《基于Arduino與OneNET云平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)》11000字（論文）

基于Arduino與OneNET云平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，人們的物質(zhì)生活也大大改善，對(duì)生活質(zhì)量的要求也更加關(guān)注。因此，智能家居一問世就受到廣大居民的青睞。本系統(tǒng)是基于Arduino與OneNET云平臺(tái)的簡(jiǎn)易智能家居設(shè)計(jì)，主控模塊采用ArduinoATMEGA2560開發(fā)板，數(shù)據(jù)采集模塊包括DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、TSL2561光照強(qiáng)度傳感器、CO/CF-1000一氧化碳傳感器以及HC-SR501人體紅外傳感器，通過ESP8266無線網(wǎng)絡(luò)模塊將傳感器所采集的信息傳輸至OneNET中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，用戶可通過手機(jī)對(duì)室內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)掌握居家環(huán)境的各種信息。關(guān)鍵詞：Arduino;傳感器;網(wǎng)絡(luò)模塊;OneNET目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章緒論 頁第一章緒論1.1課題研究背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)等在人們的生活和工作中得到廣泛的應(yīng)用，給我們的生活方式帶來了很大的便利。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的風(fēng)潮和國(guó)家政策層面的大力支持與引導(dǎo)下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)得到快速的發(fā)展，在醫(yī)療衛(wèi)生、數(shù)字農(nóng)業(yè)、智能交通、家居生活等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。近兩年智能家居作為智慧城市的核心組成部分之一，如沐春風(fēng)般地迅速發(fā)展起來，智能家居正在被越來越多的人所接受。在國(guó)內(nèi)一些經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的城市，智能家居有一定的應(yīng)用，但實(shí)現(xiàn)大眾化還有一定的距離。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)，因?yàn)椴捎玫耐ㄐ欧绞绞怯芯€的，因此它的信號(hào)傳輸比較穩(wěn)定，傳輸?shù)乃俣认鄬?duì)也較快，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無線通信所不及的。但是，它也有自身的弊端，那就是需要大量復(fù)雜的布線，成本比無線通信要高出很多，使用不夠便捷，系統(tǒng)也不能很好地?cái)U(kuò)展。綜合對(duì)比，無線通信技術(shù)以其價(jià)格低廉、低消耗、高靈活度的優(yōu)勢(shì)，逐漸占據(jù)智能家居的主流，被廣泛應(yīng)用。本文通過Wi-Fi等無線傳輸?shù)姆绞?，結(jié)合Arduino開發(fā)平臺(tái)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套適合大眾的簡(jiǎn)易智能家居系統(tǒng)。1.2智能家居國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1智能家居國(guó)外研究現(xiàn)狀智能家居，在上個(gè)世紀(jì)八十年代以前，都只是科學(xué)家們提出的抽象概念，人們對(duì)“智能”一詞顯然是沒有直觀的認(rèn)識(shí)，直到美國(guó)聯(lián)合科技公司建成世界上第一棟智能建筑，智能家居才逐漸走入人們的視線。緊隨其后，世界上的發(fā)達(dá)國(guó)家就投入到智能領(lǐng)域中來，尤其是智能家居，人們居家生活智能化將會(huì)是一個(gè)大趨勢(shì)，因此，智能家居領(lǐng)域的發(fā)展非常快，歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家在智能家居系統(tǒng)中提出一個(gè)又一個(gè)具體方案，推動(dòng)了智能家居的飛速發(fā)展。最早開始智能家居系統(tǒng)研發(fā)的是美國(guó)，他們的技術(shù)實(shí)力非常先進(jìn)，以智能家居建筑為主，里面涵蓋了很多智能高科技，最有名的當(dāng)屬比爾蓋茨創(chuàng)建的“未來之屋”?！拔磥碇荨笔峭ㄟ^網(wǎng)絡(luò)將建筑內(nèi)的所有家居設(shè)備都連接起來，控制中心只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就能夠?qū)λ屑揖舆M(jìn)行控制。它之所以能夠成為代表性智能家居建筑，是因?yàn)樗募夹g(shù)和理念都比較超前，成為智能家居以及其他智能領(lǐng)域的教科書，是智能家居系統(tǒng)的引航者。隨著科技的發(fā)展，智能家居不再成為一種遙不可及的“科技成品”，也逐漸走進(jìn)大眾家庭，人們對(duì)智能、舒適、便捷的家居生活開始關(guān)注起來，對(duì)各類智能家居的需求也越來越多。因此，眾多的科技公司也紛紛加入到智能家居的開發(fā)中，整個(gè)智能家居市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)開始激烈起來。比如蘋果公司，在2014年研發(fā)了HomeKit智能家居平臺(tái)，該平臺(tái)支持所有蘋果設(shè)備用戶的使用，無論是手機(jī)、平板還是電話手表，都可以通過HomeKit來對(duì)室內(nèi)所有智能家居進(jìn)行控制。使用時(shí)，只需要將智能家居和iOS操作系統(tǒng)進(jìn)行配對(duì)連接，便可以通過Siri命令進(jìn)行語音操控，比如“關(guān)閉窗簾”、“打開空調(diào)”等等。另一家電子行業(yè)的巨頭——谷歌，在2014年收購(gòu)了Nest公司，自此也加入了智能家居的領(lǐng)域。