程 翔， 許正榮， 張昆明

(安徽農(nóng)業(yè)大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036)

0 引 言

智能家居是以住宅為平臺，應用了嵌入式技術、傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術及自動控制技術，將家居設施關聯(lián)整合，實現(xiàn)對家居生活的智能化控制[1,2]，使家居生活更加高效、舒適。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術的不斷發(fā)展為智能家居提供了便利，利用紅外、藍牙、ZigBee,射頻(RF)、Wi-Fi等短距離通信技術，可以方便地將傳感器采集到的信息傳至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，相比于有線通信避免了布線問題，更加靈活。

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)普遍使用藍牙、Wi-Fi來使智能家居網(wǎng)關連接到手機，通過手機應用(App)在室內(nèi)進行控制，控制方式單一，使用范圍有限，且成本較高[3]，針對以上問題，設計了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)，提供網(wǎng)頁端控制，可通過手機電腦控制家居設備，提供本地控制，可在主控制器的觸控屏上對家居進行控制，模塊化程度高，降低了成本并且方便拓展傳感器與電器設備。

1 整體結構

1.1 系統(tǒng)整體結構設計

本系統(tǒng)由三部分組成：節(jié)點、主控制器、服務器。節(jié)點是控制鏈的末端，承載著家居器件和傳感器，本系統(tǒng)中家居器件簡化為照明燈，傳感器主要為溫濕度傳感器，節(jié)點數(shù)量多，且對芯片性能要求不高，所以使用51單片機作為節(jié)點芯片；主控制器管理著各個節(jié)點，提供用戶操作界面，并連接服務器，使用STM32微處理器來滿足以上要求；服務器部署網(wǎng)站，還運行有與硬件通信的后臺程序。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

用戶在網(wǎng)頁端點擊操作，網(wǎng)頁向網(wǎng)站后臺發(fā)送相應請求，網(wǎng)站后臺結合通信后臺將指令發(fā)送至主控制器，主控制器將來自服務器的指令處理后下發(fā)至節(jié)點，節(jié)點按照指令控制繼電器，完成照明控制。主控制器每隔一段時間向傳感器節(jié)點發(fā)指令索取傳感器數(shù)據(jù)，并上傳至服務器，網(wǎng)頁定時刷新傳感器信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 節(jié) 點

節(jié)點電路板可連接繼電器或傳感器，系統(tǒng)中繼電器用于控制照明燈亮滅，傳感器用于采集溫濕度信息。節(jié)點電路主要包含單片機最小系統(tǒng)、電壓轉(zhuǎn)換模塊、無線射頻模塊和各類接口等。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點電路原理

節(jié)點編程芯片選用STC12C5A60S2，是由宏晶科技生產(chǎn)的高速增強型單時鐘/機器周期8051單片機，擁有功耗低、抗干擾能力強的特點[4]，可使用keil4軟件進行開發(fā)。無線射頻模塊為直插式NRF24L01模塊，是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段的單片無線射頻器芯片，擁有體積小、功耗低、傳輸距離遠的特點[5]，使用SPI協(xié)議與單片機通信。為減小節(jié)點的體積，程序燒錄通過外置CH340G程序下載模塊完成，節(jié)點只提供相應引腳接口，不含程序下載電路。節(jié)點供電為12 V直流電，通過DC插口連接電源，電壓轉(zhuǎn)換模塊為兩片AMS1117芯片，可分別提供5,3.3 V的輸出電壓，3.3 V電壓用于NRF24L01模塊。

傳感器或繼電器模塊可通過預留接口與節(jié)點連接，繼電器為5 V繼電器模塊，可負載10A/250V交流電，能控制常規(guī)照明燈和大多數(shù)家用電器的電源通斷，傳感器為DHT11溫濕度傳感器，這是含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器[6]，具有低功耗和高穩(wěn)定性的優(yōu)點。

2.2 主控制器

主控制器可與各個節(jié)點遠程通信，通過觸控屏為用戶提供本地操控，并連接著服務器。主控制器選用阿波羅STM32F429IGX開發(fā)板，這是正點原子公司推出的基于ARM Cortex—M4內(nèi)核的開發(fā)板，最高主頻為180 MHz，該開發(fā)板具有豐富的板載資源，可滿足系統(tǒng)各方面要求，可使用keil5軟件進行開發(fā)。NRF24L01無線射頻模塊與節(jié)點相同。

使用ESP8266—12F作為WiFi通信模塊，ESP8266是樂鑫公司生產(chǎn)的低功耗高集成度的WiFi芯片，支持802.11 b/g/n 無線標準，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧[7]。本身可以承載程序來獨立執(zhí)行工作；也可以作為從機搭載到主機上，執(zhí)行主機的指令，起到Wi-Fi適配器的作用，ESP8266支持UART，SPI，I2C，GPIO等多種通信接口。

顯示屏為ATK—4342 RGBLCD，這是正點原子推出的高性能4.3寸RGB接口電容觸摸屏模塊，使用GT9147電容觸控芯片，支持24位真彩顯示，該屏幕易于安裝，可以滿足顯示控制界面的要求。主控制器上的模塊連接如圖3所示。

圖3 主控制器模塊連接

2.3 服務器

使用云服務器，入門級配置即可滿足需求。操作系統(tǒng)為CentOS7.3，是成熟、易用的Linux發(fā)行版。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 節(jié)點與主控制器通信

