用S4A體驗智能家居技術(shù)

謝作如

智能家居是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。自1984年，世界上第一幢智能建筑在美國出現(xiàn)后，智能家居技術(shù)在世界各國都有廣泛應用。智能家居和傳統(tǒng)家居的最大區(qū)別在于用電器的開關(guān)控制，由過去的人工手控，變成用電腦智能控制。

S4A是著名的兒童編程軟件Scratch的修改版本，主要提供了對Arduino的支持。S4A能夠輸出高低電平的信息，然后讓Arduino點亮LED燈之類的模塊。其實，利用繼電器以弱電控制強電的特點，我們只要在Arduino接上繼電器模塊，就能控制工作在220V電壓下的家用電器了。如果結(jié)合常見的遙控設(shè)備，用S4A也能夠體驗看似神奇的智能家居技術(shù)。

● 借助繼電器控制家用電器

繼電器是用弱電控制強電的一種“自動開關(guān)”，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用，通常應用于自動化的控制電路中。按工作原理或結(jié)構(gòu)特征分類，繼電器可以分為電磁繼電器、固體繼電器、溫度繼電器、舌簧繼電器和時間繼電器等。其中最常見的是電磁繼電器。電磁繼電器很便宜，淘寶上一兩元錢就能買到。為了更加便捷地使用繼電器，建議選擇專為Arduino設(shè)計的繼電器模塊。和其他電子積木一樣，繼電器模塊也設(shè)計了三個針腳，可以直接連上Arduino擴展板，如圖1所示是DFRobot出品的數(shù)字繼電器模塊。

將數(shù)字繼電器模塊插上Arduino板子的13口，然后分別運行腳本和。你將會聽到繼電器打開和閉合時發(fā)出的“嗒嗒”聲。

一般來說，我們要把用電器的插頭線剪斷，一頭接到COM端，另一頭接到NC端。如果你希望該電器的默認狀態(tài)是連通的，那就接在NO端。

（注意：接線時一定注意安全！）

● 做一個安全繼電器插座

雖然我們已經(jīng)了解了繼電器的工作原理，但是繼電器的輸出接線柱是裸露的，不僅接線麻煩，還要剪斷插頭線，破壞原電器的接線。最重要的是：直接接觸220V電路太不安全了！為此，我校的吳越同學設(shè)計了一款插板式安全繼電器，其內(nèi)部電路圖和實物圖分別如圖2、圖3所示。目前在淘寶上還不能買到類似的產(chǎn)品，但拿出我們的DIY精神，動手做一個插板式安全繼電器的可操作性很強。

（注意：本操作具有一定的危險性，請務必在教師或者家長的指導下完成）。

安全繼電器插座的制作材料很簡單，只需要1個繼電器模塊，1個普通插板。為了能容納數(shù)字繼電器模塊，插板要選擇體積稍大一點的。

安全繼電器插座的制作過程如下：①旋出螺絲，打開插板，選擇一個插孔，將其中一條線（最好能找到火線）剪斷。②連接插座的火線端和繼電器模塊，然后在插板的邊緣處開一個小孔，把連接線導出來，可參考圖4。④把插板的蓋子重新裝好，旋緊螺絲。⑤在改造過的插孔旁貼上標簽，做好標注。

好了，一個插板式的安全繼電器就設(shè)計成功了。將插板接入220V的照明電路，再把杜邦線頭插到Arduino板的數(shù)字口13上。現(xiàn)在，你可以把電風扇或者臺燈接到這個改造過的安全插座上，開始體驗智能家居技術(shù)吧。

（注意：頻繁的開關(guān)將傷害用電器的使用壽命，最好不要在繼電器插座上接電視機、電冰箱之類的大功率用電器，推薦使用電風扇、LED臺燈等小功率電器。）

● 智能溫控電風扇的實現(xiàn)

S4A可以根據(jù)傳感器的信息，真正“智能”地控制電器，如光線暗的時候就自動打開電燈，溫度高的時候自動打開空調(diào)等。如果我們要試著把一臺普通的電風扇改造為智能溫控電風扇，需要做以下一些準備。

1.材料清單

電風扇×1，溫度傳感器模塊（LM35）×1。

2.連接說明

溫度傳感器模塊接在模擬口0，繼電器插座的控制連接線接在數(shù)字口13，將電風扇接到繼電器插座的常閉插孔上。

3.參考腳本

溫度傳感器模塊返回的數(shù)值和真實溫度的關(guān)系需要進行“標定”。經(jīng)過測試，我使用的這款LM35溫度傳感器模塊，返回的數(shù)值減去35，就和水銀溫度計上的度數(shù)差不多了。我設(shè)定當外界的溫度高于28攝氏度，電風扇能自動開啟，低于27攝氏度后自動停止（如圖5）。

