基于物聯網的智能家居系統研究

褚世文 靳士博 龐華天 凌宸 張燕

摘要：近年來，物聯網技術逐漸發展，在智能家居系統中得到了越來越多的應用，其集成化程度卻始終略顯不足。該文從兩個基本角度即照明與安全角度人手，通過單片機間相互通信及在云端進行信息統計，建立了一個操作簡易、學習曲線平緩的智能家居系統，使得用戶既可以讓系統自主運行，也可以在移動端或PC端控制系統內的所有智能家具。

關鍵詞：智能家居;單片機;ARDUINO UNO;模塊系統

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）22-0193-05

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

近年來，智能家居正在以其智能化、直觀化、便捷化的優勢被千家萬戶所接受。但在傳統的智能家居系統中，組件與組件之間的、系統與用戶之間的聯系都稍顯不足。應用物聯網技術，使得用戶能夠用一臺終端去控制家中的多個智能家居，才是智能家居發展的方向。

因此，本文設計了一種基于物聯網技術，兼顧照明和安全兩大重要需求的智能家居系統。在解決使用者基本需求的基礎上，考慮到許多現有智能家居由于系統差異等原因，不能簡單同時控制的痛點，利用ARDUINO UNO與云計算技術搭建了本系統，使用戶的痛點得以解決。

系統結構如圖1所示，以ARDUINO UNO為核心，WIFI為主要通信媒介，依靠多種傳感器和兩部分的執行機構來組成系統。接下來會依次介紹各部分的設計。

1 照明部分

1.1燈具部分

1.1.1系統組成

智能家居系統中的智能燈具部分組成如圖2所示，主要分為傳感部分、控制部分與執行部分。傳感部分主要由紅外模塊HC-SR501與光敏電阻傳感器構成，用于監控是否有人活動以及室內光強的變化;控制部分采用ARDUINO UNO版本，在兼顧體積的同時提供足夠的算力;執行部分則由單路12V電器與LED燈帶構成，用于接收控制部分的信號并執行調節光強的任務。在三個部分中用到的模塊與設計，以下將做詳細介紹。

1.1.2傳感部分

傳感部分的第一個模塊是HC-SR501人體感應模塊，其基于紅外線技術進行檢測，使用LHI778探頭，功耗較低，適合用于單片機系統;同時HC-SR501還可以通過改裝獲得自動光敏控制與溫度變化補償功能，檢測更為精確，符合家庭使用“小空間、高精度”的需求。第二個模塊是光敏電阻傳感器模塊，此次選用的是采用了LM393雙路差動比較器的傳感模塊，通過電路設計，使其不僅能夠通過DO端與繼電器相連組成光控開關，還可以通過AO端與ARDUINO UNO相連，測量具體環境光強。

HC-SR501的結構如圖3所示，輸出為3.3V/OV的TTL信號，所以將其out端連接到ARDUINO UNO的digital部分接口，并將所連接口設置為in模式即可獲取HC-SR501的識別結果。同時在模塊中可以通過L/H焊盤部分的通斷來選擇模塊為可重復觸發模式抑或不可重復觸發模式。因為在家庭場景使用時，只要有人在使用范圍內，就應當始終保持燈的開啟狀態。故可重復觸發模式，也即在感應輸出高電平后的一段時間內，只要檢測到人體便會自動后延一段時間高電平輸出，直到人體離開感應范圍后才會變為低電平的模式更加符合需求。所以將三個焊盤中的下兩個斷開，上兩個短接。然后將溫度補償電阻接到圖3中的RT位置，以彌補因為溫差而導致的檢測范圍變化。

光敏電阻傳感器的結構如圖4所示。此處在三線制與四線制兩個版本中選擇了四線制版本，理由如1.1部分所述，四線制比三線制多出了AO輸出，可以在使用DO輸出做自動光控開關的同時，給ARDUINO UNO提供具體環境光強數值。而后可以根據光強數值做出具體調節。

1.1.3控制部分

控制部分主體采用了ARDUINO UNO開發板。ARDUINOUNO是基于ATmega328P的ARDUINO開發板，擁有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可用于PWM輸出）、6個模擬輸入引腳，在需要連接多個傳感器與模塊的情況下保證了有足夠的引腳供使用。同時ARDUINO UNO自帶可自恢復保險絲，對于輸入電壓的允許范圍也較為寬容，這對于可能產生電壓不穩等情況的家庭場景使用是十分有利的，可以增強整個系統的魯棒性。

