基于Arduino與OneNET云平臺的簡易智能家居系統設計

陳凱旋 周世恒 陳濤 池政煒 林心怡

摘 要：隨著信息時代的發展和人民日益增長的美好生活的需要，智能家居系統的設計越來越受到廣泛關注。文中設計基于Arduino與OneNET云平臺的簡易智能家居系統，以Arduino Sensor Sheild V2.0為主控模塊，利用WiFi無線模塊ESP8266將傳感器數據傳輸至OneNET中國移動物聯網開放平臺，可以實時監測智能家居環境，并能通過手機應用進行遠程操控。該系統成本低廉，搭建方便，具有數據可視化、網絡化等特點，為實現智能家居生活提供了一種簡易的解決方案。

關鍵詞：Arduino;傳感器;智能家居;ESP8266;OneNET;遠程操控

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

目前，智能家居的研究主要以搭載STM32芯片[1]的硬件設備為中心控制器。同時，智能家居云平臺大都建立在 YeeLink云[2]上，而對于基于OneNET云平臺[3]的研究仍然相對較少。考慮到成本和操作簡易程度等方面的因素，本文以Arduino單片機[4]為中心控制器設計系統，將OneNET作為數據處理平臺，該程序能夠跨平臺運行，具有較好的開放性。

1 系統總體設計

本文智能家居系統以Arduino Sensor Sheild V2.0單片機為主控模塊，各類傳感器作為數據采集模塊，在單片機中處理數據后經ESP8266無線模塊發送至OneNET云平臺進行數據處理，以Android的智能手機作為APP的展現平臺。具體系統結構如圖1所示。

系統主要包括四個部分。

（1）數據采集。該部分主要依靠各類傳感器（如溫濕度傳感器、煙霧傳感器等）采集環境數據，同時將采集到的數據傳輸到與之相連的單片機中。

（2）云平臺數據傳輸。單片機將采集到的數據進行處理，同時向OneNET傳輸數據，在云平臺中可以控制已經搭載的模塊。

（3）APP。手機通過與無線模塊ESP8266相連，接收到網站傳來的數據，將其顯示在APP上。

（4）指令執行。在接收到指令數據時對傳感器或相應的模塊進行操作。

2 系統硬件設計

2.1 Arduino Sensor Sheild V2.0

Arduino Sensor Shield V2.0專用傳感器擴展板集市面上各種擴展板優點于一體，采用PCB沉金工藝加工，主板不僅將全部數字與模擬接口以舵機線序形式擴展出來，還特設藍牙模塊通信接口、SD卡模塊通信接口、APC220無線射頻模塊通信接口，以及RB URF V1.1超聲波傳感器接口，獨立擴出，更加易用方便。在本文系統中作為中心處理器，連接LED、繼電器模塊、煙霧傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器、ESP8266、LCD顯示模塊。各類傳感器實時采集數據，單片機將處理好的數據傳輸到OneNET云平臺上處理，由其返回控制信號從而控制相應的傳感器或其他模塊。

2.2 溫濕度傳感器DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器上電后要等待1 s，以越過不穩定狀態，在此期間無需發送任何指令[5]。庫文件中擁有非常完善的函數控制塊，可以非常方便地采集到當前室內的溫濕度信息，免去了手動解析的麻煩，并且修改起來也非常方便。

2.3 紅外傳感器

本文系統選用HC-SR501熱釋電紅外傳感器，采用可重復觸發的工作方式（即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平），具有感應封鎖時間等特點[6]。當感應到有人經過時向單片機傳輸信號，再由單片機控制蜂鳴器報警。

2.4 煙霧傳感器MQ-2

MQ-2型煙霧傳感器是多種氣體探測器，探測范圍極其廣泛，具有靈敏度高、響應快、穩定性好、壽命長、驅動電路簡單等優點[7]。在本文系統中，MQ-2煙霧傳感器主要用于測量各種氣體的總閾值，當有害氣體達到一定濃度時才會進行蜂鳴報警。

2.5 繼電器模塊和LED燈

繼電器模塊的作用是傳遞信號或同時控制多個電路，也可直接控制小容量電動機或其他電氣執行元件[8]。

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種能夠將電能轉化為可見光的固態半導體器件，它可以直接把電轉化為光[9]。

這兩個模塊都可以在手機APP上進行控制，由OneNET網站發送控制指令，單片機在接收到數據以后，經過解析，判斷控制信號，從而控制這兩個模塊。在家用的情況下，用手機遠程控制這些小型模塊非常方便。

2.6 ESP8266

ESP8266是由上海樂鑫信息科技有限公司開發的集成無線芯片，支持二次開發，具有超高的性價比。目前多家廠商在做ESP8266芯片的開發與服務工作，且其服務已經較為全面，利于開發者以較低的成本開發出個性的智能產品，因價格較低、性能穩定等受到較大關注[10]。該芯片可工作于AP模式、Station模式以及混合模式，本文系統中利用AT指令進行控制，使用ESP8266的Station模式，ESP8266模塊連接到由接入點建立的WiFi網絡，用于向OneNET云平臺傳輸、接收數據。

3 系統軟件設計

3.1 系統流程

Arduino Sensor Sheild V2.0通過串口發送AT指令來控制ESP8266 WiFi模塊的各項操作。模塊在開機啟動后自動搜索附近網絡，搜索到對應的在程序中定義過名稱和密碼的網絡后進行連接，連接上WiFi后，與OneNET網站進行TCP連接，將傳感器采集到的數據進行打包及JSON數據格式化后發送至OneNET網站。OneNET網站將上傳的數據進行可視化處理，且添加了發送控制指令的功能，單片機接收到控制指令的同時控制模塊進行響應。系統初始化如圖2所示。

