一種基于SoC和阿里云的智能家居系統設計方案

作者 柯鑫¹，石紅強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(kāi)研究，提出一種基于SoC和阿里云的智能家居系統設計方案。以Cotex-M3內核為基礎，定制一款適用于智能家居的SoC;以阿里云為平臺，設計了配套的Web客戶(hù)端，可方便地通過(guò)終端如電腦、手機、平板等，對家用電器進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)，如開(kāi)關(guān)電燈、開(kāi)關(guān)窗簾、煙霧火災報警等;另外，開(kāi)發(fā)了語(yǔ)音識別功能，可本地化實(shí)現人機間的語(yǔ)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;人機交互

　　0 引言

　　隨著(zhù)人工智能的到來(lái)，萬(wàn)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)重要應用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)作為全球關(guān)注的熱點(diǎn)，被認為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng )新。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò) ZigBee、RFID、GSM/GPRS、紅外感應器等信息傳感設備，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?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能家居系統，表現為將家居生活有關(guān)的各種設備進(jìn)行組網(wǎng)并與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和管理，其包括：智能家居控制管理系統、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。

　　目前國內的智能家居系統存在著(zhù)許多問(wèn)題，如：功能實(shí)用性不強、成本高昂、人機交互性差等。針對這些問(wèn)題，本文提出一種基于SoC和阿里云的智能家居系統設計方案，設計基于Cortex-M3的SoC，并在阿里云服務(wù)器上進(jìn)行了Web客戶(hù)端軟件的設計。最終系統實(shí)現了智能家電的遠程控制，具有實(shí)用性強、成本低和靈活的人機交互等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 系統方案設計

　　整個(gè)系統分為兩大部分：下位機和上位機。下位機以片上系統為核心，各外設接口均基于A(yíng)HB-Lite總線(xiàn)結構，接入到片上系統。外設接口有：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)電機模塊。上位機部分：主要由服務(wù)器與Web客戶(hù)端界面兩大部分組成。整個(gè)客戶(hù)端運行在阿里云服務(wù)器上，客戶(hù)端與下位機交互的數據存放于MySQL數據庫中。Web客戶(hù)端，可以便捷地通過(guò)手機、電腦、平板等，對下位機進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。系統整體框圖如圖1所示。

　　1.1 系統硬件設計

　　系統硬件主要由下位機SoC組成。整個(gè)下位機片上系統架構是基于A(yíng)HB-Lite總線(xiàn)搭建而成的，片上系統主要包括：1) 主設備。即Arm Cortex-M3 DesignStart處理器。2) 地址譯碼器。用于選擇主設備所要訪(fǎng)問(wèn)的從設備。3) 從設備多路復用器。主要用于從多個(gè)從設備中所要讀取的數據和相應信號。4) 多個(gè)從設備。從設備均包含AHB-Lite接口，主設備通過(guò)該接口可以訪(fǎng)問(wèn)所有的從設備。此外，系統還包括必要的時(shí)鐘和復位單元。時(shí)鐘模塊為整個(gè)SoC系統提供時(shí)鐘源;復位模塊用于為整個(gè)SoC系統提供復位信號。通過(guò)各模塊的協(xié)同配合，實(shí)現片上系統的正常有序工作。下位機SoC架構原理示意圖如圖2所示。

　　1.2 系統軟件設計

　　系統軟件設計分為下位機SoC驅動(dòng)程序的設計和Web客戶(hù)端的設計。其中，下位機SoC驅動(dòng)程序使用keil開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現了對SoC對各傳感器的參數采集、處理、發(fā)送以及對智能家電的精準控制。具體分為以下幾個(gè)部分：

　　1)各傳感器參數的獲取。編寫(xiě)各傳感器模塊的C驅動(dòng)程序，使得各傳感器能夠正常運行。

　　2)數據處理。設計數據通訊包幀格式，按照自定義的規范打包數據，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(guò)語(yǔ)音指令控制智能家電;二是通過(guò)解析客戶(hù)端下傳的控制指令，完成對智能家電的控制。下位機軟件流程圖如圖3所示。

