基于普适计算的智能家居系统设计与实现

李兆阳,邱昱清,苗 凯

(咸阳师范学院 计算机学院,陕西 咸阳 712000)

0 引言

近年来,随着社会经济的发展和科学技术的进步,人民的生活水平不断提高,对生活的需求有了更高的要求,极大地促进了智能家居产业的发展。 目前,现有的智能家居通常使用蓝牙技术、WiFi、ZigBee 等技术,实现智能家居管理,但对用户在时间和空间等方面具有一定的局限性。

普适计算的核心思想是小型、便宜、网络化的处理设备广泛分布在日常生活的各个场所,计算设备将不只依赖命令行、图形界面进行人机交互,而更依赖“自然”的交互方式[1]。 以普适计算为核心的新型智能家居,将构建更加高效的住宅设施与家庭日常事务管理,提升家居系统的安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境。 因此,以普适计算为核心思想的智能家居系统将有效提高人们的家居质量。

1 系统总体设计

本系统主要分为硬件设计和软件设计,通过硬件和软件的结合,充分利用嵌入式处理器、储存器、通信模块和传感器结合,加上普适计算思想,使用户拥有全新的体验。

采用功能模块设计分层的思想,使系统具有较好的扩展性,即当硬件发生变化时,不需要重新修改设计,仅需要添加或删除相应部分即可在系统中使用[2]。首先,将一个应用进行功能模块划分,将整体结构划分为:硬件驱动层、功能模块层、应用层,具体如图1 所示。 硬件驱动层提供公共接口供上层调用;各个功能模块可以独立编译或调用驱动层接口,封装出各个功能独立的可复用的功能模块[3]。 其次,设计出功能独立的各个模块(如门禁、客厅、卧室、安保4 个模块),在模块之上开放公共接口,具体如图2 所示。

图2 系统功能模块

(1)门禁模块可以采用人脸识别或语音识别进入系统。 ①门锁采用人脸面部识别系统。 进门之后地下压力传感器,感应到超过25 kg 的重量,整个智能家居系统会完全打开,摄像头开始录像。 ②语音输入密码。5 次密码输入错误后,蜂鸣器会直接报警。

(2)客厅模块能够根据密码、语音识别或摄像头控制客厅灯、窗帘等。 ①输入密码正确后,系统根据室内亮度选择是否打开客厅灯。 ②借助语音输入打开或关闭电视、空调、窗帘、客厅灯。 ③当摄像头检测不到人体15 min 后客厅灯光会自动关闭。

(3)卧室模块。 当摄像头检测到人体进入卧室后,卧室主灯会自动打开;当人体躺上床时,系统会将卧室主灯关闭,打开床头灯。

(4)安保模块。 系统在每天晚上12 点刷新前一天数据;用户也可以直接使用语音选择关闭任何模块,从而保护用户隐私。

2 系统硬件设计

本系统的底层硬件逻辑结构主要包括环境光感传感器BH1705、压力传感器BMP085、温湿度传感器DTH11、烟雾传感器MQ-2 和摄像头、LD3320 语音交互传感器组成,进行温度、湿度、压力、烟雾等数据信息的采集,如图3 所示。 本系统利用WiFi 模块将数据传给单片机,实现相应的功能及控制。 电源模块为智能家居控制系统的各个模块提供所需电压。

图3 硬件结构

3 系统软件设计

本系统软件模块主要包括传感器模块、语音识别模块、WiFi 模块等,如图4 所示。 本系统软件模块主要将各种传感器收集到的信息进行数据处理,实现对相应部件的控制。

图4 系统功能模块

4 系统实现的关键问题

本系统实现过程中需要解决的关键问题包括:光感传感器信息采集问题、温湿度传感器DTH11 信息采集问题及多个传感器之间的通信问题。

4.1 光感传感器信息采集问题

本系统采用BH1705 光照传感器进行信息采集。BH1750 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。 BH1750 的内部由光敏二极管、运算放大器、ADC 采集、晶振等组成。 PD 二极管通过光生伏特效应将输入光信号转换成电信号,经运算放大电路放大后,由ADC 数模转换采集电压,再通过逻辑电路转换成16 位二进制数存储在内部的寄存器中。进入光越强,光电流越大,电压就越大,所以通过电压的大小就可以判断光照大小[4],具体原理如图5 所示。

图5 BH1750 原理

4.2 温湿度传感器DTH11 信息采集问题

DHT11 是一款湿温度一体化的数字传感器。 该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC 测温元件,并与一个高性能8 位单片机相连接。 单片机简单的电路连接能够实时采集本地湿度和温度[5]。 DHT11 与单片机之间能采用简单的单总线进行通信,仅需要一个I/O 口。 DHT11 有效总线包含3 条,VCC,GND,DAT,看起来与DS18B20 类似,但简单很多,不需要设置命令,只需要读取数据包即可。 DHT11 每次读取数据一共读取40 个bit 也就是5 个字节,高位在前MSB5 个字节分别是:8 bit 湿度整数数据、8 bit 湿度小数数据、8 bit 温度整数数据、8 bit 温度小数数据及8 bit 校验和,仿真电路如图6 所示。

图6 温湿度模块仿真电路

4.3 多个传感器之间的通信

由于本系统用到的传感器较多,传感器和单片机之间的数据通信方式,成为主要考虑的问题之一。 通信方式分为有线通信和无线通信两种。 由于无线通信方式中的WiFi 通信方式在室外无障碍物的传输范围为可达300 m,室内有障碍的情况下最大100 m 且可以承受密集接入,因此,该方式是现在使用最多的传输协议,其所需成本较小,算法实现比其他通信方式容易[6]。

5 结语

本文利用普适计算思想,设计了一款智能家居系统。 该系统采用多种传感器进行信息采集,WiFi 通信方式进行数据传递,通过单片机控制整个系统。 该系统不仅能方便用户使用,还能在一定程度上节省财力,但该系统整体设计仍需进一步优化,功能仍需进一步完善。