如果覺得這樣的作品界面太簡單，我們還可以自行“潤色”一下，如預設(shè)的溫度可以通過問答的形式輸入。如果想酷一點，可以做一個帶溫度計顯示功能的智能溫控電風扇，其運行界面如圖6所示，程序腳本使用了畫圖功能，溫度計中水銀柱的升降效果十分明顯。

● 電腦遙控臺燈的實現(xiàn)

用電腦控制用電器，僅僅是智能家居的入門條件。有些智能家居的產(chǎn)品演示中，就提供了可以遙控的電器設(shè)備，如電燈。通過一個遙控器，能方便自如地控制家里的電燈，確實很方便。用S4A也可以做遙控電燈的實驗，即可以把一個普通的臺燈“改造”為能接受電腦遙控信息的臺燈。要實現(xiàn)遙控，我們需要購買遙控套件，如基于超再生技術(shù)的遙控套件，價格很便宜，二十元錢左右就能買到。

超再生的解碼芯片分為自鎖輸出型（SC2272-T4）、互鎖輸出型（SC2272-L4）、非鎖輸出型（SC2272-M4）三種。其中SC2272-M4是多路獨立工作，相互不干擾，如按住A按鍵時，其D0口輸出高電平，松開A按鍵，D0即恢復低電平，其他三路相同。如要控制多路設(shè)備，應該選擇SC2272-M4。

將遙控設(shè)備信號接收器上的D0口，接到Arduino擴展板的數(shù)字口2上。G和5V的引腳，分別和擴展板的對應引腳連接，如圖7所示。再把繼電器插座的繼電器連接線接到擴展板的數(shù)字口13上，將臺燈接到繼電器插座的常閉端口。

腳本可以直接寫在S4A默認角色上，只要在一個重復執(zhí)行中加上判斷就可以了。用遙控模塊控制電燈的做法，和使用數(shù)字傳感器控制LED的操作非常相似。你完全可以把遙控接收器看成一個按鈕傳感器。

如果你希望把A、B、C、D四個鍵都用起來，可以把D0和D1接到數(shù)字口的2、3，再把D2、D3接到模擬口的0、1上。其模擬口的判斷腳本如圖8所示。（模擬口0、1分別和數(shù)字口13、11對應）

我們已經(jīng)成功實現(xiàn)了用遙控器來控制臺燈，使不支持遙控的電器具備了遙控功能。但是，電腦能不能直接發(fā)送遙控信息給電器？試想一下，當傳感器檢測到當前光線很弱，就自動發(fā)送遙控信息啟動臺燈，現(xiàn)在很多智能家居的產(chǎn)品就是這樣設(shè)計的，因為大部分家用電器本身就支持遙控，如電視機、空調(diào)和機頂盒等。

讓電腦發(fā)出遙控信號通常的做法是利用一些紅外線或者無線電波的編碼、發(fā)射設(shè)備，在程序的控制下，直接發(fā)出遙控信號。電腦和編碼發(fā)射設(shè)備之間一般用RS232協(xié)議連接。S4A雖然不能直接控制編碼發(fā)射設(shè)備發(fā)送特定的遙控信號。但是，我們有辦法讓電腦在S4A的控制下，發(fā)射遙控信號給接收器。不用另外購買設(shè)備，只要利用現(xiàn)成的遙控器，加上繼電器改造就能做到。

以超再生遙控設(shè)備為例，介紹這一過程吧。一般來說，超再生遙控器工作在12V電壓下，我們無法直接用Arduino板給其供電。所以要在其電路上接一個繼電器，用繼電器的開和閉，代替遙控器的按鈕。圖9所示的是遙控器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。上面有四個按鈕開關(guān)，如果我們在引腳旁焊出兩條線來，接上繼電器，再把繼電器接到擴展板13口的G和D來。

這時，我們就能用腳本控制13口的開和關(guān)，看看遙控器上的指示燈是不是也同步亮了呢？用這種方法，我們就可以通過電腦來遙控其他家用電器了。如果有興趣，你還可以用S4A提供的手機APP程序來實現(xiàn)手機控制家用電器呢。

本文僅僅介紹了用S4A和繼電器、遙控模塊來體驗智能家居技術(shù)。其實，Scratch2.0中已經(jīng)可以支持第三方的擴展模塊，DFrobot、MakeBlock等公司都推出了支持Scratch2.0的插件。利用這些插件，我們在Scratch2.0中也可以體驗這些技術(shù)。智能家居技術(shù)其實一點都不神奇，不是嗎？

如果對相關(guān)內(nèi)容感興趣，請關(guān)注主持人博客。