基于Android的智能家居環境控制系統設計

藺麗莉

（北京信息職業技術學院 北京 100015）

伴隨著人工智能技術的快速發展，人們對智能化家居生活的需求越來越高。為滿足人們對高品質生活的追求，智能化、舒適化的家居環境成為當今人工智能研究的熱點。智能化家居環境控制系統首先能夠實時監測環境溫濕度數據，并且還能夠根據業主對居住環境的個性化需求自動調節溫度、濕度環境變量，最重要的是操作簡單，可以滿足不同職業和年齡的用戶使用。

本研究設計出一種基于Arduino平臺的智能家居環境控制系統。基于以上的控制要求，為保證居住環境的適宜度，其采用智能溫濕度控制系統來控制室內溫濕度，適宜的溫度可保證室內住戶的舒適度，足夠的濕度可保證人們身體的健康度。

一、系統方案

本設計使用Arduino UNO開發板作為主控板來實現自動調節室內的溫度和濕度兩個功能。因此，根據上述控制要求，本研究制定了如圖1所示的系統設計方案。其系統大致可分為三個部分：輸入部分即數字溫濕度模塊、主控制部分即Arduino、輸入部分即驅動部分和顯示部分。整個系統的工作流程為：首先，利用溫濕度傳感器檢測室內的溫度與濕度值，將采集得到的信息輸入到主控制器上。主控制器一方面將溫濕度傳感器檢測信息發送到液晶顯示屏實時顯示輸出，另一方面進行信號處理，即根據用戶預先設計的溫濕度值完成數據對比。其次，當用戶不滿足設定好的標準值時，其可以通過控制電路自動啟動驅動裝置工作進行調節，利用直流電機驅動風扇運轉降低室內的溫度，利用加熱芯片加熱升高室內的溫度，利用加濕器增加室內的濕度，以達到預設的溫度、濕度值，保持室內環境的舒適度。[1]該系統設計原理圖如圖1所示。

圖1 基于Android的智能家居環境控制系統設計原理圖

二、系統硬件構成及電路設計

（一）微處理器的選擇

微控制器是控制系統的核心。本系統采用Bluno主控板，Bluno是一款相當于集成了藍牙4.0通信模塊的Arduino UNO開發板。UNO是一塊基與開放原始代碼的Simple i/o平臺。其具有使用類似java，C語言的開發環境，可以快速使用Arduino語言與Flash或Processing等軟件做出互動。Arduino可以使用開發完成的電子元件，如Switch或Sensors或其他控制器、L ED、步進電機或其他輸出裝置。Arduino也可以獨立運作成為一個可以跟軟件溝通的平臺。例如，flash processing Max/MSP VVVV 或其他互動軟件，Arduino開發IDE界面基于開放原始碼原則，可以讓人們免費下載使用開發出更多令人驚奇的互動作品。該裝置同樣使用了更強大的ATmega16U2替代8U2，或者說是之前版本的FTDI版。它允許更快地轉換速度和更大內存，使得UNO R3版本在Linux或者Mac下不需要安裝任何驅動程序。Bluno主控板具有14 路數字輸入輸出，6 路模擬輸入，1 路UART接口，非常適合小型的輸入輸出接口控制的對象。相比基于無線智能家居等控制系統，其更適合居民家庭應用。[2]

（二）智能溫濕度控制系統主要硬件構成

該系統的硬件構成如下表1所示。

表1 智能溫濕度控制系統主要硬件構成

1. IO傳感器擴展板 V7.1

該裝置增加連接元器件的擴展板主要用于增加連接口數量，對需要連接多種傳感器/舵機/其他元器件的設備，使用時方便擴展。其把Arduino的端口擴展成3P接口，直插3P傳感器模塊，14個數字口（6個PWM口），6個模擬口。IO擴展板的最大好處之一是大大擴展了控制板上僅限的幾個電源接口和GND接口。如果連接多個傳感器時，就不用擔心會出現電源接口不夠的情況。引腳定義如下圖2所示。

圖2 引腳圖

2. DHT11 溫濕度傳感器

本設計采用DHT11溫濕度傳感器，用于檢測周圍環境的溫度和濕度。其濕度測量范圍20%～95%，濕度誤差+5%～-5%；溫度測量范圍0°～50°誤差+2°～-5°；工作電壓在3.3～5V DC之間供電；信號傳輸形式是數字輸出。

3. DC可調穩壓電源板（3A）

其使用時，擴展板為該模塊供電，調節電位器，輸出電壓就可以在1.25～30V調整，為負載供電。另外，如果當設備需要3～35V供電而手里沒有對應的電源時，用這個模塊就可以方便地把電壓調整到所需電壓，為人們解決困擾。該系統工作電壓測試：做項目時可以使用本模塊調試出各種電壓，以便測試系統工作電壓的范圍。

圖3 設計圖

4. 5V帶光耦隔離繼電器模塊

該模塊帶有光耦隔離，觸發可靠、穩定，并且配有電源和繼電器動作指示燈。該燈吸合亮，斷開不亮。當信號輸入端有高電平信號時，公共端與常開端會導通繼電器可以直接控制各種設備和負載。

5. 液晶顯示模塊選擇

本系統采用LCD1602液晶屏模塊。該液晶顯示模塊是專門用于顯示字母、數字元、符號等的點陣型顯示模塊。其采用了帶背光電源控制的RGB的背光燈，不僅可以設置是否連接背光電源，還可以使顯示屏顯示出藍、綠、灰三種顏色。液晶顯示模塊與微控制器通過I2C方式通信[3]，詳細電路設計圖如圖3所示。

三、結束語

基于Arduino平臺的智能家居環境控制系統不但實現了實時監控家居環境溫度和濕度參數，而且能夠根據用戶需求自動調控室內的溫濕度，滿足了人們對智能家居的需求，有效改善室內環境的舒適度。本設計特別是采用Arduino UNO開發板作為主控板，使整個設計具有結構簡單、低成本、溫濕度參數設置方便、易擴展等優點，更適合居民家庭應用。其能夠較好地實現智能家居遠程控制，對其他智能家居設計具有一定的借鑒價值。