它利用自己強(qiáng)大的搜索引擎技術(shù)，將人工智能和語言處理技術(shù)融合在一起，然后融入到GoogleHome中，這樣就可以通過語音來控制智能家居設(shè)備。1.2.2智能家居國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的智能家居起步較晚，技術(shù)和應(yīng)用都還在初級(jí)階段。不過在近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷提升，科技實(shí)力也隨之提高，我國(guó)智能家居市場(chǎng)急劇擴(kuò)大，各大科技公司以及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)將目光投向了智能科技，就連傳統(tǒng)的家電企業(yè)也開始加入，所研發(fā)出來的產(chǎn)品都加以“智能”冠名，比如智能掃地機(jī)、智能咖啡機(jī)等等，這足以說明智能家居的市場(chǎng)前景是非常光明、利好的。其代表有，海爾公司推出的U-home智能家居系統(tǒng)，美的智慧家居M-Smart系統(tǒng)以及移動(dòng)、阿里的智能家居平臺(tái)等等。國(guó)內(nèi)的智能家居行業(yè)充分汲取了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，然后進(jìn)行研究創(chuàng)新，使智能家居技術(shù)在短短時(shí)間內(nèi)呈飛躍式發(fā)展?？偨Y(jié)我國(guó)智能家居的發(fā)展歷程，可以分為三個(gè)階段：第一階段：智能家居設(shè)備單品智能化，就是可以通過客戶端對(duì)家庭內(nèi)的單個(gè)智能家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，比如空調(diào)、電燈、電扇等，各電氣設(shè)備之間不能夠互通。第二階段：這里指的是只能家居設(shè)備之間可以進(jìn)行感應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，也可以實(shí)現(xiàn)多種控制效果。例如：溫濕度傳感器和空調(diào)、加濕器三者之間的互動(dòng)，當(dāng)室內(nèi)溫度（濕度）達(dá)到所設(shè)定的值空調(diào)（加濕器）自動(dòng)開啟或者關(guān)閉；光照傳感器和照明設(shè)備、自動(dòng)窗簾三者之間的互動(dòng)，當(dāng)室內(nèi)光照值達(dá)到預(yù)定值可以自動(dòng)開啟或者關(guān)閉照明設(shè)備（窗簾）。第三階段：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化。這里是指智能家居設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)信息互通，不用人為再去操作，只要傳感器采集到的信息進(jìn)行互通，其他設(shè)備就會(huì)自己開啟，比如：當(dāng)廚房的油煙機(jī)發(fā)現(xiàn)油煙量太大，客廳和臥室的凈化器就會(huì)自動(dòng)開啟去除異味、吸附油煙功能。1.3文章結(jié)構(gòu)本論文設(shè)計(jì)的是基于Arduino與OneNET云平臺(tái)的簡(jiǎn)易智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過各類傳感器，將室內(nèi)所采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了居家環(huán)境的舒適、安防等智能化。第一章：緒論部分。該部分主要介紹了智能家居的研究背景以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)該設(shè)計(jì)的文章結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。第二章：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)分析。是對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及要實(shí)現(xiàn)的具體功進(jìn)行分析，并詳細(xì)闡述了智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及到的相關(guān)技術(shù)，主要包括Arduino開發(fā)板和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的介紹。第三章：智能家居控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。該部分分為幾大模塊，首先是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，其次是數(shù)據(jù)采集模塊，然后是無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、主控模塊、以及電源模塊等，對(duì)每一個(gè)硬件模塊的原理圖進(jìn)行分析。第四章：智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。分析軟件功能設(shè)計(jì)，繪制整體系統(tǒng)流程圖，結(jié)合硬件模塊進(jìn)行相應(yīng)的軟件程序的編寫，實(shí)現(xiàn)硬件模塊的具體功能。第五章：智能家居控制系統(tǒng)的檢測(cè)與調(diào)試，對(duì)智能家居控制系統(tǒng)整體進(jìn)行測(cè)試，保證智能家居控制系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與相關(guān)技術(shù)分析2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，越來越多的領(lǐng)域開始進(jìn)入智能化，無論是企業(yè)生產(chǎn)還是個(gè)人居家生活，物聯(lián)網(wǎng)以及無線通信技術(shù)都無處不在。農(nóng)業(yè)方面有智能大棚，生活方面有智能家居，交通方面有智能避障小車等等。智能家居之所以更受人們的關(guān)注是因?yàn)槿藗儗?duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，舒適、便捷、環(huán)保等，這是當(dāng)下人們對(duì)居家環(huán)境的需求。