張艮娟，倪敏珈

（東南大學成賢學院 電子與計算機工程學院，江蘇南京，210000）

1 研究背景及相關(guān)技術(shù)介紹

■ 1.1 研究背景

近年來,隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人們對生活舒適度提出了更高的要求,對家居智能化的需求也越來越大。智能家居是近來的熱門，它作為一個能夠滿足人類美好生活的產(chǎn)業(yè)，從而進入大家的視野中,目前智能家居該項目使用的微信小程序自上線以來，已經(jīng)收獲了大批的喜愛者，更加方便了人們的生活。在這個家居智能時代，很多用戶在挑選家居用品時會優(yōu)先選擇物美價廉并且具有一定智能化且方便使用的家居，而且微信小程序廣受用戶的好評，它毫無疑問是一個方便快捷的終端應用，在實現(xiàn)比較人性化的控制的同時能夠節(jié)省用戶的空間內(nèi)存。因此研究如何更好地實現(xiàn)微信小程序與智能家居相連,具有很重要的現(xiàn)實意義。

■ 1.2 Arduino

Arduino是一款具有方便靈活、容易上手等特點的開源電子原型平臺。它具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring的開發(fā)環(huán)境，并且構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版。主要包含兩個部分：其中一個是硬件部分，它用來做電路連接的Arduino電路板；另外一個則是Arduino IDE（計算機中的程序開發(fā)環(huán)境）。只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會告訴Arduino電路板要做些什么了，它能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。

■ 1.3 MQTT 協(xié)議

MQTT協(xié)議是一種消息列隊傳輸協(xié)議，它采用訂閱、發(fā)布機制，且訂閱者只能接收自己已經(jīng)訂閱的數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)則不接收。要確保必要的數(shù)據(jù)的交換，而不對非必要的數(shù)據(jù)進行儲存與處理。因此在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛的應用。MQTT使用的發(fā)布/訂閱消息模式，它提供了一對多的消息分發(fā)機制，從而實現(xiàn)與應用程序的解耦。這是一種消息傳遞模式，消息不是直接從發(fā)送器發(fā)送到接收器（即點對點），而是由MQTT server（或稱為 MQTT Broker）分發(fā)的。

2 系統(tǒng)總體方案

■ 2.1 設(shè)計思路

出于小程序操作簡單方便，容易上手，且不需要開發(fā)獨立app而選擇它來設(shè)計主要功能頁面，并能對頁面中相關(guān)功能進行打開或關(guān)閉，頁面主要包括溫濕度的顯示，燈和空調(diào)的開關(guān)以及自動報警器，本系統(tǒng)主要分為如下幾個方面：

2.1.1 遠程電燈的開關(guān)

當用戶因為出門著急而無法確定燈是否開關(guān)即可通過小程序查看等的開關(guān)狀態(tài)，來選擇操作，另外，用戶不需要起身去墻壁上按動開關(guān)按鈕，只需躺在床上，打開小程序界面進行開關(guān)，方便快捷。

2.1.2 窗簾的開關(guān)

可根據(jù)日照程度，用戶在家休息時，可根據(jù)微信小程序中光照度的顯示，當日光達到一定亮度時，可操作窗簾可以自動打開，到晚上時窗簾外部的傳感器感受不到日光，即可關(guān)閉，用戶也可遠程控制窗簾的開關(guān)，在不需要打開時選擇關(guān)閉。

2.1.3 溫濕度檢測的報警

室內(nèi)濕氣太重將會影響人的健康，所以小程序可以實時監(jiān)控室內(nèi)的溫度和濕度，將溫濕度過高即會發(fā)出報警信號，用戶可以參照不同時段的氣候，給溫濕度報警器設(shè)置限定值，同時可以在微信小程序主界面上查看當前的溫濕度。

2.1.4 煙霧報警器

用戶可以在離家之后，通過小程序提前打開煙霧報警器，煙霧濃度過高，LED燈將變紅，同時給周圍鄰居警醒的信號，用戶在微信小程序上就能查看煙霧濃度，實現(xiàn)不在家也能實時監(jiān)控家居狀態(tài)。

■ 2.2 系統(tǒng)設(shè)計流程

利用微信小程序工具開發(fā)界面，首先進行功能的劃分，主要功能包括溫濕度顯示與報警設(shè)置，空調(diào)、燈、窗簾的開關(guān)等，以及用戶登錄注冊頁面，再將模擬房間及溫濕度傳感器、燈、窗簾等狀態(tài)信息傳輸至Arduino，通過爬取數(shù)據(jù)，再利用MQTT協(xié)議進行軟硬件的通信，將數(shù)據(jù)傳至主界面，主界面使用javascript技術(shù)實現(xiàn)基本控制和動態(tài)交互，最后確保每個功能都能實現(xiàn)后，進行測試，達到預期效果。

