一種基于SoC和阿里云的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

作者 柯鑫¹，石紅強(qiáng)²，孫光培³(1.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430000;2.桂林市桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541000;3.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310000)

　　摘要：本文圍繞智能家居的實(shí)用性和便捷性展開研究，提出一種基于SoC和阿里云的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。以Cotex-M3內(nèi)核為基礎(chǔ)，定制一款適用于智能家居的SoC;以阿里云為平臺，設(shè)計(jì)了配套的Web客戶端，可方便地通過終端如電腦、手機(jī)、平板等，對家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，如開關(guān)電燈、開關(guān)窗簾、煙霧火災(zāi)報(bào)警等;另外，開發(fā)了語音識別功能，可本地化實(shí)現(xiàn)人機(jī)間的語音交互，真正解放了人的雙手。

　　關(guān)鍵詞：Cortex-M3;SoC;阿里云;智能家居;人機(jī)交互

　　0 引言

　　隨著人工智能的到來，萬物互聯(lián)已成為不可阻擋的發(fā)展潮流，智能家居成為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)作為全球關(guān)注的熱點(diǎn)，被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)通過 ZigBee、RFID、GSM/GPRS、紅外感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議在物品與物品之間，物品與互聯(lián)網(wǎng)之間進(jìn)行信息傳遞。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，表現(xiàn)為將家居生活有關(guān)的各種設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)并與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，其包括：智能家居控制管理系統(tǒng)、終端(家居傳感器終端、控制器)、家庭網(wǎng)絡(luò)、外聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息中心等。

　　目前國內(nèi)的智能家居系統(tǒng)存在著許多問題，如：功能實(shí)用性不強(qiáng)、成本高昂、人機(jī)交互性差等。針對這些問題，本文提出一種基于SoC和阿里云的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)基于Cortex-M3的SoC，并在阿里云服務(wù)器上進(jìn)行了Web客戶端軟件的設(shè)計(jì)。最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能家電的遠(yuǎn)程控制，具有實(shí)用性強(qiáng)、成本低和靈活的人機(jī)交互等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)分為兩大部分：下位機(jī)和上位機(jī)。下位機(jī)以片上系統(tǒng)為核心，各外設(shè)接口均基于AHB-Lite總線結(jié)構(gòu)，接入到片上系統(tǒng)。外設(shè)接口有：LED模塊、觸發(fā)檢測模塊、溫度檢測模塊、電燈與蜂鳴器模塊以及步進(jìn)電機(jī)模塊。上位機(jī)部分：主要由服務(wù)器與Web客戶端界面兩大部分組成。整個(gè)客戶端運(yùn)行在阿里云服務(wù)器上，客戶端與下位機(jī)交互的數(shù)據(jù)存放于MySQL數(shù)據(jù)庫中。Web客戶端，可以便捷地通過手機(jī)、電腦、平板等，對下位機(jī)進(jìn)行訪問。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

　　1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要由下位機(jī)SoC組成。整個(gè)下位機(jī)片上系統(tǒng)架構(gòu)是基于AHB-Lite總線搭建而成的，片上系統(tǒng)主要包括：1) 主設(shè)備。即Arm Cortex-M3 DesignStart處理器。2) 地址譯碼器。用于選擇主設(shè)備所要訪問的從設(shè)備。3) 從設(shè)備多路復(fù)用器。主要用于從多個(gè)從設(shè)備中所要讀取的數(shù)據(jù)和相應(yīng)信號。4) 多個(gè)從設(shè)備。從設(shè)備均包含AHB-Lite接口，主設(shè)備通過該接口可以訪問所有的從設(shè)備。此外，系統(tǒng)還包括必要的時(shí)鐘和復(fù)位單元。時(shí)鐘模塊為整個(gè)SoC系統(tǒng)提供時(shí)鐘源;復(fù)位模塊用于為整個(gè)SoC系統(tǒng)提供復(fù)位信號。通過各模塊的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)的正常有序工作。下位機(jī)SoC架構(gòu)原理示意圖如圖2所示。

　　1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)SoC驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和Web客戶端的設(shè)計(jì)。其中，下位機(jī)SoC驅(qū)動(dòng)程序使用keil開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對SoC對各傳感器的參數(shù)采集、處理、發(fā)送以及對智能家電的精準(zhǔn)控制。具體分為以下幾個(gè)部分：

　　1)各傳感器參數(shù)的獲取。編寫各傳感器模塊的C驅(qū)動(dòng)程序，使得各傳感器能夠正常運(yùn)行。

　　2)數(shù)據(jù)處理。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通訊包幀格式，按照自定義的規(guī)范打包數(shù)據(jù)，發(fā)送至服務(wù)器。

　　3)對智能家電的控制。分為兩個(gè)部分：一是通過語音指令控制智能家電;二是通過解析客戶端下傳的控制指令，完成對智能家電的控制。下位機(jī)軟件流程圖如圖3所示。