NRF24L01無線射頻模塊擁有6條工作通道，少于本系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量，不夠為節(jié)點一一分配，所以各節(jié)點模塊共同接收通道1的數(shù)據(jù)，設定節(jié)點編號，主控制器一對多以廣播形式向節(jié)點發(fā)送指令，節(jié)點發(fā)數(shù)據(jù)到通道2以被主控制器接收；為避免出現(xiàn)多個節(jié)點同一時間段向主控制器發(fā)送信息產(chǎn)生碰撞干擾問題，可以為通信方案加上防碰撞措施，如隨機延時重發(fā)、查詢樹算法等[8]，本文采用另一種方法，設計為節(jié)點只在收到指令后被動回應主控制器，不主動發(fā)送信息，也就不會出現(xiàn)同時發(fā)送，傳感器信息由主控制器向節(jié)點發(fā)指令索取，節(jié)點工作流程如圖4所示。

圖4 節(jié)點工作流程

3.2 主控制器程序

主控制器程序基于HAL固件庫開發(fā)，程序主要包含驅(qū)動各模塊運行、顯示操作界面、與節(jié)點的通信、與服務器的通信等內(nèi)容。操作界面提供預設操作、照明控制和查看傳感器數(shù)據(jù)功能。用戶可以通過界面左側的房間列表在多個房間中切換選擇，選擇房間后可以在二級列表中進一步選擇照明控制或查看傳感器，通過預設操作按鈕用戶可以一次執(zhí)行多個操作，如全開、全關。主控制器操作界面如圖5所示。

圖5 主控制器操作界面

3.3 網(wǎng) 站

網(wǎng)站包含登錄、選擇房間、照明控制和查看傳感器功能。網(wǎng)站基于PHP+MySQL+Apache架構，網(wǎng)站使用了后臺框架ThinkPHP，這是一種MVC結構的國產(chǎn)開源PHP框架，擁有快速、兼容、輕量化的特點，適合于中小型項目；網(wǎng)站使用了前端框架LayUI，這是一種輕量級模塊化前端框架，適合于快速開發(fā)界面；網(wǎng)站適配移動端以便于在手機上訪問，手機網(wǎng)頁如圖6所示。

圖6 手機網(wǎng)頁

3.4 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)節(jié)

主控制器作為客戶端，與服務器建立TCP連接，進而實現(xiàn)各種聯(lián)網(wǎng)功能。服務端：PHP提供Socket支持，Socket是套接字，基于TCP/IP通信協(xié)議，是對TCP/IP協(xié)議的抽象[9]，在編程語言中，通過使用類似于create,connect,send,read等Socket接口函數(shù)，人們可以方便地進行TCP通信。PHP自帶的Scoket函數(shù)只提供客戶端功能，不能監(jiān)聽端口以作為服務端，需要使用PHP的Socket擴展模塊來實現(xiàn)監(jiān)聽功能，本文使用了PHP的非官方擴展Swoole來搭建Socket通信服務端， Swoole是高性能異步網(wǎng)絡通信引擎，可以用于編寫TCP，UDP，HTTP，WebSocket 服務。首先選定一個端口作為服務端通信端口，服務器需將此端口設為對外開放；然后利用Swoole編寫服務端通信腳本，內(nèi)容主要包含監(jiān)聽之前選定的通信端口，對該端口設置TCP連接事件回調(diào)、接收事件回調(diào)等，在回調(diào)函數(shù)中進行事務邏輯處理；最后腳本在服務器上后臺運行，便形成了Socket通信服務端。

客戶端：主控制器通過ESP8266Wi-Fi模塊連接服務端，ESP8266模塊采用AT指令[10]，支持三種工作模式，AP(Access Point)模式、station模式、AP+station模式，本文使用station模式，即作為客戶端。主要使用指令“AT+CWMODE”選擇模式，指令“AT+CWJAP”連接Wi-Fi，指令“AT+CIPSTART”與服務端建立TCP連接，指令“AT+CIPMODE=1”開啟透明傳輸。

3.5 網(wǎng)頁指令下發(fā)

服務器與主控制器的通信由前文通信程序負責，網(wǎng)頁產(chǎn)生的控制指令最終需要由通信程序發(fā)送至主控制器，由于網(wǎng)頁不支持建立常規(guī)的Socket連接，網(wǎng)頁的控制指令無法直接發(fā)給通信程序，所以本文網(wǎng)頁控制指令照常以HTTP請求方式發(fā)送至網(wǎng)站后臺，再由網(wǎng)站后臺通過其他方式發(fā)給通信程序。

網(wǎng)站后臺與通信程序間可使用管道、共享內(nèi)存、Socket連接等方式進行跨進程通信，由于通信程序本身是一個Socket通信服務端，本文使用Socket連接方式，網(wǎng)站后臺獲取網(wǎng)頁控制指令后，通過建立Socket連接將指令發(fā)送至通信程序，然后關閉連接，最后再由通信程序?qū)⒅噶畎l(fā)送至主控制器，完成了指令的下發(fā)。

4 結束語

本文設計了基于STM32微處理器、STC12單片機、NRF24L01無線射頻模塊及ESP8266WiFi模塊的智能家居控制系統(tǒng)，提供本地觸控操作和遠程網(wǎng)頁操作。經(jīng)運行測試證明，該系統(tǒng)操作方便，延遲極小，運行穩(wěn)定。節(jié)點預留引腳方便擴展其他傳感器，可以為節(jié)點安裝紅外模塊來實現(xiàn)空調(diào)、電視等控制，可以為節(jié)點安裝光照傳感器以實現(xiàn)自動照明控制等。