基于開源硬件的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

冀毅星，畢 波，唐錦萍

（1.東北石油大學數(shù)學與統(tǒng)計學院，黑龍江大慶 163318；2.黑龍江大學數(shù)據(jù)科學與技術學院，黑龍江哈爾濱 150080）

隨著社會的進步，人們的生活質量也不斷提高，越來越多的人開始追求更高檔的生活，智能家居作為現(xiàn)代智能化方向發(fā)展的重要組成部分，也逐漸在人們的生活環(huán)境產生更重要的影響。與普通住宅相比，智能家居不僅可以改善家庭生活環(huán)境，提高家庭生活的舒適性與便利性，還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控家中各種設備的狀態(tài)。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)技術的主要應用之一，在給人們生活帶來便利的同時也產生了功耗、成本以及安全性等問題。該文主要研究基于開源硬件的智能家居控制系統(tǒng)，以Arduino UNO開發(fā)板為核心，結合具體需求搭建各部分電路，通過開源硬件嵌入式系統(tǒng)對智能家居中設備進行控制，具有方便、智能、低成本等特點。提高了家居的智能化水平，使操作更加及時、便捷、高效。

1 系統(tǒng)整體設計

該項目設計的智能家居系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及安防系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)主要由Arduino 控制器、無線設備、紅外發(fā)生裝置以及傳感器等組成，其主要作用是將所有控制開關一體化，由傳感器紅外裝置感應室內情景變化，通過無線設備反饋到主控制器，主控制系統(tǒng)給出相應的指令反饋給子系統(tǒng)，令其做出相應的調整。

控制系統(tǒng)主要由esp8266WiFi 模塊、無線設備、Arduino控制器、傳感器、相應的電機與控制電路組成，其主要作用是由esp8266WiFi 模塊進行聯(lián)網(wǎng)，通過傳感器檢測室內開關各類家電狀態(tài)進行實時信息反饋，接收由控制系統(tǒng)發(fā)送的命令，最后把執(zhí)行結果返回。

安防及監(jiān)測系統(tǒng)主要由Arduino 控制器、無線設備、傳感器、監(jiān)控設備以及相應的信號電路組成，其主要作用是檢測室內溫度、濕度、空氣質量等變化并給出相應的指令，而且還能檢測室內火情、水溢、有害氣體泄漏、非法人員闖入等安全問題并及時發(fā)出警報。

對于以上的各個子系統(tǒng)的功能，該文主要采用了以Arduino UNO為控制核心，基于ZigBee協(xié)議的XBee模塊為無線傳輸模塊[1-2]，并采用了基于WiFi的esp8266模塊作為遠程控制模塊，智能家居系統(tǒng)具體結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

該文研究的基于Arduino 開發(fā)板的智能家居系統(tǒng)硬件部分主要包括主控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安防系統(tǒng)4 個子系統(tǒng)[3-4]。

圖1 智能家居系統(tǒng)具體結構

2.1 照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)的主要功能在于將所有的控制開關一體化，不再讓人在想調整燈的狀態(tài)時需要走到燈的開關處，在需要進行調整時只需要在手機上進行開關操作即可，實現(xiàn)了照明設備的遠程控制。

照明系統(tǒng)中包含的硬件設備主要有Arduino UNO 開發(fā)板、繼電器、人體紅外線電子感應器，超聲波傳感器等。系統(tǒng)具體的電路設計如圖2、3 所示。

圖2 獨立小燈的線路圖

圖2 設計的是照明系統(tǒng)在無人控制的狀態(tài)下根據(jù)家居內部環(huán)境的變化按照設定的格式自動對照明設備做出調整。照明系統(tǒng)處于無人控制狀態(tài)時也可以進行人為控制且人為指令優(yōu)先于設定指令。

圖3 人控小燈線路圖

圖3 設計的是在有人狀態(tài)下照明系統(tǒng)通過一系列傳感器感應人的活動狀況從而對照明設備狀態(tài)進行調整，此外人也可以通過手機端發(fā)出指令對照明設備狀態(tài)進行調整。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通過esp8266WiFi 模塊進行聯(lián)網(wǎng)。在同一局域網(wǎng)下，可以通過手機或電腦向esp8266 模塊發(fā)送指令，esp8266 接收到指令后，可以傳給Arduino控制板，進而對指令進行相應的判斷，以此控制接入了Arduino控制器的家電。同時也可以通過各傳感器給Arduino 控制器的反饋來實現(xiàn)Arduino 控制家電。控制系統(tǒng)中主要用到的硬件設備有Arduino UNO 開發(fā)板、esp8266 開發(fā)板、步進電機、溫濕度傳感器以及電位器等。其中esp8266開發(fā)板是WiFi串口模塊，功能可簡要概括為：從WiFi 接收到數(shù)據(jù)，串口輸出；從串口接收數(shù)據(jù)，WiFi輸出數(shù)據(jù)。實物圖如圖4所示。

圖4 esp8266模塊

控制系統(tǒng)利用esp8266 模塊結合Arduino 開發(fā)板使家居中家電設備聯(lián)網(wǎng)通過手機APP 實現(xiàn)家電的遠程控制，該系統(tǒng)中主要實現(xiàn)的可控家電有智能窗簾、智能空調等[5-9]。其中智能窗簾主要是利用紅外遙控設備、步進電機、傳感器實現(xiàn)窗簾的定時開合以及遙控開合電路設計，如圖5 所示。

