143-自动化-颜力琦-成果报告书(1).docx

460机械工程基于嵌入式的场景模式智能家居系统北京邮电大学 颜力琦 叶雨晴 张金烁 黄婕 白慧爱余瑾 高级工程师 庄育锋 教授摘 要：场景模式智能家居系统根据不同的需求，设计多种不同场景的模式。选用STM32作为主控制器，基于嵌入式技术编写控制程序，实现对家居设备的控制。利用Android建立智能家居控制终端软件，实现用户一键切换场景模式。通过分别在单片机和PC上搭建服务器，实现控制投影及背景音乐播放的功能。关 键 词：智能家居；物联网；嵌入式；场景；个性化1引言1.1项目研究意义本系统目的是为了提高人们的生活质量，设计用户的居家环境。首先，设计自然场景模式，如森林、海洋模式等，使用户在家里就能体验到置身自然的感觉。其次，提供实用模式，如工作、睡眠模式等，满足用户的办公及生活等需求，提供给用户合适的工作或睡眠环境。最后，增加了儿童模式、校园模式等个性化模式，考虑到了儿童教育及生活的需求、人们的怀旧情绪等。1.2选题背景本项目构想萌发于2016年5月，受到了一部奇幻电影的启发。希望能改变用户的居家环境，开启舒心模式，使用户在家里，就能体验到置身森林海洋的感觉；同时也能开启实用模式，瞬间营造办公、亲子、聚会等环境，构成梦幻的家居氛围，同时构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统。2项目研究主要内容2.1功能需求智能家居系统需设计多种场景的模拟环境，如森林、海洋、天空、夏夜、校园怀旧等场景，满足人们的心理需求，并提供多种使用实用功能模式，如工作、舒心、睡眠等模式，满足人们的生活工作需求。本系统主要需要实现以下功能：智能终端APP用户交互功能，局域网接入功能，数据采集功能，中央控制功能，家居设备模块功能，场景参数设置功能等。 2.2总体构架系统的核心是STM32，通过局域网的无线通信接收移动终端的指令、通过IO口通信控制风扇、取暖器、加湿器、窗帘、LED灯、温湿度传感器等设备，系统结构框图见图1：Figure 1系统总体构架系统的主要输入有两种，其一是来自用户的输入，包括模式的选择（有森林模式、海洋模式、夏夜模式、天空模式、工作模式、睡眠模式、校园怀旧模式等），以及自定义控制时对设备的开关、灯光的RGB值设置等命令。其二是来自房间的输入，包括当前环境温度湿度，以及当前设备工作状态、当前灯光RGB值、窗帘是否达到最高点或最低点等。系统的总体输出也有两种，其一是UI界面的输出，包括全部可供选择的模式的显示，当前房间内设备状态（如灯的RGB值、设备开启状态等）和当前房间温度与湿度。其二是智能家居输出，包括灯光亮度颜色，风扇、加热器开关，加湿器开关，音乐播放，投影，窗帘升降等，最终对于用户环境的输出为温度、湿度、光线、声音、情感体现等。移动终端与控制模块既可直接通过同一局域网的Wi-Fi连接，也可通过万维网上的服务器远程连接。控制模块与各设备模块之间通过IO口连接。在有PC接入的情况下可选择使用音乐投影控制器，在无PC接入的情况下可选择嵌入式的音乐播放控制器。3项目研究的特色3.1有参数的模式具有参数的模式包括模拟自然场景模式、工作睡眠等功能模式，需设置灯光颜色亮度、目标温湿度、背景音乐等达到模拟场景效果，或提供合适的工作、睡眠环境。各模式参数见表1：Table 1各场景参数设置RBG温度（摄氏度）湿度音乐编号音乐播放森林模式45,255,452865%1鸟叫海洋模式0,40,2552080%2涛声天空模式120,120,25519.5开加湿器/工作模式（护眼）199,237,2041850%/夏夜模式45,10,02870%4虫鸣睡眠模式（催眠）75,40,02045%5催眠曲睡眠模式75,40,02045%/备注：天空模式模拟1000以上的天空环境，相对海平面高度每增加1000m温度下降6.5度，假设海平面温度为25度，因此温度设置为19.5度。由于人体最适合工作温度15-18度，工作模式最适宜的室温度为18，湿度为40至60，此时人的精神状态最好思维最敏捷工作效率高。设置睡眠温度为19度，能给人最舒适的体感。3.2无参数的模式对于校园模式，使用投影仪放映毕业照、校园生活照等幻灯片，同时播放怀旧或具有校园特色的背景音乐，便于用户怀念校园时光。对于儿童模式，使用投影放映童话故事集中每一段文字及其插图，同时播放对应的配音，给儿童讲幻灯片上的故事。4项目研究的技术架构4.1控制模块与系统接口Figure 2控制模块IO接口4.2 RGB智能灯通信协议RGB智能灯的控制芯片为P9813，与控制模块的STM32芯片通过IO口通信，其中CIN为时钟输入，DIN为数据输入。每个数据包为32bit，设 RGB的二进制值分别为R0-R6，G0-G6，B0-B6，数据包从右往左前3字节分别为RGB的值，第24至29位分别为R6、R7、G6、G7、B6、B7的取反，用于差错控制，第30和31位为标志位，见图3：Figure 3智能灯芯片通信协议将RGB的值转化为协议格式并发送的代码为：void Mine_DataDealWithAndSend(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)/rgb分别为灯RGB值 uint32_t dx = 0; dx |= (uint32_t)0x03 << 30;/标志位 dx |= (uint32_t) Mine_TakeAntiCode(b) << 28; dx |= (uint32_t) Mine_TakeAntiCode(r) << 26; dx |= (uint32_t) Mine_TakeAntiCode(g) << 24; dx |= (uint32_t) b << 16; dx |= (uint32_t) r << 8; dx |= g; Mine_DatSend(dx);/发送数据其中获得AntiCode的代码为：uint8_t Mine_TakeAntiCode(uint8_t dat) uint8_t tmp = 0; tmp=(dat) & 0xC0)>>6; return tmp;4.3 场景模式背景音乐与投影音乐投影分为两种模式，独立音乐播放模式（不需要PC，无投影）、音乐投影模式（需要PC）。