因此，智能家居的發(fā)展具有廣闊的前景。為了滿足人們對(duì)居家的需求，智能家居系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中要注意一下幾個(gè)原則：首先是穩(wěn)定原則，任何一個(gè)產(chǎn)品，如果其性能不夠穩(wěn)定，它的功能就不能夠保證穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，勢(shì)必會(huì)影響用戶的體驗(yàn)，逐漸就被市場(chǎng)淘汰。其次是簡(jiǎn)易操作原則，一個(gè)新產(chǎn)品的研發(fā)，其目的就是為了使用，如果操作繁瑣或困難，就失去了它本身的意義，尤其是“智能化”產(chǎn)品，講究的就是操作便捷，容易上手。第三是普適性原則，即適合普通大眾的智能家居設(shè)計(jì)，無論是其功能還是成本，都要考慮普通家庭的實(shí)際需求和經(jīng)濟(jì)承受能力，以實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)，避免華而不實(shí)的功能，滿足普通家庭的使用要求。第四是可擴(kuò)展性原則，智能家居系統(tǒng)必須要具備可擴(kuò)展性，因?yàn)槊鎸?duì)的智能家居設(shè)備是在不斷地更新和升級(jí)的，且不同廠家的智能產(chǎn)品其自身的技術(shù)都會(huì)有所差異，如果系統(tǒng)不可兼容和擴(kuò)展，在使用過程中遇到損壞且其同類產(chǎn)品又不能代替時(shí)，就會(huì)造成很大的損失，使用起來也不方便。第五是可維護(hù)性原則，產(chǎn)品的使用都有自身的期限，或者是在使用過程中出現(xiàn)意外故障，智能家居系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)的維護(hù)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。2.2物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)最近幾年，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的促進(jìn)之下，無線通信技術(shù)的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，并且展現(xiàn)出了較為突出的應(yīng)用效果。從本質(zhì)意義上來講，無線通信技術(shù)實(shí)質(zhì)上是短距離通信領(lǐng)域的一個(gè)分支，在實(shí)際生產(chǎn)生活之中，短距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用范圍更為廣泛、應(yīng)用效果更為突出，但是系統(tǒng)在工作過程之中會(huì)向外傳輸一些小量的突發(fā)信號(hào)，特征數(shù)量非常少，并且需要信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?；诖耍藗兤谕x取一些綜合成本低、傳輸質(zhì)量高、功耗低的通信技術(shù)?，F(xiàn)階段，在無線通信領(lǐng)域之中，應(yīng)用較為普遍的無線短距離通信技術(shù)包括多種，具體分析如下：（1）藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）1999年，IBM、因特爾等多家企業(yè)經(jīng)過大量的研究分析以及論證，研發(fā)出一種新型短距離傳輸技術(shù)，即藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）。對(duì)于藍(lán)牙傳輸來講，其實(shí)質(zhì)上應(yīng)用范圍最為廣泛的一種無線短距離傳輸技術(shù)，大部分手機(jī)中均配設(shè)了藍(lán)牙技術(shù)，其主要是利用快跳幀、短包技術(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其工作頻率一般保持在ISM（2.4GHz）左右，而最高傳輸速率可以達(dá)到1Mbps左右，能夠在多種設(shè)備間實(shí)現(xiàn)高效化傳輸，提高了移動(dòng)設(shè)備之間的通信效率，例如車載藍(lán)牙、手機(jī)藍(lán)牙等。藍(lán)牙技術(shù)具備諸多突出性優(yōu)點(diǎn)，如速率快、簡(jiǎn)單便捷等。在智能家居領(lǐng)域之中，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用不是特別廣泛，主要是由于該技術(shù)的通訊距離非常短，一般需要在10m之內(nèi)進(jìn)行傳輸，若超過該距離，那么將會(huì)出現(xiàn)中斷。另外，藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，族網(wǎng)絡(luò)靈活性也比較差，這些缺點(diǎn)對(duì)藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展、推廣等均產(chǎn)生了嚴(yán)重阻礙。（2）紅外技術(shù)（IrDA）對(duì)于紅外技術(shù)來講，其最大特點(diǎn)便是傳輸速率快，主要是利用是紅外線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康模瑐鬏斔俾首罡呖梢赃_(dá)到16Mbps左右。一般情況下，紅外線信號(hào)、設(shè)備之間的距離需要保持在10m范圍之內(nèi)，并且無任何障礙以及遮擋物。另外，紅外技術(shù)具備安全性高、綜合成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但是基于其傳輸距離有限、并且無法穿越障礙，所以應(yīng)用范圍也比較小，不適宜在智能家居系統(tǒng)之中進(jìn)行推廣應(yīng)用。（3）射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）對(duì)于射頻識(shí)別技術(shù)來講，其主要是利用無線電訊號(hào)對(duì)一些特定目標(biāo)進(jìn)行高效化識(shí)別，然后在此基礎(chǔ)之上對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線自動(dòng)識(shí)別的目的。