控制部分負責計算及指令發出任務，其工作流程如圖5所示。首先由HC-SR501進行人體檢測，若檢測到范圍內的人體活動則將TTL信號傳回ARDUINO UNO，開始進行適宜方案計算，圖6展示了適宜方案計算的整體流程。所謂適宜方案計算是指，以2017年修訂的《健康住宅評價標準》（圖7）[1]中提出的對健康住宅光環境的照度值的建議作為基準值，調用光敏傳感模塊得到測量值，計算測量值與基準值之間的偏差，最后交由執行部分進行調節。同時，為了照顧不同人群對于照度的不同需求，系統也實現了對于照度等數值的自我調節。使用者可以交由系統進行自動調節，也可以指定固定數值。在系統處理流程中，用戶指定數值相比計算值擁有更高的優先級。

1.1.4執行部分

執行部分由繼電器與LED燈珠構成。LED燈珠選用了由貼片5050燈珠構成的燈帶。因為考慮到在家庭場景中應用時對于照度值及安全性的要求，選用了額定電壓12v版本的燈帶，其額定功率12W/m，防水等級IP33，配合外殼足以應對家庭場景正常使用條件下的各種情況。繼電器為12v單路繼電器，使用了SRD-12VDC-SL-C繼電器，擁有AC IOA/250v、DC IOA/30v的負載能力，足以驅動需要量的負載，對于意外也有一定的承受能力。

1.2窗簾部分

1.2.1總體設計方案

本項目首先由光敏傳感器對外界光線進行采集外界光線，并將采集后的光強數據通過A/D轉換，轉換為電信號，后端采用單片機為系統控制平臺通過處理后的信息作用于電機驅動及電機，進而控制電機的正反轉，從而實現窗簾的打開與關閉，運作流程如圖8所示。

1.2.2硬件部分

1.2.2.1單片機

本項目選用ARDUINO來作為開發環境，ARDUINO也是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件和軟件。由于ARDUINO還具有跨平臺、開放性等特點，不需要太多的單片機基礎、編程基礎，簡單學習后，也可以快速地進行開發[2]。所以相較于其他軟件而言，ARDUINO應用起來更加的簡單清晰。

1.2.2.2傳感器

本設計選用12V光敏電阻傳感器，首先光敏電阻感應光線的強度，自帶繼電器，可以直接控制負載，配電位器調節靈敏度，通過調節電位器，設定啟動繼電器閾值，由《健康住宅評價標準》（圖7）[1]中提出的對健康住宅光環境的照度值的建議設定閾值，但由于用戶自身需求不同，所以用戶還可以根據自己的需求來改變閾值的大小，當暗于此閾值時，模塊繼電器吸合，亮于此閾值時，繼電器釋放，12V電源輸入專供繼電器使用：板載78L05穩壓三極管，提供傳感器比較實用，使產品更穩定可靠。

1.2.2.3電機驅動

收到處理后的信息作用于步進電機，本設計采用的步進電機是28BYJ4步進電機，配備uln2003驅動，驅動信號為脈沖信號。無脈沖時，步進電機靜止，加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比，還可以改變脈沖的順序，就可以改變轉動的方向，從而調整窗簾的開關，電機驅動過程如圖9。

1.2.3軟件部分

1.2.3.1設計思想

如果光照強度低于參考值，同時窗簾處于打開狀態，電機反轉，從而關閉窗簾，如果光照強度低于參考值，但是窗簾已經處于關閉狀態，則電機不轉。

如果光照強度高于參考值，同時窗簾處于關閉狀態，電機正轉，從而打開窗簾;如果光照強度高于參考值，但是窗簾已經處于打開狀態，則電機不轉[3]。

1.2.3.2運行流程

運行流程如圖10所示，先對系統進行初始化，之后調用函數驅動光敏電阻傳感器進行光線的數據采集，并通過A/D轉換，將模擬的光線數據轉換成數字電信號，傳送給處理器進行數據處理，之后判斷處理后的數據是否高于參考值，若不高于則結束操作，若高于參考值則電機驅動，窗簾打開。系統軟件設計通過對數據的采集、數據處理、電機驅動，從而實現步進電機的自主控制。

2 安全部分

2.1 綜合傳感器

2.1.1 設計方案

首先由測溫模塊DS18820及MQ氣體傳感器對廚房的溫度及可燃氣等氣體進行監測，并將各氣體濃度及廚房溫度是否正常顯示在液晶屏上，一旦某項數據超出設置閾值，模塊會觸發ARDUINO上的蜂鳴器報警，使用戶得以及時發現險情加以處理，防止災害發生。整個流程如圖11所示。