3.2 數據流程

（1）使用DHT11溫濕度傳感器的庫，讀取溫濕度值。

int chk = DHT11.read（DHT11PIN）;//讀取溫濕度值

//串口調試DHT11輸出信息

DebugSerial.print（"Read sensor："）;

switch （chk）

{

case DHTLIB_OK：

DebugSerial.println（"OK"）;

break;

case DHTLIB_ERROR_CHECKSUM：

DebugSerial.println（"Checksum error"）;

break;

case DHTLIB_ERROR_TIMEOUT：

DebugSerial.println（"Time out error"）;

break;

default：

DebugSerial.println（"Unknown error"）;

break;

}

（2）使用定時器庫監控AT指令發送和獲取返回數據的時間。

（3）使用OneNET提供的庫，合成POST請求的HTTP頭。

packet.setHostAddress（OneNETServer）;

packet.setDevId（device_id_temp）;//device_id

packet.setAccessKey（API_VALUE_temp）;//API_KEY

packet.createCmdPacket（POST，TYPE_DATAPOINT，p）;

（4）使用庫，合成需要的JSON數據流。

StaticJsonBuffer<200> jsonBuffer;

JsonObject&value = jsonBuffer.createObject（）;

value["value"] = thisData;

JsonObject&id_datapoints = jsonBuffer.createObject（）;

id_datapoints["id"] = sensor_id_temp;

JsonArray&datapoints = id_datapoints.createNestedArray（“datapoints”）;

datapoints.add（value）;

JsonObject&myJson = jsonBuffer.createObject（）;

JsonArray&datastreams = myJson.createNestedArray（“datastreams”）;

datastreams.add（id_datapoints）;

char p[200];

int num = myJson.printTo（p，sizeof（p））;

（5）使用ESP8266連接路由器，將數據發送到OneNET服務器。

if （sendCommand（"AT＼r＼n"，"OK"，1000，10） == Success）;

else ESP8266_ERROR（5）;

clrEsp8266RxBuffer（）;

if （sendCommand（"AT+CWMODE=1＼r＼n"，"OK"，3000，10） == Success）;

else ESP8266_ERROR（7）;

clrEsp8266RxBuffer（）;

char cmd[50];

strcpy（cmd，"AT+CWJAP=＼""）;

strcat（cmd，ssid）;

strcat（cmd，"＼"，＼""）;

strcat（cmd，password）;

strcat（cmd，"＼"＼r＼n"）;

if （sendCommand（cmd，“OK”，20000，10） == Success）;

else ESP8266_ERROR（8）;

clrEsp8266RxBuffer（）;

傳感器數據上傳流程如圖3所示。

4 系統測試結果

首先將單片機與PC機用數據線相連，然后打開手機熱點，設定好熱點名稱與密碼，連接成功后，在程序中設定延遲500 ms發送一次數據，因此單片機每500 ms更新一次數據，并將數據上傳至OneNET云平臺，同時APP同步更新數據。將LED與繼電器開關打向OFF，由于網絡的傳輸造成一定的時間延遲（約為3 s），單片機上的LED燈熄滅且繼電器紅燈亮起表示已經關閉。同樣，打開開關，發現單片機上的LED燈亮起，且繼電器上的綠燈亮起表示繼電器已經打開。開關關閉如圖4所示，LED燈和繼電器關閉如圖5所示，開關打開如圖6所示，LED燈和繼電器開啟如圖7所示。

連接至Arduino主控模塊的各類硬件外設如圖8所示，從左到右分別是MQ-2煙霧傳感器，ESP8266，DHT11溫濕度傳感器、人體紅外傳感器。

5 結 語

從實驗的測試結果來看，本文所設計的系統能夠實時監控室內的各項指標，并且能夠通過紅外傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器等獲取數據，實時傳輸到APP上。用戶可以通過APP上可視化的數據查看室內狀況。該系統結構簡單，數據查詢方便，具有一定的可擴展性，可以實現基本的智能家居環境監測功能和簡單的控制功能。

參 考 文 獻

[1]李錦詩，黃彥蓉，劉龠.智能家居現狀調查與未來發展[J].科技經濟導刊，2017（1）：19-21.

[2]基于YeeLink物聯網平臺的校園環境監測系統的設計[D].保定：河北大學，2015.

[3]楊艷，李東睿.淺談基于OneNET平臺的物聯網通用應用平臺的設計與實現[J].數字通信世界，2018（1）：57-58.

[4]劉文杰，朱明，覃振權.基于Arduino的物聯網溫控實驗設計[J].實驗技術與管理，2017，34（1）：150-152.

[5]柴世龍，劉毅，張振虎.基于ZigBee的溫濕度監測系統設計[J].科技視界，2015（4）：211-212.

[6]王東，莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系統設計[J].重慶理工大學學報，2016，30（6）：135-142.

[7]鄭道林，孫耀杰，左兆輝.基于MQ-2與GSM的CO監測報警系統的設計[J].電子設計工程，2014，22（4）：162-165.

[8]鄒洪森.基于物聯網技術的無線繼電器模塊研制與應用[J].寧夏電力，2014（5）：33-38.

[9]陳大華，章荷珍.物聯網LED智能照明產業的崛起[J].中國照明電器，2013（1）：11-15.

[10]邱宏斌.一種基于ESP8266模塊的物聯網設計思路[J].電子世界，2017（7）：157.