煙霧傳感器用來(lái)采集室內(nèi)的可燃?xì)怏w數(shù)據(jù)?；鹧?zhèn)鞲衅骺梢圆杉車(chē)h(huán)境是否有火焰存在。紅外傳感器采集紅外線數(shù)據(jù)用于感知活動(dòng)物體的存在。這三個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞給小程序，小程序通過(guò)分析會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的方式進(jìn)行處理。用戶在需要的時(shí)候可以調(diào)用攝像頭，查看室內(nèi)的實(shí)時(shí)狀況，最終確認(rèn)是否反生火險(xiǎn)或者外人闖入。

2. 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 云管端通信流程

智能家居的通信建立在MQTT協(xié)議之上，硬件上依賴ESP-12F模組，軟件上依賴阿里物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，系統(tǒng)通信流程圖如圖3所示。

圖3 智能家居系統(tǒng)通信流程圖

其中，WiFi網(wǎng)絡(luò)的連接依賴室內(nèi)3G/4G網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

2.2 基礎(chǔ)模塊傳感器

基礎(chǔ)模塊傳感器主要負(fù)責(zé)采集室內(nèi)的基本參數(shù)，包含光線、溫度和濕度等。

光照強(qiáng)度傳感器選擇的是BH1750。該傳感器能探測(cè)較大范圍的光線強(qiáng)度，使用方便靈活。

溫濕度傳感器選擇的是DHT11。該傳感器是一款數(shù)字信號(hào)傳感器，可靠性和穩(wěn)定性都比較好的。

2.3 安全模塊傳感器

煙霧傳感器選擇的是MQ-9[10]，它能夠檢測(cè)一氧化碳等燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，作為有火情的一個(gè)參數(shù)。

火焰識(shí)別傳感器可以檢測(cè)火焰，探測(cè)角度60度左右，該系統(tǒng)需要布設(shè)多個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?。該傳感器的靈敏度可調(diào)節(jié)，使用方便。

人體紅外傳感器采用HC-SR501，通過(guò)識(shí)別人體紅外線的特定波長(zhǎng)來(lái)分析室內(nèi)出現(xiàn)的人員。通過(guò)采集紅外數(shù)據(jù)，作為室內(nèi)安全的數(shù)據(jù)分析因素。

上述三個(gè)數(shù)據(jù)能提示險(xiǎn)情發(fā)生的可能性，最終確認(rèn)需要查看攝像頭采集的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)。攝像頭采用的ESP32-cam攝像頭開(kāi)發(fā)板，內(nèi)部包含一顆32位的CPU，實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi上傳服務(wù)器。但是這樣做只能保證在局域網(wǎng)內(nèi)獲取視頻，如果需要在公網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)，需要使用到內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)。

3. 軟件實(shí)現(xiàn)

針對(duì)本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一款微信小程序作為客戶端，智能家居的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和控制由它完成。服務(wù)器采用了阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行接入。小程序可以對(duì)服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，調(diào)取傳感器采集的數(shù)據(jù)，或者對(duì)控制的家居模塊發(fā)起控制操作。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供了豐富的協(xié)議和接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的操作。

3.1 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入流程

本文總結(jié)了阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入流程，現(xiàn)描述如圖4所示。

圖4 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入流程

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，云端只需要簡(jiǎn)單配置即可。主控板需要做對(duì)應(yīng)的配置，云端和主控板通過(guò)ESP8266相連就完成了網(wǎng)絡(luò)的搭建。

3.2 微信小程序開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)客戶端為微信小程序，小程序與阿里云之間通過(guò)MQTT服務(wù)器進(jìn)行連接，MQTT協(xié)議棧和數(shù)據(jù)庫(kù)都存放在阿里云服務(wù)器上。在阿里云上部署了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理系統(tǒng)，用于管理設(shè)備和主題。其工作流程如圖5所示。

4. 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)的登錄界面如圖6所示，用戶只需要輸入用戶名和密碼就可以登錄，然后就能使用該智能家居系統(tǒng)了。

圖5 小程序工作流程圖

圖6 小程序登錄界面

登錄成功后，進(jìn)入智能家居系統(tǒng)的控制界面，通過(guò)點(diǎn)擊各個(gè)界面上各個(gè)選項(xiàng)就可以完成對(duì)室內(nèi)家居模塊的智能訪問(wèn)和控制，控制界面如圖7所示。

圖7 設(shè)備控制界面

本系統(tǒng)的特點(diǎn)在于強(qiáng)化了智能家居系統(tǒng)的安全功能，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)模擬室內(nèi)著火場(chǎng)景，當(dāng)用打火機(jī)打火出現(xiàn)在設(shè)備附近的時(shí)候，小程序就提示家里著火了。此時(shí)，家里面不一定真的著火了，用戶可以調(diào)用攝像頭查看家里面的實(shí)際情況，確定是否真的著火。如果著火了，就可以撥打火警電話。意外火情識(shí)別功能測(cè)試效果如圖8所示。

圖8 安全防控界面

5. 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要利用了阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)MQTT傳輸協(xié)議和微信小程序完成了對(duì)家居環(huán)境的智能化管理。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光強(qiáng)數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的綜合分析進(jìn)而智能化的控制室內(nèi)的光照強(qiáng)度和溫濕度。本系統(tǒng)的特點(diǎn)在于加強(qiáng)了對(duì)室內(nèi)的安全監(jiān)控，通過(guò)煙霧傳感器、火焰識(shí)別、紅外傳感器和攝像頭完成了對(duì)室內(nèi)著火現(xiàn)象和人為入侵事件的監(jiān)控。本系統(tǒng)仍有許多不足之處，安全問(wèn)題識(shí)別在準(zhǔn)確度仍有很大優(yōu)化空間。下一步，需要分析攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)并結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)使家居安全功能更加智能。