阿里物联网平台的智慧家居监测保护系统设计
时间：2023-04-24 11:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
贾 源，吕 坤，朱 顺，林 晨
（宿迁学院 信息工程学院，江苏 宿迁 223800）
随着社会经济水平与科技水平的飞速发展，人们的生活质量不断提高，人们对于生活品质的要求也越来越高，这推动了智能家居行业的飞速发展。智能家居系统主要运用了自动控制技术、传感器技术、无线传感网络通信等技术，以便为人们提供一种安全、方便、舒适的居住环境[1-6]。为了应对社会发展现状，本文设计了一种基于物联网技术的智能家居环境监测系统，本系统利用传感器实时持续获取家庭环境数据，通过无线WiFi传感模块，完成数据的采集并与上位机进行通信。系统具有危险声光报警功能，使用者可以通过阿里云物联网平台查看家庭的实时状况。本系统利用MQTT无线通信协议与上位机通信，因此该系统具有功耗低、覆盖面广、开发周期短、成本低的特点。
本系统由数据感知模块、用户应用模块、网络通信模块、执行机构模块组成。其中用户应用模块是以STM32F407芯片为核心的智能控制模块，通过连接DHT11温度传感器、MQ7型一氧化碳传感器与光照度传感器来采集各种家庭环境信息数据，同时利用采集到的数据实时控制执行机构。网络通信模块以国产乐鑫科技的ESP8266芯片为核心，利用串口通信的方式获取STM32F407上的环境数据，并将数据实时上传至阿里云物联网平台，使用者可以实时查看家庭的环境数据。总体设计框图如图1所示。
图1 总体设计框图
2.1 主控芯片选择
本系统采用的主控芯片为STM32F407，这是一款ST（意法半导体）推出的基于ARM® CortexTM-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90 nm的NVM工艺和ART（自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAcceleratorTM）。意法半导体的ART技术使程序零等待执行，减少时间浪费，最大化Cortext-M4的原有能力，从而可使本项目所使用的F407芯片达到168 MHz。STM32F407集成一个周期的DSP指令和FPU运算，增加了该芯片的运算能力，从而让该芯片可以胜任很多复杂的控制计算任务[7-9]。
2.2 数据采集模块
系统需要采集的数据包括温湿度、一氧化碳浓度值以及光照强度等家庭环境数据，分别使用DHT11温湿度传感器、MQ7型一氧化碳传感器和光照强度传感器检测各项数据。
2.2.1 温湿度采集
利用DHT11传感器获取当前的环境温度，通过给传感器上电，从而使传感器工作进行数据收发和储存，将本项目使用的数据data引脚电阻上拉，并且让该传感器状态长期处于高电平；
该传感器的数据引脚是输入状态，MCU可以检测该传感器的数据变化。将处理器的I/O设置为输出，同时输出低电平，且低电平保持时间为20 ms，然后将处理器的 I/O设置为输入状态。DHT11通信时序如图2所示。
图2 DHT11通信时序
2.2.2 一氧化碳浓度采集
选用MQ7型一氧化碳传感器，该传感器的导电率和空气的CO浓度同样变化，在低温状态下吸引的杂质气体处于温度高的状态下会被净化。利用十分便捷的电路结构将导电率的变化改成气体浓度的输出信号，并且根据图3所示的灵敏度特性曲线减少误差。Rs/R0与浓度C的计算公式为：
图3 MQ7灵敏度特性曲线
一氧化碳浓度传感器表面的电阻是Rs，可以通过与它串联负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得。二者之间的关系为：
2.2.3 光照强度数据采集
本项目采用光电二极管作为光敏传感器，它对光线的变化非常敏感。光敏二极管与半导体二极管相似，光敏二极管的管芯有光敏特性的PN结，工作时需要施加反向电压，具有单向导电性。在黑暗的情况下，有暗电流，即饱和反向漏电流，此刻该二极管反向截至。因此，照明的强度可以用来改变电路中的电流。利用这种现象，使用一个电阻串联，从而转换成电压变化，利用AD模数转化读取电压值，得知光照的大小。模块电路如图4所示。
图4 光照强度数据采集模块电路
2.2.4 报警机构
蜂鸣器警报模块与STM32F407的PF8引脚相连接。当采集的温度、湿度和一氧化碳强度值中有一个超过阈值时，PF8口输出低电平，三极管导通，蜂鸣器工作。模块电路如图5所示。
图5 蜂鸣器警报模块电路
2.3 数据传输模块
采用WiFi无线传输方式把数据传入云平台，设计中采用ESP8266模块进行无线传感网络通信。该ESP8266芯片有三种工作模式，即STA模式、AP模式和STA+AP模式。STA模式是指ESP8266模块通过热点、路由器等方式连接到网络，控制终端可以通过网络远程与ESP8266进行通信。AP模式是指ESP8266模块产生一个无线终端，可以使手机、电脑直接连接到，实现无线控制局域网。STA+AP模式是两种模式同时存在的，可以通过互联网控制在两种模式之间改变。便于操作ESP8266的做法可分为Linux SDK环境开发和AT指令编程，其中AT指令又分为多种通信指令与协议。本项目使用STA模式，利用安信科官方的MQTT固件进行指令操作。AT指令如图6所示。
图6 AT指令
2.4 执行机构设计
经过对比筛选，步进电机在现有电机中性价比较高，本系统选用42步进电机。该步进电机工作原理是：当某一相的定子被激磁时，转子被吸引进行转动，该相定子磁极上的齿与转子的齿相对齐，转子转动到某种程度；
当另一相通电，转子转动到另一角度，使各相按照顺序连续上电，保持转子转动。
本设计在阿里云IOT平台上实现，提供了一站式的设备接入、设备管理、监控运维、数据流转、数据存储等服务，数据按照实例维度隔离[10，11]。该平台是利用MQTT协议连接，为了方便设计，本项目利用安信可的MQTT固件，利用AT指令的方式进行数据上传。
用户通过阿里云IOT平台，就可以实时收到来自下位机的信息，实现远程检测环境。图7是本项目的远程用户界面，展示下位机采集的实时家居环境数据。
图7 远程用户界面
本文从项目三大组成部分出发，介绍了基于阿里物联网云平台的家居环境监测及保护系统的设计思路及过程，通过将上位机与下位机相结合，实现了远程实时监控和历史数据查询的功能。该系统结构简单、操作方便，可广泛应用于家庭、商场、酒店等场合。
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