3 硬件實現(xiàn)

■ 3.1 溫濕度傳感器

圖1 總體設(shè)計模式示意圖

圖2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖

溫濕度傳感器主要使用的是DHT11模塊，該模塊是一款具有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，它與一個高性能8位單片機相連接，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。其中溫度測量是將內(nèi)部的NTC測溫元件的阻值轉(zhuǎn)化成溫度，而濕度測量則是利用感濕元件，讓其阻值與濕度在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，從而反應相關(guān)數(shù)據(jù)。它們能將溫濕度進行精準測量，其溫度精度在-5℃~+5℃之間，濕度精度也在-5RH~+5RH之間。因此該產(chǎn)品具有較強的抗干擾能力、性價比高、品質(zhì)優(yōu)秀、反應速度快等優(yōu)點。每個DHT11傳感器一般都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。小體積、低功耗，信號傳輸通過傳感技術(shù)將當前空氣中的溫度及濕度顯示在數(shù)字模塊中，當空氣中的溫濕度超過設(shè)置閾值會發(fā)出警報聲。

■ 3.2 發(fā)光模塊

電燈作為家庭常用家居產(chǎn)品，且是一個消耗品，我們本系統(tǒng)采用的是LED燈管，它運用了二極管發(fā)光原理，比普通的節(jié)能燈效果更好，其壽命也是十分之久。我們所采用的發(fā)光模塊基于高節(jié)能、壽命長、多變幻、利環(huán)保、高新尖的特點，燈采用的是LED發(fā)光模塊。至于有引線的板子上，本系統(tǒng)采用紅色LED發(fā)光模塊和黃色LED發(fā)光模塊，黃色LED模塊主要用于實現(xiàn)正常的照明的遠程控制，我們可以通過微信小程序來控制家庭燈的開關(guān)，并可以實時查看到電燈的狀態(tài)；而紅色的LED模塊主要用于煙霧傳感器的報警。

■ 3.3 窗簾的遠程控制

窗簾作為一種日常家居，大多數(shù)需要我們手動控制。市面上已有的電動窗簾價格比較昂貴，結(jié)構(gòu)復雜，可靠性低，不能夠讓所有用戶都能很好享用。本系統(tǒng)窗簾的遠程控制主要使用STC89C51，這是一種8位的高性能工具。在窗簾的制動中充分發(fā)揮重要作用，且其具有簡單小巧，性價比高，可持續(xù)性長等優(yōu)點。同時可根據(jù)光敏電阻，判斷窗簾移動的距離，確定窗簾的開關(guān)狀態(tài)，即當光照變強，電阻變高，窗簾自動打開。本系統(tǒng)采用了微信小程序控制，實現(xiàn)遠程操作，改變布線復雜的不足，提高窗簾控制的智能化，讓用戶能夠更好地控制窗簾移動。

■ 3.4 煙霧傳感器

煙霧傳感器本系統(tǒng)使用MQ-2煙霧傳感器，該傳感器對于煙霧具有良好的靈敏感，可以實時檢測到煤氣等多種有毒可燃氣體，并立刻發(fā)出警報，其氣體探測的范圍也相對較高較為精準。其原理是與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會引起表面導電率的變化。通過這一點獲得煙霧存在信息，初始化單片機后包括初始化變量參數(shù)，當煙霧濃度變大時，模擬信號越大，單片機對信號進行處理，啟動報警電路，紅色LED燈開始閃爍。

■3.5 Arduino硬件開發(fā)平臺

本設(shè)計采用的是Arduino的硬件開發(fā)板，版本是Duemilanove，是目前使用人數(shù)最多，且最穩(wěn)定的版本，它具有開元、開放、簡單、跨平臺等特點，且在自動化、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)都廣泛應用，本設(shè)計以Arduino為核心，能夠更快的完成項目開發(fā)，減少開發(fā)時間的消耗和學習的成本，我們可以從硬件檢測裝置中采集數(shù)據(jù)，即通過連接到Arduino開發(fā)板上的傳感器來收集溫濕度、燈光、窗簾、煙霧報警器等信息。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

■ 4.1 界面整體布局

該頁面為主頁面，其中包括溫濕度、光照度、煙霧的顯示，報警器、客廳燈的開關(guān)。

■4.2 LED燈的遠程控制功能實現(xiàn)

