基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳為通 譚晶磊 趙子君 鄭天帥

【摘要】 本系統(tǒng)立足集成和創(chuàng)新，結(jié)合建設(shè)行業(yè)信息技術(shù)實(shí)際應(yīng)用狀況和國(guó)際上信息技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，確定城市數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與相關(guān)工具、城市數(shù)字化體系結(jié)構(gòu)與信息集成關(guān)鍵技術(shù)、城市數(shù)字化應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)與商品化為重點(diǎn)研究課題，基于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)的整體方案，實(shí)現(xiàn)防火、防盜、煙霧報(bào)警、軟件報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控、溫濕度顯示等功能。通過(guò)火焰、煙霧、人體等傳感器獲得所需數(shù)據(jù)，結(jié)合自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并搭建模擬智能家居系統(tǒng)，試驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 防火 防盜 報(bào)警

引言

智能家居是家居平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)化的結(jié)果，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家居中的各種設(shè)備相互聯(lián)接，并能統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。家居智能化的概念已被很多人所接受，相關(guān)的智能化設(shè)備也進(jìn)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(fā)揮了很大作用，能減少生命和財(cái)產(chǎn)的損失。

本系統(tǒng)利用Arduino平臺(tái)強(qiáng)大的可拓展性和開(kāi)源性來(lái)開(kāi)發(fā)智能家居系統(tǒng)，選用Arduino單片機(jī)芯片作為控制核心，通過(guò)自建硬件平臺(tái)模擬智能家居環(huán)境，將硬件傳感器獲取的數(shù)據(jù)反饋給自編軟件集中處理，用戶可通過(guò)客戶端得知家中溫度、濕度、人體警報(bào)、火焰警報(bào)、煙霧警報(bào)等情況并能實(shí)時(shí)監(jiān)控。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由Arduino控制模塊、溫濕度探測(cè)模塊、防盜模塊、防火模塊、無(wú)線通信模塊、客戶端報(bào)警監(jiān)控模塊6個(gè)模塊組成，如圖1所示。Arduino控制模塊負(fù)責(zé)處理溫濕度探測(cè)模塊、防盜模塊、防火模塊收集到的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果反饋給客戶端報(bào)警監(jiān)控模塊進(jìn)行分析，最終實(shí)現(xiàn)所需功能。

1.2模擬家居環(huán)境

采用市面流行的DIY小房子搭建小型家居環(huán)境模擬實(shí)際家居環(huán)境，可將模擬家居環(huán)境分為臥室、客廳、大門(mén)三個(gè)部分。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)控制模塊

主控芯片選擇Arduino Mega2560單片機(jī)控制板，開(kāi)源且有很強(qiáng)的拓展性。其處理器核心是ATmega2560，具有54通道數(shù)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(gè)ICSP header，時(shí)鐘晶振為16MHz。是采用USB接口的核心電路板，通過(guò)USB線可與電腦直接連接便于在線進(jìn)行程序調(diào)試。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括三個(gè)子模塊，分別是溫濕度探測(cè)模塊，防盜模塊，防火模塊。溫濕度探測(cè)模塊采用AM2302數(shù)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(cè)模塊和煙霧探測(cè)模塊，分別采用YL-38火焰?zhèn)鞲衅骱蚘L-15煙霧傳感器。

2.4無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用E12-TTL無(wú)線串口模塊，優(yōu)勢(shì)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(dá)7種波特率。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的無(wú)線通信配置以及傳輸算法，通過(guò)TTL串口連接到設(shè)備，2個(gè)模塊即可取代一條傳統(tǒng)的串口線，傳輸距離遠(yuǎn)達(dá)450m，完全滿足家用。

2.5客戶端報(bào)警監(jiān)控模塊

客戶端報(bào)警模塊分為PC端和移動(dòng)端。PC客戶端使用Visual Basic編程語(yǔ)言編寫(xiě)，這使得平板移動(dòng)端可以兼容使用，通過(guò)串口將Arduino處理過(guò)的傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并予以顯示，用戶可以得知當(dāng)前家中的溫度和濕度情況以及人體、火焰、煙霧警報(bào)，并且在警報(bào)響起后可以打開(kāi)家中布置好的監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)查看家中情況。而手機(jī)移動(dòng)端使用JAVA語(yǔ)言編寫(xiě)，可以在搭載Android系統(tǒng)的移動(dòng)電話上使用，同樣可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)數(shù)據(jù)的方式實(shí)時(shí)獲知家里的情況并且能夠查看監(jiān)控。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 Arduino IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

Arduino具有類似于Java和C語(yǔ)言的IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其編程語(yǔ)言類似于C語(yǔ)言，用戶可以通過(guò)USB接口直接進(jìn)行編程和通信。

3.2算法簡(jiǎn)述

本設(shè)計(jì)中，客戶端會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前臥室溫度和濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)家中沒(méi)有起火和無(wú)人入侵時(shí)，客戶端的人體、火焰、煙霧警報(bào)不會(huì)亮起。

而當(dāng)家中起火時(shí)，YL-38火焰?zhèn)鞲衅骱蚘L-15煙霧傳感器若同時(shí)傳回警報(bào)，則判定為家中某處起火，此時(shí)客戶端報(bào)警；而家中若有人入侵，大門(mén)的人體警報(bào)會(huì)先亮起。當(dāng)用戶收到警報(bào)時(shí)，可以選擇打開(kāi)監(jiān)控來(lái)實(shí)時(shí)觀察家中情況從而作出對(duì)策，達(dá)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(yùn)行的，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理后通過(guò)E12-TTL無(wú)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(yīng)到某種狀態(tài)，如火焰、煙霧或人體

// 輸出1表示傳感器沒(méi)有感應(yīng)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(bào)算法

msgstr[2] = 2；

else

msgstr[2] = 1；

fire1DVal = digitalRead（FIRE1_DPIN）；

if （fire1DVal == HIGH） //火焰警報(bào)算法

msgstr[5] = 1；

else

msgstr[5] = 2；

smoke1DVal = digitalRead（SMOKE1_DPIN）；

if （smoke1DVal == HIGH） //煙霧警報(bào)算法

msgstr[7] = 1；

else

msgstr[7] = 2；

Serial.println（msgstr）；

Serial1.println（msgstr）；

delay（1000）；

}

四、試驗(yàn)結(jié)果

按照本方案設(shè)計(jì)的基于Arduino平臺(tái)開(kāi)發(fā)的智能家居系統(tǒng)能夠完成溫濕度探測(cè)、防火防盜及報(bào)警和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。但還存在著一些不足，例如對(duì)終端的反饋只能做到提供警報(bào)，不能智能控制，如可用滅火器控制火勢(shì)等。對(duì)于存在的問(wèn)題，可在終端增加設(shè)備，如加入增濕器和空調(diào)來(lái)控制溫濕度等。

五、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于Arduino集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的智能家居系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，實(shí)時(shí)性好，在模擬家居環(huán)境中取得了預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成了智能家居防火防盜等基本功能，可廣泛應(yīng)用于智能家居等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊，具有很大經(jīng)濟(jì)效益。作為開(kāi)源性互動(dòng)軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)于Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的廣泛應(yīng)用具有很好的參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]蔡睿研，Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，8