對(duì)于無線電訊號(hào)來件，其一般是利用電磁場(chǎng)進(jìn)行發(fā)射，核心作用是把信息數(shù)據(jù)從某一個(gè)物體之上快速傳輸給另外一個(gè)物體，進(jìn)而達(dá)到兩個(gè)物質(zhì)的高效化識(shí)別。在科學(xué)技術(shù)水平飛速化發(fā)展的時(shí)代環(huán)境之下，物體可以利用電磁場(chǎng)所蘊(yùn)含的能量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效化傳輸，無需通過外部電池，具備節(jié)能環(huán)保的特征。一般情況下，需要把信息直接存儲(chǔ)于標(biāo)簽之中，將兩個(gè)物體進(jìn)行接近，便可以由此實(shí)現(xiàn)快速化數(shù)據(jù)讀取的目的，在日常中發(fā)揮了重要作用，比如飯卡、門禁卡等。但是該項(xiàng)技術(shù)也具備一些明顯缺點(diǎn)，例如極易受到外部磁場(chǎng)的影響，并且也會(huì)消磁，安全性無法得到保障。（4）Wi-Fi技術(shù)(WirelessFidelity)從嚴(yán)格意義上來講，Wi-Fi技術(shù)主要是將IEEE802.11為基礎(chǔ)，經(jīng)過多次優(yōu)化以及改進(jìn)之后而發(fā)展的一種無線通信協(xié)議，其對(duì)物理層、MAC層進(jìn)行了精準(zhǔn)化定義，同時(shí)還把TCP/IP協(xié)議直接定義為網(wǎng)絡(luò)層的一個(gè)特殊性協(xié)議。對(duì)于WiFi技術(shù)來講，其歷經(jīng)多年發(fā)展，研發(fā)出了諸多版本，如IEEE802.11a、IEEE802.11b等?，F(xiàn)階段，IEEE802.11b版本的應(yīng)用范圍最廣，傳輸效果最佳。另外，對(duì)于IEEE802.11b版本，在2.4GHZ頻段上進(jìn)行傳輸，可以在100m范圍內(nèi)進(jìn)行高效化傳輸。與此同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的高效化傳輸，利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高效化協(xié)調(diào)，以此實(shí)現(xiàn)快速化傳輸數(shù)據(jù)的目的，當(dāng)附近產(chǎn)生一些干擾信號(hào)時(shí)，還可以利用調(diào)整帶寬的形式進(jìn)行處理，以此提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定性。對(duì)于該技術(shù)來講，其組網(wǎng)形式非常靈活，并且數(shù)據(jù)傳輸速率非常快，但是該技術(shù)也具備一個(gè)顯著化的缺點(diǎn)，即協(xié)議棧的開發(fā)過程較為繁瑣、開發(fā)周期長(zhǎng)，并且功耗非常高。（5）ZigBee技術(shù)對(duì)于ZigBee技術(shù)而言，其是在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上經(jīng)過多次優(yōu)化以及改進(jìn)之后而研發(fā)出的一種新型技術(shù)，其具備功耗低、復(fù)雜度低、成本低等諸多突出性優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，對(duì)于ZigBee技術(shù)來講，其可以在三個(gè)頻段上進(jìn)行工作，即2.4GHz、915MHz、868MHz，其傳輸距離約為75m，但是利用調(diào)整ZigBee模塊的形式可以進(jìn)一步延長(zhǎng)其通信距離。ZigBee技術(shù)所應(yīng)用的組網(wǎng)形式可以實(shí)現(xiàn)自我管理的目的，并且其功耗非常低，能夠利用路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高效化擴(kuò)展，建構(gòu)一個(gè)較為穩(wěn)定、高效的無線局域網(wǎng)絡(luò)，所以其通常被應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸速率不太高的場(chǎng)合，可以發(fā)揮出較為突出的應(yīng)用效果。2.3Arduino開發(fā)板分析ArduinoMega2560開發(fā)板是目前應(yīng)用范圍較廣、效用效果較佳的一種是開源硬件，在提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合性能方面發(fā)揮著重要作用。由于該開源硬件得到了極為廣泛化的應(yīng)用，所以有很多人員會(huì)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上針對(duì)該方面分享一些開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)在開發(fā)應(yīng)用過程中面臨一些難題時(shí)，也可以在社區(qū)之中快速找出問題解決方案。當(dāng)對(duì)智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)以及設(shè)計(jì)的過程之中，若選用ArduinoMega2560開發(fā)板，那么不但需要對(duì)上述兩方面因素進(jìn)行綜合性考量，還需要對(duì)其它因素進(jìn)行分析，例如文檔資料、接口、成本等，下圖1詳細(xì)展示了該開發(fā)板的外觀結(jié)構(gòu)，具體如下：圖1ArduinoMega2560開發(fā)板ArduinoMega2560在具體應(yīng)用過程中還包含諸多特性，具體為：JTAG支持編程，可以快速對(duì)各方面問題進(jìn)行處理；閃存較大，能夠在極短的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)一些大體積程序進(jìn)行快速化處理；可以與其它類型的模塊進(jìn)行互聯(lián)互通，應(yīng)用范圍廣泛等。從嚴(yán)格意義上來講，對(duì)于ArduinoMega2560來講，其實(shí)質(zhì)上是以ArduinoMega為基礎(chǔ)而開發(fā)的一個(gè)新型產(chǎn)品，通常被應(yīng)用在一些相對(duì)較為復(fù)雜的項(xiàng)目之中。