本程序通過檢測當前串口的初始化狀態(tài)，來檢測LED燈的初始化狀態(tài)，用戶通過微信小程序界面的虛擬按鈕來控制LED等的開關(guān)。

先在控制臺創(chuàng)建名稱如客廳燈，在控制LED的引腳，初始化LED燈的狀態(tài)默認為關(guān)的狀態(tài)，再將燈的狀態(tài)傳至MQTT協(xié)議中，MQTT協(xié)議可使用簡單的0/1交互，0為關(guān)的狀態(tài)，1為開的狀態(tài)，再將數(shù)據(jù)傳至微信小程序，最終由微信小程序界面中的按鈕來控制燈的狀態(tài)，當用戶將等的狀態(tài)撥到開的狀態(tài)，將判斷是否連接MQTT協(xié)議，至LED傳感器的狀態(tài)上傳后，即刻執(zhí)行打開電燈的相關(guān)函數(shù)，開燈；關(guān)閉燈泡時，將改變MQTT字符為0，執(zhí)行關(guān)燈函數(shù)，滅燈。

圖3 主頁面布局圖

圖4 LED燈的遠程控制功能流程示意圖

圖5 窗簾的遠程控制的功能流程示意圖

■4.3 窗簾的遠程控制的功能實現(xiàn)

本程序通過微信小程序按下界面上的按鈕控制窗簾的打開狀態(tài)，當為打開狀態(tài)時，將為用戶自動打開窗簾，當?shù)礁鶕?jù)窗簾寬度所設(shè)置的打開限位的閾值點時，打開窗簾的動作將會自動停止，若當前按下控制窗簾的關(guān)閉鍵時，將為用戶自動關(guān)閉窗簾，當?shù)礁鶕?jù)窗簾寬度所設(shè)置的關(guān)閉限位的閾值點時，關(guān)閉窗簾的動作將會自動停止。

圖6 溫濕度的數(shù)據(jù)顯示及報警流程示意圖

圖7 煙霧報警流程示意圖

先判斷窗簾的初始化狀態(tài)及是否與MQTT協(xié)議連接后，對于窗簾的打開和關(guān)閉狀態(tài)，也是一個0/1交互的過程，設(shè)計主要程序語句，使用if和while等循環(huán)語句目的是為了對整個窗簾的程序進行判斷，當用戶在界面上按了打開或關(guān)閉按鈕時，會對于窗簾的位狀態(tài)行判斷，當執(zhí)行完語句操作時，同樣會對于程序的運行進行終止。

■4.4 溫濕度的數(shù)據(jù)顯示及報警

DHT11溫濕度傳感器將溫濕度上傳到MQTT服務器上，MQTT服務器實現(xiàn)與微信小程序的交互，將數(shù)據(jù)上傳至微信小程序中顯示。在程序編寫上，tempChange函數(shù)，當打開微信小程序時，立即發(fā)送信息數(shù)據(jù)wx sendMessage，如果連接成功即刻返回調(diào)用成功信息，如果連接失敗，則函數(shù)e調(diào)用失敗，返回服務器異常信息。定義DHT11的引腳，上傳默認傳感器時間為2s，判斷連接成功后，即刻獲取當前時間戳，當時間達到默認時間后，將當前濕度上傳。

■4.5 煙霧報警器的報警

MQ2煙霧傳感器首先給傳感器預熱，再進入監(jiān)控狀態(tài)連接微信小程序，先初始化串口信息Senor_AO和引腳信息Senor_DO，使煙霧的初始數(shù)據(jù)為0，采集煙霧濃度值，再上傳數(shù)據(jù)，當煙霧大于預先設(shè)定的閾值、微信小程序發(fā)送預警通知，同時LED亮紅燈，先設(shè)定LED的狀態(tài)LEDstatus=”LEDoff”,設(shè)定時間上傳時間為3秒intervial=3，執(zhí)行if語句，報警及立即執(zhí)行digtalWrite（A_LED，HiGH）。

5 結(jié)語

本項目在Arduino開發(fā)板上連接LED燈、窗簾、DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器，在開發(fā)板上連接WiFi模塊，再通過物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議來與微信小程序進行通信，完成一個智能家居控制系統(tǒng)。為用戶提供生活上的便利，實現(xiàn)智能化生活。該項目有多種功能供用戶選擇，用戶可以實時監(jiān)控家居的狀態(tài)，可以在微信小程序界面查看當前溫濕度、光照度、可選擇開關(guān)燈和窗簾，當溫濕度超過設(shè)定值時會立即發(fā)出警報聲，當煙霧濃度超過限定值時，報警燈會一直發(fā)出紅光，提醒用戶氣體異常。通過這樣一套系統(tǒng)，給用戶便捷的智能家居享受。