作者 柯鑫1，石紅強2，孫光培3(1.華中科技大學，湖北 武漢 430000;2.桂林市桂林電子科技大學，廣西 桂林 541000;3.杭州電子科技大學，浙江 杭州 310000)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201901/397268.htm摘要：本文圍繞智能家居的實用性和便捷性展開研究，提出一種基於SoC和阿里雲的智能家居系統設計方案。以Cotex-M3內核為基礎，定製一款適用於智能家居的SoC;以阿里云為平臺，設計了配套的Web客戶端，可方便地通過終端如電腦、手機、平板等，對家用電器進行遠程訪問，如開關電燈、開關窗簾、煙霧火災報警等;另外，開發了語音識別功能，可本地化實現人機間的語音交互，真正解放了人的雙手。
關鍵詞：Cortex-M3;SoC;阿里雲;智能家居;人機互動
0 引言
隨著人工智慧的到來，萬物互聯已成為不可阻擋的發展潮流，智能家居成為物聯網的一個重要應用領域。物聯網作為全球關注的熱點，被認為是繼網際網路之後最重大的科技創新。物聯網通過 ZigBee、RFID、GSM/GPRS、紅外感應器等信息傳感設備，按照約定的協議在物品與物品之間，物品與網際網路之間進行信息傳遞。基於物聯網的智能家居系統，表現為將家居生活有關的各種設備進行組網並與網際網路連接在一起，進行實時監控和管理，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)、家庭網絡、外聯網絡、信息中心等。
目前國內的智能家居系統存在著許多問題，如：功能實用性不強、成本高昂、人機互動性差等。針對這些問題，本文提出一種基於SoC和阿里雲的智能家居系統設計方案，設計基於Cortex-M3的SoC，並在阿里雲伺服器上進行了Web客戶端軟體的設計。最終系統實現了智能家電的遠程控制，具有實用性強、成本低和靈活的人機互動等優點。
1 系統方案設計
整個系統分為兩大部分：下位機和上位機。下位機以片上系統為核心，各外設接口均基於AHB-Lite總線結構，接入到片上系統。外設接口有：LED模塊、觸發檢測模塊、溫度檢測模塊、電燈與蜂鳴器模塊以及步進電機模塊。上位機部分：主要由伺服器與Web客戶端界面兩大部分組成。整個客戶端運行在阿里雲伺服器上，客戶端與下位機交互的數據存放於MySQL資料庫中。Web客戶端，可以便捷地通過手機、電腦、平板等，對下位機進行訪問。系統整體框圖如圖1所示。
1.1 系統硬體設計
系統硬體主要由下位機SoC組成。整個下位機片上系統架構是基於AHB-Lite總線搭建而成的，片上系統主要包括：1) 主設備。即Arm Cortex-M3 DesignStart處理器。2) 地址解碼器。用於選擇主設備所要訪問的從設備。3) 從設備多路復用器。主要用於從多個從設備中所要讀取的數據和相應信號。4) 多個從設備。從設備均包含AHB-Lite接口，主設備通過該接口可以訪問所有的從設備。此外，系統還包括必要的時鐘和復位單元。時鐘模塊為整個SoC系統提供時鐘源;復位模塊用於為整個SoC系統提供復位信號。通過各模塊的協同配合，實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 系統軟體設計
系統軟體設計分為下位機SoC驅動程序的設計和Web客戶端的設計。其中，下位機SoC驅動程序使用keil開發工具進行開發，實現了對SoC對各傳感器的參數採集、處理、發送以及對智能家電的精準控制。具體分為以下幾個部分：
1)各傳感器參數的獲取。編寫各傳感器模塊的C驅動程序，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，按照自定義的規範打包數據，發送至伺服器。
3)對智能家電的控制。分為兩個部分：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。下位機軟體流程圖如圖3所示。
Web客戶端軟體主要由通信模塊、資料庫和Web展示三個部分構成。通信模塊通過TCP/IP協議接收乙太網模塊上傳的數據包，該模塊採用C#語言編寫，用來建立與下位機SoC的通信。資料庫採用的是MySql，用來存儲網絡數據。Web展示為用戶提供網頁形式的客戶端。Web客戶端採用J2EE技術、Web開發技術以及網絡爬蟲技術等實現了該智能家居平臺的參數展示和遠程控制。使用java語言編寫程序獲取並過濾網頁(中國天氣網)數據。通過html和css編寫展示界面，前臺ajax獲取後臺數據，最終並在展示界面呈現。該客戶端數據的展示全部依靠一個數據中心，包括下位機SoC上傳的數據和網絡爬蟲獲得的數據。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，對採集數據解包處理後，存儲到資料庫中，並實現Web監控平臺，將數據類型多樣監測數據以及監測終端位置信息進行存儲並統一管理。Web客戶端的軟體框圖如圖4所示。
1.3 資料庫的設計
上下位機的交互數據存放在MySQL資料庫中，該系統設計了一張表，為mytable，用來存放室內智能家電的運行狀態以及控制指令，以及室外天氣信息，包括溫度、溼度、風速和PM2.5。mytable的結構如表1所示。
2 測試結果與分析
整個上位機軟體運行在阿里雲伺服器上，通過提供的IP位址，可以在任何時間任何地點對Web客戶端進行遠程訪問。測試環境如下：
作業系統採用Microsoft Windows 2012 Server;
資料庫管理系統採用MySQL 5.5.28;
Web伺服器使用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。
遠程訪問地址：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，實現對上傳數據進行接收和數據的下傳發送。測試結果如圖5所示。
由圖5可知，下位機SoC與伺服器資料庫成功建立連結，實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室外地點，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。地圖中，每一個標註對應一個監測點，點擊監測點，界面右側將彈出該監測點的實時監控界面。界面左上方為菜單欄，點擊對應按鈕可以實現對室內智能家電的遠程控制。該系統Web客戶端的整體展示效果如圖6所示。
3 結論
該系統涉及電路、軟體、機械等多交叉學科的知識，把SoC和Web前端技術相結合，實現對智能家居的遠程監控。該平臺融合了網絡通信、資料庫、網絡爬蟲以及html網頁設計等技術，共同實現了基於SoC和阿里雲的智能家居系統設計。該系統是一套操作便捷、界面直觀、交互式和可視化的智能家居系統，實現了對室內智能家電狀態以及室外周邊天氣環境的實時監測，具有較大的實用價值。
當然，該系統還存在進一步完善的地方，比如交互界面的優化、數據智能分析等。該系統可以與當前的人工智慧相結合，通過對數據的智能分析，為主人提供合適的居家建議;該系統也可以同大數據技術相結合，分析居室周邊環境，為主人提供合適的出行嚮導等等。這將是我們團隊下一步研究的重點。
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作者簡介：
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。
本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第2期第39頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處