2.4物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)來講，其實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大數(shù)據(jù)處理中心，可以實(shí)現(xiàn)諸多較為豐富的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能，在物與物之間的對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行高效化傳輸。從數(shù)據(jù)層面上進(jìn)行分析，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是系統(tǒng)的核心所在，云平臺(tái)、傳感器之間應(yīng)當(dāng)做好各方面聯(lián)系，并且還要將各類信息數(shù)據(jù)快速反饋給用戶端。換而言之，對(duì)于云平臺(tái)來講，其可以接收到傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息，與此同時(shí)，云服務(wù)器還可以提供一個(gè)高端化、穩(wěn)定化的通信接口，確保用戶可以利用該接口發(fā)送指令，對(duì)云平臺(tái)之中所存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行快速化查詢，利用指令來控制傳感器節(jié)點(diǎn)。對(duì)于諸多物聯(lián)網(wǎng)方案提供商來講，其在研究設(shè)計(jì)方面也提出過諸多云平臺(tái)方案，但是對(duì)于所提供的方案、問題解決思路來講，僅能對(duì)一些特定化問題進(jìn)行處理，并未對(duì)外進(jìn)行公布。但是對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺(tái)來講，無論是在開發(fā)階段，還是在服務(wù)器集群架設(shè)階段，均提出了相對(duì)較為完善化、合理化的方案，對(duì)于廣大開發(fā)者來講，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及搭建效率得到了極大地提升，并且各方面成本也明顯降低。本文在研究分析的過程之中，引入了物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺(tái)，選用移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)設(shè)備云平臺(tái)OneNET。第三章智能家居控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1智能家居控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)了一款智能家居控制系統(tǒng)，應(yīng)用了Arduino技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)居家環(huán)境的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防火防盜等諸多功能，并且還可以與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。若根據(jù)目前的電子產(chǎn)品開發(fā)思路，需遵循低功耗、小型化等要求，所以本文在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程之中，綜合多方面因素考慮，選用了Arduino電子開發(fā)板，而在無線通信技術(shù)方面，則選用了Wi-Fi技術(shù)，利用無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)互通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的高效化控制，并及時(shí)顯示各類報(bào)警信息數(shù)據(jù)。下圖3.1詳細(xì)展示了本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，詳情如下：圖3.1智能家居控制系統(tǒng)框圖3.2數(shù)據(jù)采集模塊3.2.1溫濕度傳感器模塊圖3.2DHT11溫濕度檢測(cè)模塊在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，本文選取了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其是把數(shù)字信號(hào)采集、溫濕度傳感技術(shù)進(jìn)行深度融合，不但擁有相對(duì)比較高的安全可靠性，并且應(yīng)用壽命也比較長(zhǎng)。DHT11溫濕度傳感器包含NTC測(cè)溫元件、電阻式感濕原件，而本文在設(shè)計(jì)過程中為了實(shí)現(xiàn)高效化控制，還外接了一個(gè)單片機(jī)。發(fā)送開始信號(hào)后，DHT11的模式便由低轉(zhuǎn)高，對(duì)于DATA引腳來講，其將會(huì)對(duì)外輸出40bit數(shù)據(jù)，此時(shí)便會(huì)對(duì)相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。當(dāng)工作模式調(diào)整為“從模式”時(shí)，DHT11傳感器便會(huì)收到開始信號(hào)，同時(shí)還會(huì)對(duì)溫濕度信息進(jìn)行高效化采集，并由此實(shí)現(xiàn)一次觸發(fā)動(dòng)作。信息采集工作結(jié)束后，工作模式便會(huì)自動(dòng)調(diào)整為低功耗。3.2.2煙霧傳感器模塊2本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在煙霧信息采集模塊主要選用了MQ-2煙霧傳感器，以此對(duì)室內(nèi)火災(zāi)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及采集。對(duì)于MQ-2煙霧傳感器來講，對(duì)于一些易燃物品的煙霧具備非常高的靈敏度，如烷類氣體、液化氣等，因此可以對(duì)室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行高效化監(jiān)控。對(duì)于此傳感器來講，主要是利用Sn0生產(chǎn)加工其氣敏材料，對(duì)于此種材料來講，其電導(dǎo)率非常低。