独立音乐播放：采用mini2440（S3C2440芯片），该模块可在无电脑投影的情况下直接被移动终端控制。在Linux嵌入式系统上用GCC编写基于BOA服务器的CGI程序处理来自终端的用户请求，控制音乐播放程序播放不同背景音乐。CGI中通过文件管道方式将控制指令输出到音乐播放程序：音乐播放程序通过Linux系统的mplayer播放指定音乐。独立音乐播放模块示意图见图4：Figure 4场景模式背景音乐系统组成图PC音乐投影：利用网络编程技术，用Python编写服务器程序在PC上运行，接收手机的控制信号，通过音响播放背景音乐，通过投影仪播放幻灯片。4.4智能窗帘智能窗帘模块的硬件由电机控制保护模块、限位开关、管状电机和普通窗帘组成，输入正转或反转脉冲信号后，电机开始工作，当窗帘上升到最高点或下降至最低点时触发限位开关，电机自动停止转动。其中电机控制电路图见图5：Figure 5智能电机控制电路图4.5移动终端UI终端APP程序导入GOKIT的SDK开发包，调用其中的发送和接收函数实现与控制模块的通信。用户在登录界面验证身份后，进入控制模式界面，选择场景控制或单独控制模式。在场景控制模式中列出了可供选择的所有场景模式，用户可选择需要的场景。在单独控制模式界面中，用户可直接控制家居设备。在场景控制界面中用户可点击跳转按钮切换到单独控制界面，原型图见图6：Figure 6移动终端UI原型5 项目成果5.1项目成果及其性能分析完成了智能家居系统设计，该系统包括主控模块、智能温湿度控制模块、智能家居模块、音乐投影模块等。该系统可以利用普通的电器家具构建森林、海洋、天空、夏夜、睡眠、工作、儿童、怀旧等多种场景模式。利用传感器、加湿器、电风扇、电暖器、窗帘、灯、音响、投影灯普遍使用的电器搭建了体验模型，该体验模型实现了上述系统场景模式的演示。完成了APP的设计，作为该智能家居系统的终端使用户可以一键切换场景模式。5.2项目成果的测试情况及数据处理本系统控制测试良好，所有设备均能正常持续工作。体验模型的瓶颈在于硬件，由于资金不够充足等原因，温控模块采用取暖器及风扇，无法达到空调的温控效果。5.3项目成果的社会效益分析随着人们生活日益匆忙，家居设施越来越多，生活品质越来越高，智能家居市场有巨大的前景。很多人希望自己的家能够自动地完成一些日常的工作，同时也对居家安全、居家舒适度要求越来越高。同时智能家居项目的可拓展性、可创新性强，从饮食起居到出行办公，都可以有智能家居的身影。更加贴近生活、更加便利强大的智能家居有很大的发展空间。同类产品大都没有考虑到不同用户的个性化的需求，且未提供人文关怀。本系统提供的场景模式在低成本的情况下满足了大多数人的不同需求。本系统可以应用到任何家居环境中，让用户可以在家中拥有自己所需的环境。6 总结和展望本智能家居系统最终完成了控制LED灯、风扇、加湿器、窗帘、音响投影等家居设备的功能，完成了将家居设备组合成场景模式的功能，在搭建的演示体验模型中体验效果良好。本项目所完成的智能家居系统只构架整个框架，实现了部分功能，还有许多有待改进的部分，如：各模式参数的设置需要根据不同用户进行个性化设置。系统的实际应用环境比当前考虑的环境复杂，设备控制接口需考虑实际家居环境。软硬件设置有待改进，以保证系统安全性和稳定性。系统设置有待优化，以降低家居系统能耗。7 参考文献2LIU Fu-ti, "The Deduction of the Rate of Atmospheric Temperature Varying with Height," Journal of Henan Institute of Science and Technology, vol. 35, no. 02, pp. 32-45, Jun. 2007.3LU Yong-jian, WANG Ping1, WU Jia1, ZHANG Yong-li, “Transplant of Embedded Web Server Boa and Its Application,” Journal of Hehai University Changzhou, vol. 19, pp. 44-47, Dec. 2005.4ZHOU Chang, WANG Ze, “Design and Implementation of the Simple HTTP Server,” Software Engineering, no. 01, pp. 9-11, Jan. 2017.5Wu Feng, Yu Shuping, “Soft Limit Switchs Establishment Principle and Application,” Electrical Engineering, no. 10, pp. 47-48, Oct. 2009.