圖5 窗簾結構及電路連接結構圖

智能空調利用溫度傳感器感應室內溫度變化進行模式的自動切換以維持室內溫度穩(wěn)定，并且可以進行遠程控制，電路設計如圖6 所示。

圖6 智能空調的連接結構圖

2.3 安防監(jiān)控系統(tǒng)

安防監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)了火災報警、室內實時監(jiān)控等功能，其中火災報警裝置主要是利用火焰報警器和蜂鳴器，組成火災報警裝置，能夠在家里產生明火的時候迅速報警，提醒居住者處理火源[10-12]。電路設計如圖7所示。

圖7 火災報警系統(tǒng)電路圖

實時監(jiān)控功能利用基于TTL 通信接口的攝像頭模塊通過定時拍照并上傳到連接在Arduino 控制板上的SD 卡上，人可以通過SD 卡實時觀看室內攝 像[13-14]。電路設計如圖8 所示。

圖8 實時監(jiān)控系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)的整體設計方案，系統(tǒng)在開始運行后由遠程控制端向Arduino 發(fā)送數(shù)據(jù)，主控制端的Arduino 接收指令后進行處理通過XBee 向各個子系統(tǒng)發(fā)送指令，各個子系統(tǒng)通過XBee 終端接收控制信號處理后傳給Arduino UNO，從而使Arduino UNO 驅動電路使各個裝置按照指令運行，同時每個裝置也可將運行狀態(tài)實時反饋到遠程控制端。整個系統(tǒng)軟件流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 照明系統(tǒng)軟件設計

該部分程序主要實現(xiàn)通過紅外、超聲波、光敏等傳感器檢測室內光線以及人員活動情況從而對室內照明設備工作狀態(tài)進行調整，具體算法流程如圖10所示。

3.2 控制系統(tǒng)

1）智能窗簾

圖10 智能照明系統(tǒng)執(zhí)行流程圖

通過esp8266WiFi 模塊進行聯(lián)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡獲取當?shù)貐^(qū)時間，進而反饋給Arduino 控制板。Arduino板判斷獲取的時間和設定的時間是否相等，如果相等，Arduino 板發(fā)送指令控制步進電機來進行開或關窗簾的操作。同時，將手機連入該IP 地址，進而可以通過向esp8266 板發(fā)送操作指令來控制步進電機轉的圈數(shù)以實現(xiàn)窗簾的開合程度。紅外和電位器作用機制是直接向Arduino 發(fā)送信息來控制窗簾。流程圖如圖11 所示。

2）智能空調

通過溫度傳感器模塊獲取環(huán)境溫度，通過環(huán)境的溫度與事先設定的溫度進行比較，來控制紅外發(fā)射模塊向空調發(fā)射信號，來控制空調的工作模式。通過esp8266WiFi 模塊進行聯(lián)網(wǎng)，手機連入該IP 地址，可以實現(xiàn)對空調的遠程控制，并且查看空調的工作狀態(tài)。流程圖如圖12 所示。

3.3 安防監(jiān)控系統(tǒng)

1）火災報警

圖11 智能窗簾運行流程圖

圖12 智能空調運行流程圖

將火焰?zhèn)鞲衅髋cArduino 開發(fā)板模擬信號輸入接口連接，蜂鳴器與輸出信號接口連接，Arduino 通過串口讀取火焰?zhèn)鞲衅髂M值，有火焰靠近和無火焰時火焰?zhèn)鞲衅鞯哪M值分別為600 左右和50 左右，因此先存儲一個沒有火焰時模擬口的模擬值i。接著不斷循環(huán)讀取模擬口模擬值j，同存儲的值做差值k=j-i，差值k與500 做比較。差值k如果大于500，則判斷有火焰靠近，蜂鳴器發(fā)出聲音報警；如果差值小于500，則蜂鳴器不響。流程圖如圖13所示。

圖13 火焰報警器執(zhí)行流程圖

2）實時監(jiān)控

攝像頭與Arduino 連接，程序開始運行前首先檢測攝像頭、SD 卡是否正常工作，當程序檢測到SD卡和攝像頭都已經準備就緒時，開始執(zhí)行拍照程序，該拍照程序每次拍照間隔10 ms。流程圖如圖14所示。

4 結束語

圖14 實時監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行流程圖

文中設計的智能家居系統(tǒng)主要是以開源硬件Arduino UNO 為核心結合基于ZigBee 協(xié)議的無線通信設備XBee 模塊、基于WiFi 技術的esp8266 模塊以及一系列相關的配件構成的，該系統(tǒng)以Arduino 開發(fā)板以及XBee 模塊構成了主控制系統(tǒng)，另外包括智能照明、智能控制和智能安防3 個子系統(tǒng)，實現(xiàn)了照明智能化、家電控制智能化、火災報警以及實時監(jiān)控等功能[15-16]。此外，采用ZigBee 無線通信技術[17-19]實現(xiàn)了低功耗、低成本、安全性以及可靠性等目標。