一般情況下，無論是在家庭防火方面，還是在工業(yè)生產(chǎn)方面，該煙霧傳感器的應(yīng)用范圍均非常廣泛，下圖3.3詳細(xì)展示了MQ-2煙霧傳感器電路原理，具體如下：2圖3.3MQ-2煙霧傳感器電路原理圖當(dāng)對(duì)MQ-2煙霧傳感器進(jìn)行安裝的過程之中，還需要對(duì)安裝地點(diǎn)、火源發(fā)生概率高地點(diǎn)之間的距離進(jìn)行把控。如果安裝距離相對(duì)較近，那么傳感器會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)感應(yīng)到濃度較高的煙霧，由此產(chǎn)生誤報(bào)警問題。反之，若安裝距離較遠(yuǎn)，那么所感應(yīng)到的煙霧濃度較弱，無法第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警，所以要結(jié)合實(shí)際情況選定恰當(dāng)?shù)陌惭b距離。3.2.3光照強(qiáng)度傳感器模塊在光照系統(tǒng)方面，綜合多方面因素考慮之后，選用了TSL2561型光照強(qiáng)度傳感器，對(duì)該傳感器來講，其具備下列五個(gè)方面的特征，具體如下：（1）可以實(shí)現(xiàn)中斷申請(qǐng)，若光照強(qiáng)度高于門限值，那么此傳感器便會(huì)觸發(fā)中斷申請(qǐng)功能。（2）可以利用編程的形式對(duì)數(shù)字量輸出頻率、模擬量增益進(jìn)行高效化分析以及調(diào)整。（3）對(duì)于數(shù)字輸出接口來講，其滿足12C總線協(xié)議。（4）外觀結(jié)構(gòu)較小，功耗也非常低。（5）當(dāng)外部出現(xiàn)工頻干擾信號(hào)時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行抑制，減少不良影響。下圖3.4詳細(xì)展示了TSL2561與arduino連接電路圖，具體如下：arduino3.2.4一氧化碳傳感器在一氧化碳監(jiān)測(cè)方面，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)綜合多方面因素考慮，最終決定選用CO/CF-1000傳感器實(shí)現(xiàn)該方面功能，其屬于一種電流型傳感器。在具體工作應(yīng)用的過程之中，為了更好地進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分量化，還必須要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)電壓信號(hào)急性放大處理，下圖3.5詳細(xì)展示了放大電路，具體如下：圖3.5一氧化碳傳感器信號(hào)放大電路圖3.2.5人體紅外傳感器模塊在人體紅外感應(yīng)模塊，本文在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程之中對(duì)多方面因素進(jìn)行了綜合性考量，最終決定選用HC-SR501，其具備靈敏度極高的特征，應(yīng)用范圍也非常廣泛。下表3.1詳細(xì)列出了HC-SR501的各項(xiàng)參數(shù)，具體如下：表3.1 HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊電氣參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)HC?SR501人體感應(yīng)模塊工作電壓范圍直流電壓靜態(tài)電流<50uA電平輸出高觸發(fā)方式L延時(shí)時(shí)間0.5?200S（可調(diào)）可制作范圍零點(diǎn)幾秒?幾十分鐘封鎖時(shí)間2.5S（默認(rèn)）可制作范圍零點(diǎn)幾秒?幾十秒電路板外形尺寸32mm?24mm感應(yīng)角度<100度錐角工作溫度?15?+70度感應(yīng)透鏡尺寸直徑：23mm（默認(rèn)）產(chǎn)品型號(hào)HC?SR501人體感應(yīng)模塊其具備下列七個(gè)方面的特征，具體如下：自動(dòng)感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入到感應(yīng)范圍時(shí)，電路將轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑粗?，若人離開感應(yīng)區(qū)，電路將自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)。（2）輸出高電平信號(hào)：可與各類電路進(jìn)行對(duì)接。（3）光敏控制：利用光敏控制功能能夠在光照較強(qiáng)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)不會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。（4）低功耗：靜態(tài)電流一般在50微安之下，擁有較為突出的節(jié)能效果。（5）工作電壓范圍：在4.5V-20V區(qū)間內(nèi)。（6）觸發(fā)方式：主要可以分為兩種類型，其一是重復(fù)觸發(fā)方式、其二是不可重復(fù)觸發(fā)方式。對(duì)于前者來講，當(dāng)輸出高電平信號(hào)之后，處在延遲時(shí)間區(qū)間內(nèi)，如果感應(yīng)范圍內(nèi)有人進(jìn)入，那么將繼續(xù)保持高點(diǎn)平狀態(tài)，一直到人離開感應(yīng)區(qū)之后，才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)。（7）溫度補(bǔ)償：當(dāng)溫度處于30℃-32℃區(qū)間內(nèi)，探測(cè)距離便會(huì)漸漸變短，而對(duì)于溫度補(bǔ)償功能來講，可以對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償處理。3.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊在整個(gè)智能家居室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)是最重要、最核心的一個(gè)模塊，其主要功能是采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。