　　Web客戶(hù)端軟件主要由通信模塊、數據庫和Web展示三個(gè)部分構成。通信模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收以太網(wǎng)模塊上傳的數據包，該模塊采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，用來(lái)建立與下位機SoC的通信。數據庫采用的是MySql，用來(lái)存儲網(wǎng)絡(luò )數據。Web展示為用戶(hù)提供網(wǎng)頁(yè)形式的客戶(hù)端。Web客戶(hù)端采用J2EE技術(shù)、Web開(kāi)發(fā)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò )爬蟲(chóng)技術(shù)等實(shí)現了該智能家居平臺的參數展示和遠程控制。使用java語(yǔ)言編寫(xiě)程序獲取并過(guò)濾網(wǎng)頁(yè)(中國天氣網(wǎng))數據。通過(guò)html和css編寫(xiě)展示界面，前臺ajax獲取后臺數據，最終并在展示界面呈現。該客戶(hù)端數據的展示全部依靠一個(gè)數據中心，包括下位機SoC上傳的數據和網(wǎng)絡(luò )爬蟲(chóng)獲得的數據。在數據中心平臺，運行數據接收模塊，接收SoC終端上傳的數據，對采集數據解包處理后，存儲到數據庫中，并實(shí)現Web監控平臺，將數據類(lèi)型多樣監測數據以及監測終端位置信息進(jìn)行存儲并統一管理。Web客戶(hù)端的軟件框圖如圖4所示。

　　1.3 數據庫的設計

　　上下位機的交互數據存放在MySQL數據庫中，該系統設計了一張表，為mytable，用來(lái)存放室內智能家電的運行狀態(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的結構如表1所示。

　　2 測試結果與分析

　　整個(gè)上位機軟件運行在阿里云服務(wù)器上，通過(guò)提供的IP地址，可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)對Web客戶(hù)端進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)。測試環(huán)境如下：

　　操作系統采用Microsoft Windows 2012 Server;

　　數據庫管理系統采用MySQL 5.5.28;

　　Web服務(wù)器使用Apache Tomcat 8。

　　客戶(hù)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。

　　遠程訪(fǎng)問(wèn)地址：http://118.31.74.69:8080/Weather2/。

　　此次測試主要驗證上下位機的通信是否成功，實(shí)現對上傳數據進(jìn)行接收和數據的下傳發(fā)送。測試結果如圖5所示。

　　由圖5可知，下位機SoC與服務(wù)器數據庫成功建立鏈接，實(shí)現了上下位機數據的傳輸。該系統以百度地圖為基礎，在地圖上展示了三個(gè)室外地點(diǎn)，分別是武漢市區、蔡甸區和江夏區。下位機模塊對應室內監測點(diǎn)。地圖中，每一個(gè)標注對應一個(gè)監測點(diǎn)，點(diǎn)擊監測點(diǎn)，界面右側將彈出該監測點(diǎn)的實(shí)時(shí)監控界面。界面左上方為菜單欄，點(diǎn)擊對應按鈕可以實(shí)現對室內智能家電的遠程控制。該系統Web客戶(hù)端的整體展示效果如圖6所示。

　　3 結論

　　該系統涉及電路、軟件、機械等多交叉學(xué)科的知識，把SoC和Web前端技術(shù)相結合，實(shí)現對智能家居的遠程監控。該平臺融合了網(wǎng)絡(luò )通信、數據庫、網(wǎng)絡(luò )爬蟲(chóng)以及html網(wǎng)頁(yè)設計等技術(shù)，共同實(shí)現了基于SoC和阿里云的智能家居系統設計。該系統是一套操作便捷、界面直觀(guān)、交互式和可視化的智能家居系統，實(shí)現了對室內智能家電狀態(tài)以及室外周邊天氣環(huán)境的實(shí)時(shí)監測，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

　　當然，該系統還存在進(jìn)一步完善的地方，比如交互界面的優(yōu)化、數據智能分析等。該系統可以與當前的人工智能相結合，通過(guò)對數據的智能分析，為主人提供合適的居家建議;該系統也可以同大數據技術(shù)相結合，分析居室周邊環(huán)境，為主人提供合適的出行向導等等。這將是我們團隊下一步研究的重點(diǎn)。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　柯鑫(1994-)，男，碩士生，研究方向：嵌入式系統。

　　石紅強(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。

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