基于Arduino開發環境的智能家居系統設計

陳為通 譚晶磊 趙子君 鄭天帥

【摘要】 本系統立足集成和創新，結合建設行業信息技術實際應用狀況和國際上信息技術發展趨勢，確定城市數字化標準規范與相關工具、城市數字化體系結構與信息集成關鍵技術、城市數字化應用軟件開發與商品化為重點研究課題，基于Arduino開發環境設計智能家居系統的整體方案，實現防火、防盜、煙霧報警、軟件報警、實時監控、溫濕度顯示等功能。通過火焰、煙霧、人體等傳感器獲得所需數據，結合自編軟件對數據進行處理分析，并搭建模擬智能家居系統，試驗運行穩定。

【關鍵詞】 物聯網 智能家居 防火 防盜 報警

引言

智能家居是家居平臺物聯網化的結果，在計算機技術、自動化技術和通信技術發展趨勢下，通過物聯網技術將家居中的各種設備相互聯接，并能統一協調管理。家居智能化的概念已被很多人所接受，相關的智能化設備也進入到普通百姓家，給人們生活增添了不少便捷，尤其是在防火、防盜方面發揮了很大作用，能減少生命和財產的損失。

本系統利用Arduino平臺強大的可拓展性和開源性來開發智能家居系統，選用Arduino單片機芯片作為控制核心，通過自建硬件平臺模擬智能家居環境，將硬件傳感器獲取的數據反饋給自編軟件集中處理，用戶可通過客戶端得知家中溫度、濕度、人體警報、火焰警報、煙霧警報等情況并能實時監控。

一、系統設計

1.1系統組成

系統由Arduino控制模塊、溫濕度探測模塊、防盜模塊、防火模塊、無線通信模塊、客戶端報警監控模塊6個模塊組成，如圖1所示。Arduino控制模塊負責處理溫濕度探測模塊、防盜模塊、防火模塊收集到的數據，并將結果反饋給客戶端報警監控模塊進行分析，最終實現所需功能。

1.2模擬家居環境

采用市面流行的DIY小房子搭建小型家居環境模擬實際家居環境，可將模擬家居環境分為臥室、客廳、大門三個部分。

二、硬件系統設計

2.1單片機控制模塊

主控芯片選擇Arduino Mega2560單片機控制板，開源且有很強的拓展性。其處理器核心是ATmega2560，具有54通道數字輸入/輸出口（其中16通道可作為PWM輸出）和16通道10bADC模擬量輸入，4路UART接口，1個ICSP header，時鐘晶振為16MHz。是采用USB接口的核心電路板，通過USB線可與電腦直接連接便于在線進行程序調試。

2.2數據采集模塊

數據采集模塊包括三個子模塊，分別是溫濕度探測模塊，防盜模塊，防火模塊。溫濕度探測模塊采用AM2302數字溫濕度傳感器，防盜模塊采用HC-SR505人體傳感器，防火模塊再分為火焰探測模塊和煙霧探測模塊，分別采用YL-38火焰傳感器和YL-15煙霧傳感器。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊采用E12-TTL無線串口模塊，優勢是低功耗，控制方式靈活，中心頻率為433MHz，具有TTL電平的串口通信接口，支持波特率為1200-57600多達7種波特率。經過復雜的無線通信配置以及傳輸算法，通過TTL串口連接到設備，2個模塊即可取代一條傳統的串口線，傳輸距離遠達450m，完全滿足家用。

2.5客戶端報警監控模塊

客戶端報警模塊分為PC端和移動端。PC客戶端使用Visual Basic編程語言編寫，這使得平板移動端可以兼容使用，通過串口將Arduino處理過的傳感器傳回的數據進行分析并予以顯示，用戶可以得知當前家中的溫度和濕度情況以及人體、火焰、煙霧警報，并且在警報響起后可以打開家中布置好的監控設備實時查看家中情況。而手機移動端使用JAVA語言編寫，可以在搭載Android系統的移動電話上使用，同樣可以通過無線網絡或移動數據的方式實時獲知家里的情況并且能夠查看監控。

三、軟件系統設計

3.1 Arduino IDE集成開發環境

Arduino具有類似于Java和C語言的IDE集成開發環境，其編程語言類似于C語言，用戶可以通過USB接口直接進行編程和通信。

3.2算法簡述

本設計中，客戶端會實時顯示當前臥室溫度和濕度數據。當家中沒有起火和無人入侵時，客戶端的人體、火焰、煙霧警報不會亮起。

而當家中起火時，YL-38火焰傳感器和YL-15煙霧傳感器若同時傳回警報，則判定為家中某處起火，此時客戶端報警；而家中若有人入侵，大門的人體警報會先亮起。當用戶收到警報時，可以選擇打開監控來實時觀察家中情況從而作出對策，達到防火防盜等目的。

3.3傳感器處理程序

傳感器處理程序的功能是在Arduino上運行的，將傳感器采集到的數據進行集中處理后通過E12-TTL無線串口模塊反饋給客戶端分析顯示。以如下部分代碼為例：

void loop（）

{// 輸出2表示傳感器感應到某種狀態，如火焰、煙霧或人體

// 輸出1表示傳感器沒有感應到

chk = DHT.read22（DHT22_PIN）；

humValue = （char）（DHT.humidity + 0.5）；

msgstr[0] = humValue； //濕度算法

temperValue = （char）（DHT.temperature + 0.5）；

msgstr[1] = temperValue； //溫度算法

irValue1 = digitalRead（IR1_DATA）；

if （irValue1 == HIGH） //人體警報算法

msgstr[2] = 2；

else

msgstr[2] = 1；

fire1DVal = digitalRead（FIRE1_DPIN）；

if （fire1DVal == HIGH） //火焰警報算法

msgstr[5] = 1；

else

msgstr[5] = 2；

smoke1DVal = digitalRead（SMOKE1_DPIN）；

if （smoke1DVal == HIGH） //煙霧警報算法

msgstr[7] = 1；

else

msgstr[7] = 2；

Serial.println（msgstr）；

Serial1.println（msgstr）；

delay（1000）；

}

四、試驗結果

按照本方案設計的基于Arduino平臺開發的智能家居系統能夠完成溫濕度探測、防火防盜及報警和實時監控等功能。但還存在著一些不足，例如對終端的反饋只能做到提供警報，不能智能控制，如可用滅火器控制火勢等。對于存在的問題，可在終端增加設備，如加入增濕器和空調來控制溫濕度等。

五、結語

本文設計的基于Arduino集成開發環境的智能家居系統，設計簡單，成本較低，實時性好，在模擬家居環境中取得了預期實驗結果，完成了智能家居防火防盜等基本功能，可廣泛應用于智能家居等領域，市場前景廣闊，具有很大經濟效益。作為開源性互動軟硬件開發平臺，對于Arduino開發環境的廣泛應用具有很好的參考價值。

參 考 文 獻

[1]蔡睿研，Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012，8