本文在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程之中，綜合多方面因素考慮，最終決定選用WiFi模塊，將核心主控板、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效化對(duì)接，而對(duì)于智能是家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)來講，可以把WiFi、Arduinomega2560進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)各方面通信功能。對(duì)于WiFi模塊來講，其主要應(yīng)用ESP8266模塊，其具備成本低、性能高的特點(diǎn)。現(xiàn)階段，對(duì)于大多數(shù)廠家來講，關(guān)于ESP8266芯片的開發(fā)已經(jīng)較為成熟，而開發(fā)者可以在此基礎(chǔ)之上以較低的成本成功設(shè)計(jì)出一些具備個(gè)性化功能的智能產(chǎn)品，對(duì)于該芯片來講，其不但可以應(yīng)用AP模式下，同時(shí)還可以應(yīng)用在Station模式、混合模式下。對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來講，主要是通過AT指令開展相關(guān)控制工作，下圖3.6詳細(xì)展示了WiFi模塊的電路，具體如下：圖3.6WiFi模塊電路3.4主控模塊在主控模塊設(shè)計(jì)方面，選用了ArduinoATMEGA2560R3開發(fā)板，其擁有USB接口，可以實(shí)現(xiàn)54路數(shù)字輸入輸出功能，被廣泛應(yīng)用于IO接口相對(duì)較多的電子設(shè)備系統(tǒng)方面。對(duì)于該開發(fā)板來講，主要應(yīng)用了ATmega2560處理器，擁有54路數(shù)字輸入與輸出口，配設(shè)了晶體振蕩器、USB接口、復(fù)位按鈕、電源插座等。下圖3.7、圖3.8分別展示了該開發(fā)板的實(shí)物圖以及電路圖，具體如下：圖3.7ArduinoATMEGA2560R3開發(fā)板實(shí)物圖圖3.8ArduinoATMEGA2560R3原理圖3.5繼電器模塊和LED燈對(duì)于繼電器模塊來講，其核心作用便是對(duì)信號(hào)進(jìn)行高效化傳輸，并且還可以對(duì)多個(gè)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。而對(duì)于LED來講，其是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可見光。對(duì)于這兩個(gè)模塊而言，均可以通過APP進(jìn)行直接操控，當(dāng)OneNET網(wǎng)站發(fā)出控制指令之后，單片機(jī)會(huì)根據(jù)所接受的信號(hào)指令來對(duì)兩個(gè)模塊進(jìn)行操控。3.6電源模塊對(duì)于CC2530來講，其一般是在2.0-3.6V區(qū)間內(nèi)工作，而對(duì)于電源電路來講，其能夠?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)提供一個(gè)非常穩(wěn)定的3.3V電源，下圖3.9詳細(xì)展示了電源模塊的電路，具體如下：圖3.9電源模塊電路第四章智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)流程ArduinoSensorSheildV2.0利用串口將AT指令快速發(fā)出，并由此對(duì)ESP8266WiFi模塊進(jìn)行高效化操控。當(dāng)模塊在成功開機(jī)之后，便會(huì)對(duì)附近網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)搜索，并與定義過之后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，當(dāng)成功連接上WiFi后，將會(huì)直接與OneNET網(wǎng)站進(jìn)行TCP連接，把采集的信息直接發(fā)送于OneNET網(wǎng)站。OneNET網(wǎng)站接收到信息數(shù)據(jù)之后，將會(huì)對(duì)其進(jìn)行可視化處理，并且將發(fā)送控制指令的功能添加其中，單片機(jī)接收到控制指令后，控制模塊也會(huì)自動(dòng)響應(yīng)。下圖4.1詳細(xì)展示了系統(tǒng)初始化流程，具體如下：圖4.1系統(tǒng)初始化流程圖4.2主控程序設(shè)計(jì)對(duì)于主控制模塊程序來講，其包含多方面內(nèi)容，例如無線Wi-Fi模塊串口圖形化程序、LCD1602液晶屏圖形化程序程序等。傳感器模塊對(duì)穩(wěn)定是否在合理區(qū)間內(nèi)進(jìn)行分析以及判定，若超出正常范圍，立即判斷煙霧數(shù)值，若同樣超出設(shè)定值，那么還會(huì)對(duì)火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)值進(jìn)行分析，若其也高于設(shè)定值，那么表明監(jiān)測(cè)環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生了火災(zāi)，并立即利用Wi-Fi模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào)。若溫度值在設(shè)定區(qū)間內(nèi)，那么將會(huì)對(duì)光敏電阻數(shù)值進(jìn)行判定，若其超出預(yù)設(shè)范圍，那么還要對(duì)是否為晚上進(jìn)行分析以及判斷，若已經(jīng)達(dá)到了夜晚，那么需要對(duì)熱釋電傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及對(duì)比，若高于預(yù)設(shè)區(qū)間，那么表明有人進(jìn)入到監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，并立即利用Wi-Fi模塊發(fā)送盜竊信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。無線接收節(jié)點(diǎn)模塊程序流程圖如下圖所示：圖4.2主控模塊程序流程圖4.3數(shù)據(jù)采集流程圖4.3傳感器數(shù)據(jù)上傳流程（1）溫濕度傳感器代碼如下：使用DHT11溫濕度傳感器的庫<dht11.h>，intchk=DHT11.read（DHT11PIN）;//串口調(diào)試DHT11輸出信息