2.1.2 硬件選擇

2.1.2.1 液晶屏LCD12864

LCD12864是圖形點陣式液晶顯示器，擁有內置漢字及字符并且提供自定義字符生成功能，可提供4組16*16點陣的空間，使得使用更加便利。它利用液晶經過處理后能改變光線的傳播方向，以電流刺激液晶分子產生點、線、面并配合背光構成畫面。并且可配合其他單片機完成漢字，字符，圖形等顯示，可構成人機交互的圖形界面，該模塊功耗低，顯示內容豐富，使各氣體濃度及廚房溫度是否正常完整清晰地顯示在屏幕上。

2.1.2.2測溫模塊DS18820

DS18820數字溫度計提供9-12位攝氏溫度測量，并具有報警功能，具有非易失性用戶可編程的上下觸發點。DS18820通過1-Wire總線進行通信，僅需一個端口引腳即可實現通信。它的工作溫度范圍為-55C至+125℃，精確到在-lOcC至+85℃的范圍內正負0.5℃，精度很高，滿足家庭防火的需求。并且DS18820可以直接從數據線獲得電源，無須外部電源，使用起來也更加方便。

圖12為測溫模塊DS18820的原理圖，通過DO端與ARDU-INO UNO的digital部分接口相連，并將所接

2.1.2.3 MQ氣體傳感器

MQ氣體傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（Sn02）。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉化為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ氣體傳感器采用優質雙面板設計，具有電源指示和TTL信號輸出指示，TTL輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機模塊。并且MQ氣體傳感器對甲烷、一氧化碳等都有良好的靈敏度，這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，特別是天然氣，而我國大部分廚房所使用的基本是天然氣，所以這是一款適合放置在廚房的低成本傳感器。將MQ氣體傳感器模塊的DO輸出端與ARDUINO uno的digital部分接口相連，并將所連接口設置為in模式即可測得廚房天然氣等氣體的濃度是否超出閾值。

2.1.2.4蜂鳴器模塊

該模塊采用S8050三極管驅動，工作電壓為3.3V至5V，并且設有固定螺栓孔方便安裝，當1/O口輸入高電平時，蜂鳴器發聲，提醒用戶及時處理。

3 網絡部分

本文所設計的智能家居系統軟件運行主要通過多個AR-DUINO UNO對室內環境監測得到數值，而后進行本地預算以及上傳云端進行統籌，進而實現終端執行部分的智能化運行。系統可分為數據收集部分與數據處理部分。其中的數據收集部分由ARDUINO UNO與ESP8266芯片所組成，其工作流程如圖13所示。傳感器測得數據后將其傳回ARDUINO UNO，AR-DUINO UNO通過ESP8266芯片連接WIFI，將數據傳回YEELINK的云端服務器。數據處理部分由ARDUINO UNO與云端服務器共同進行處理，云端服務器處理后的數據主要用于在線上向用戶展示家中情況，ARDUINO UNO處理后的數據則用于決定執行部分如何運行[4]。接口設置為in模式即可測量廚房具體溫度。

4 結束語

本文設計了一個以物聯網技術為基礎的智能家居系統，可以依據多種數據智能調節燈具、窗簾屬性。本系統設計主要以高集成度為核心，選用ARDUINO來作為開發環境，通過各項技術對家庭網絡進行構建，用傳感器感應各模塊的信息從而實現各個智能家居的自動打開或關閉。檢測精準迅速，實時性能良好，工作可靠且功耗低，可以滿足個人現代化的需求[5]，從而實現智能家居的應用和推廣。

參考文獻：

[1] T/CECS 462-2017，健康住宅評價標準[Ml.北京：國家住宅與居住環境工程技術研究中心，中國建筑設計院有限公司，2017.

[2]劉偉，智能電動窗簾設計[D].成都：成都信息工程學院，2011.

[3]歐陽宇軒.智能窗簾系統設計[J].電子技術與軟件工程，2013（15）.

[4]王琳，肖軍，劉洲洲，基于NB-IOT的智能家居系統的構建[Jl.計算機技術與發展，2020（3）.

[5]張秀瑞，李樹新，葛文珍，等，基于自動化的智能家居系統探究[Jl.電子測試，2020（3）：58-59.

【通聯編輯：王力】

基金項目：南京大學金陵學院校級大學生創新項目（136462019009X）;南京大學金陵學院教改項目（0010521607）