　　Web客戶端軟件主要由通信模塊、數(shù)據(jù)庫和Web展示三個(gè)部分構(gòu)成。通信模塊通過TCP/IP協(xié)議接收以太網(wǎng)模塊上傳的數(shù)據(jù)包，該模塊采用C#語言編寫，用來建立與下位機(jī)SoC的通信。數(shù)據(jù)庫采用的是MySql，用來存儲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。Web展示為用戶提供網(wǎng)頁形式的客戶端。Web客戶端采用J2EE技術(shù)、Web開發(fā)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了該智能家居平臺的參數(shù)展示和遠(yuǎn)程控制。使用java語言編寫程序獲取并過濾網(wǎng)頁(中國天氣網(wǎng))數(shù)據(jù)。通過html和css編寫展示界面，前臺ajax獲取后臺數(shù)據(jù)，最終并在展示界面呈現(xiàn)。該客戶端數(shù)據(jù)的展示全部依靠一個(gè)數(shù)據(jù)中心，包括下位機(jī)SoC上傳的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲得的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)中心平臺，運(yùn)行數(shù)據(jù)接收模塊，接收SoC終端上傳的數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)解包處理后，存儲到數(shù)據(jù)庫中，并實(shí)現(xiàn)Web監(jiān)控平臺，將數(shù)據(jù)類型多樣監(jiān)測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測終端位置信息進(jìn)行存儲并統(tǒng)一管理。Web客戶端的軟件框圖如圖4所示。

　　1.3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

　　上下位機(jī)的交互數(shù)據(jù)存放在MySQL數(shù)據(jù)庫中，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一張表，為mytable，用來存放室內(nèi)智能家電的運(yùn)行狀態(tài)以及控制指令，以及室外天氣信息，包括溫度、濕度、風(fēng)速和PM2.5。mytable的結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　2 測試結(jié)果與分析

　　整個(gè)上位機(jī)軟件運(yùn)行在阿里云服務(wù)器上，通過提供的IP地址，可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)對Web客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。測試環(huán)境如下：

　　操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows 2012 Server;

　　數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用MySQL 5.5.28;

　　Web服務(wù)器使用Apache Tomcat 8。

　　客戶端推薦使用IE 9.0+、Chrome、Firefox等主流瀏覽器，本次測試使用Chrome瀏覽器。

　　遠(yuǎn)程訪問地址：http://118.31.74.69:8080/Weather2/。

　　此次測試主要驗(yàn)證上下位機(jī)的通信是否成功，實(shí)現(xiàn)對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和數(shù)據(jù)的下傳發(fā)送。測試結(jié)果如圖5所示。

　　由圖5可知，下位機(jī)SoC與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫成功建立鏈接，實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)以百度地圖為基礎(chǔ)，在地圖上展示了三個(gè)室外地點(diǎn)，分別是武漢市區(qū)、蔡甸區(qū)和江夏區(qū)。下位機(jī)模塊對應(yīng)室內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)。地圖中，每一個(gè)標(biāo)注對應(yīng)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，點(diǎn)擊監(jiān)測點(diǎn)，界面右側(cè)將彈出該監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。界面左上方為菜單欄，點(diǎn)擊對應(yīng)按鈕可以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)智能家電的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)Web客戶端的整體展示效果如圖6所示。

　　3 結(jié)論

　　該系統(tǒng)涉及電路、軟件、機(jī)械等多交叉學(xué)科的知識，把SoC和Web前端技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該平臺融合了網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)爬蟲以及html網(wǎng)頁設(shè)計(jì)等技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)了基于SoC和阿里云的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是一套操作便捷、界面直觀、交互式和可視化的智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)智能家電狀態(tài)以及室外周邊天氣環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

　　當(dāng)然，該系統(tǒng)還存在進(jìn)一步完善的地方，比如交互界面的優(yōu)化、數(shù)據(jù)智能分析等。該系統(tǒng)可以與當(dāng)前的人工智能相結(jié)合，通過對數(shù)據(jù)的智能分析，為主人提供合適的居家建議;該系統(tǒng)也可以同大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，分析居室周邊環(huán)境，為主人提供合適的出行向?qū)У鹊?。這將是我們團(tuán)隊(duì)下一步研究的重點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]俞文俊,凌志浩.一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究[J].自動(dòng)化儀表, 2011, 32(8):56-59.

　　[2]劉同法,肖志剛,彭繼衛(wèi). ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器快速入門與應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社, 2009.

　　[3]趙富強(qiáng),王長坤,李露,等.基于STM32、以太網(wǎng)和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù), 2016, 35(4):94-97.

　　[4]Yang Z, Mengdie H U, Chen J, et al.Design of Synchronous Data Acquisition System Based on SoC FPGA[J]. Journal of Wuhan Institute of Technology, 2016.

　　[5] Zhang L, Ye Z, Liu X, et al. Software-hardware Co-design for SoC FPGA in Acoustic Logging Instrument[J]. Microcontrollers & Embedded Systems, 2018.

　　[6]安德魯斯.ARM SoC設(shè)計(jì)的軟件和硬件協(xié)同驗(yàn)證[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

　　[7]李萍.基于WebService的數(shù)據(jù)共享交換平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代,2016(7):34-37.

　　[8]王棟.一種簡易Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技, 2016, 29(1):121-123.

　　[9]李宇,王衛(wèi)星,陳潤澤.基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)[J].電子測試,2016(5):71-75.

　　作者簡介：

　　柯鑫(1994-)，男，碩士生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

　　石紅強(qiáng)(1993-)，男，碩士生，研究方向：智慧城市。

　　孫光培(1993-)，男，碩士生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第39頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處