DebugSerial.print（"Readsensor："）;switch（chk）{caseDHTLIB_OK：DebugSerial.println（"OK"）;

break;

caseDHTLIB_ERROR_CHECKSUM：

DebugSerial.println（"Checksumerror"）;

break;

caseDHTLIB_ERROR_TIMEOUT：

DebugSerial.println（"Timeouterror"）;

break;

default：

DebugSerial.println（"Unknownerror"）;

break;

}（2）火焰?zhèn)鞲衅鞑糠殖绦虼a如下：intflams=A5;intBeep=8intval=0Voidloop(){pinMode(BeepOUTPUT);pinMxle(flams,INPUT);Serial.begin(9600);}voidloop(){Val=analogRead(flame);Aerial.prinin(val);If(val>=600){digitalWrite(Beep,HIGH);}else{digitalWrite(Beep,LOW);}}（3）煙霧傳感器部分程序代碼如下：intsmoke=6intthief=7intBeep=8voidsetup(){pinMode(smoke,INPUT);pinMode(thief,INPUT);pinMode(Beep,OUTPUT);}voidloop(){if((digitalRead(smoke))||(!((digitalRead(thief))))){digitalWrite(Beep,HIGH);}else{digitalWrite(Beep,LOW);}}

（4）使用ESP8266連接路由器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNET服務(wù)器。

if（sendCommand（"AT＼r＼n"，"OK"，1000，10）==Success）;

elseESP8266_ERROR（5）;

clrEsp8266RxBuffer（）;

if（sendCommand（"AT+CWMODE=1＼r＼n"，"OK"，3000，10）==Success）;

elseESP8266_ERROR（7）;

clrEsp8266RxBuffer（）;

charcmd[50];

strcpy（cmd，"AT+CWJAP=＼""）;

strcat（cmd，ssid）;

strcat（cmd，"＼"，＼""）;

strcat（cmd，password）;

strcat（cmd，"＼"＼r＼n"）;

if（sendCommand（cmd，“OK”，20000，10）==Success）;

elseESP8266_ERROR（8）;

clrEsp8266RxBuffer（）;4.4系統(tǒng)云平臺(tái)搭建各傳感器將室內(nèi)所采集到的信息傳至主控模塊，在經(jīng)過wifi與ONENET的互通對(duì)接。此過程簡(jiǎn)單便捷，只要在ONENET平臺(tái)上注冊(cè)個(gè)人賬號(hào)即可，然后完善用戶信息，設(shè)置登錄賬號(hào)和密碼。ONENET平臺(tái)有兩種登錄方式，一是“個(gè)人用戶”，一是“企業(yè)用戶”，用戶選擇“個(gè)人用戶”進(jìn)入平臺(tái)主頁，然后進(jìn)入開發(fā)者的管理頁面，在該位置可以添加我們的個(gè)人項(xiàng)目，在進(jìn)行開發(fā)過程中，根據(jù)個(gè)人的自相關(guān)協(xié)議找到適合該產(chǎn)品的開發(fā)方式，我們可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)會(huì)對(duì)我們的設(shè)備進(jìn)行提示，包括“設(shè)備接入方式”和“設(shè)備接入?yún)f(xié)議”，為了防止個(gè)人信息泄露，平臺(tái)提供了兩種協(xié)議連接，即公開和私有。項(xiàng)目流程圖如下：圖4.4項(xiàng)目的流程第五章智能家居控制系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試5.1系統(tǒng)組裝與調(diào)試對(duì)于智能是家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)來講，其是由多個(gè)模塊共同構(gòu)成，所以只有保證各個(gè)模塊正常工作才可以確保系統(tǒng)功能順利實(shí)現(xiàn)，若某一個(gè)模塊產(chǎn)生了問題，那么將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。所以，當(dāng)對(duì)智能家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行組裝、調(diào)試的過程之中，必須要嚴(yán)格按照各步驟、各標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，首先把Arduino主控板、各傳感器、各執(zhí)行器進(jìn)行組裝以及連接，并對(duì)各個(gè)接口進(jìn)行仔細(xì)檢查，防止出現(xiàn)漏接、短接等問題。當(dāng)各接口全部無誤之后，需要進(jìn)行充電，并且還要觀察各模塊的指示燈是否正常，是否出現(xiàn)煙霧、異味等，若出現(xiàn)異常問題要進(jìn)行立即斷電，排除故障點(diǎn)，并再次與新模塊相連。Arduinomega2560實(shí)質(zhì)上是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，不但需要與控制部門相連，同時(shí)還需要與ZigBee模塊相連，極易出現(xiàn)錯(cuò)接以及漏接等問題，所以在進(jìn)行連接的過程之中需要嚴(yán)格按照各方面要求以及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，并且連接完成之后還要對(duì)各線路的連接情況進(jìn)行復(fù)查，必須要確保各接口的連線準(zhǔn)確無誤。Arduino系列主板通常是附帶有過載保護(hù)功能，若電源指示燈突然熄滅，則表明電路某處功率過高，由此而導(dǎo)致一些異常問題，所以必須要對(duì)電源進(jìn)行再次檢查，并排除故障點(diǎn)。5.2系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試本文在進(jìn)行研究分析的過程之中，為了確保所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的可行性以及安全性，當(dāng)設(shè)計(jì)工作結(jié)束之后，還開展了系統(tǒng)調(diào)試以及測(cè)試工作，以此來對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行分析以及判斷，由此找出系統(tǒng)中所存在的錯(cuò)誤，并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修正，以便完善系統(tǒng)各項(xiàng)功能。首先，將智能家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)放置于模擬場(chǎng)景之中，對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度、人體紅外信號(hào)、煙霧等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中主要應(yīng)用9V鋰電池進(jìn)行供電，主要是對(duì)系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)功能進(jìn)行判斷，若系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，要及時(shí)進(jìn)行更正。下圖5.1、圖5.2詳細(xì)展示了實(shí)物圖，具體如下：圖5.1報(bào)警單元模塊圖5.2開發(fā)板連接測(cè)試首先，通過數(shù)據(jù)線把單片機(jī)、PC機(jī)直接相連，并開啟手機(jī)熱點(diǎn)，將其與系統(tǒng)相連，并且設(shè)定間隔500ms發(fā)送一次信息數(shù)據(jù)，所以單片機(jī)每間隔500ms將