基于Arduino平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

佟源洋，趙鈺，方圓，劉鑫

（1.大連理工大學(xué)軟件學(xué)院，大連116600；2.中北大學(xué)，太原　030051）

TONG Yuan-yang1，ZHAO Yu1，F(xiàn)ANG Yuan1，LIU Xin2

（1.School of Software Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116600；2.North University of China，Taiyuan 030051）

基于Arduino平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

佟源洋1，趙鈺1，方圓1，劉鑫2

（1.大連理工大學(xué)軟件學(xué)院，大連116600；2.中北大學(xué)，太原030051）

0　引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念越來(lái)越普及，各大互聯(lián)網(wǎng)公司例如蘋果、谷歌等加快了智能家居產(chǎn)品推廣進(jìn)程，未來(lái)智能家居系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。智能家居系統(tǒng)通過(guò)整合計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)，集中安防系統(tǒng)、家電系統(tǒng)、多媒體娛樂(lè)等功能于一體，為用戶提供了溫馨舒適、安全便利的生活條件，滿足信息化時(shí)代人們追求高品質(zhì)的生活需求［1］。智能家居在國(guó)內(nèi)正處于發(fā)展階段，研究并設(shè)計(jì)一款能夠滿足人們需求的智能家居系統(tǒng)模型，對(duì)智能家居的實(shí)際研發(fā)及部署具有重要意義［2］。

本文設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)模型，并最終完成了模型實(shí)物，為研究智能家居提供了一種設(shè)計(jì)思路。

1　系統(tǒng)需求描述

智能家居系統(tǒng)模型采用Arduino作為核心控制單元，主要由五個(gè)模塊組成，即監(jiān)測(cè)模塊、溫控模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、報(bào)警模塊和顯示模塊。這五個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能［3］。

監(jiān)測(cè)模塊主要由溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯冉M成，對(duì)家居環(huán)境中溫度、濕度和煙霧濃度等環(huán)境變量進(jìn)行采集，并換成數(shù)字信號(hào)，然后將這些數(shù)據(jù)提供給Arduino做進(jìn)一步處理。溫控模塊主要由溫度傳感器、加熱設(shè)備和制冷設(shè)備共同組成，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)溫控子系統(tǒng)，Arduino根據(jù)溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)操控加熱和制冷設(shè)備，最終將溫度控制在22-24攝氏度范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)模塊由ENC28J60和GSM構(gòu)成，其主要任務(wù)是將本模型連接到網(wǎng)絡(luò)，然后利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)Yeelink實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居模型的監(jiān)視和控制，以及通過(guò)GSM發(fā)送短信。報(bào)警模塊主要由蜂鳴器、氣體傳感器和人體感應(yīng)器組成，模型用蜂鳴器模擬室內(nèi)報(bào)警鈴聲，其主要任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居環(huán)境安全，當(dāng)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)氣體或有人闖入時(shí)，報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)。顯示模塊由一塊液晶顯示屏組成，其主要任務(wù)是將采集到的環(huán)境信息顯示到LCD上，將家居環(huán)境信息以數(shù)字化形式呈現(xiàn)到用戶面前。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用增量式開發(fā)，首先實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體運(yùn)行，之后逐漸添加功能。本系統(tǒng)每個(gè)階段的功能設(shè)計(jì)如下：

第一階段：通過(guò)傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行信號(hào)采集，包括溫度測(cè)量、濕度測(cè)量、光亮度測(cè)量、紅外線檢測(cè)、煙霧檢測(cè)等。第二階段：Arduino控制中心將會(huì)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行安全判定，不符合的將會(huì)通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)接受指令進(jìn)行門窗的開關(guān)，閉環(huán)控制系統(tǒng)的溫度控制操作。第三階段：實(shí)現(xiàn)將傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)手機(jī)、網(wǎng)頁(yè)查看傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)出指令到Arduino控制中心。第四階段：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互功能，使系統(tǒng)具有語(yǔ)音控制功能。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括帶有處理器的核心板、監(jiān)測(cè)模塊、溫控模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、報(bào)警模塊和顯示模塊及其電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1　智能家居系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)框圖

Arduino開發(fā)板對(duì)智能家居其他子系統(tǒng)進(jìn)行控制操作，為用戶提供實(shí)時(shí)交互服務(wù)［4］。通過(guò)對(duì)開發(fā)板進(jìn)行功能分析，得出核心開發(fā)板應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)方案：

（1）完成人機(jī)交互功能。用戶可通過(guò)智能主控制模塊對(duì)智能家居系統(tǒng)模型進(jìn)行整體控制，必定會(huì)涉及到人機(jī)交互的操作［5］，所以為了更好的人性化服務(wù)，可在該模塊上提供LCD顯示屏。

（2）完成家電控制以及獲取傳感器信號(hào)采集功能。Arduino開發(fā)板通過(guò)GPIO進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。

輸入部分的信號(hào)包括：環(huán)境溫度信號(hào)、環(huán)境濕度信號(hào)、環(huán)境光照強(qiáng)度信號(hào)、煙霧傳感器輸出信號(hào)、紅外信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程指令、火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)。

輸出部分的信號(hào)包括：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境光照強(qiáng)度、煙霧指標(biāo)、報(bào)警信息。

（3）及時(shí)處理各個(gè)模塊的請(qǐng)求，通過(guò)中斷方式對(duì)不同模塊請(qǐng)求或控制指令進(jìn)行處理。

Arduino核心開發(fā)板UNO上的AVR單片機(jī)AT-mega328主要封裝了CPU、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘和外圍設(shè)備等［6］，如圖2所示。

Arduino UNO開發(fā)板擁有20個(gè)GPIO引腳且其中6個(gè)引腳具有AD轉(zhuǎn)換等特性，具有功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及串口等通訊接口，使用RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，采用了單級(jí)流水線、快速單周期指令系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，具有1MIPS/MH z的高速運(yùn)行處理能力［7］。其32KB的程序存儲(chǔ)器也滿足智能家居系統(tǒng)模型的需要［8］。

圖2　Arduino開發(fā)板設(shè)備封裝

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使各個(gè)模塊協(xié)調(diào)合作共同完成系統(tǒng)功能，這些功能包括家居環(huán)境數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能。系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示，系統(tǒng)運(yùn)行包括三個(gè)組成部分，分別是中斷服務(wù)部分、配置部分和執(zhí)行部分，分別介紹如下。

圖3　系統(tǒng)工作流程圖

配置部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式前的配置，包括Arduino核心控制單元的引腳狀態(tài)設(shè)置、各設(shè)備初始化、網(wǎng)絡(luò)連接初始化、定時(shí)器中斷設(shè)置等任務(wù)。

中斷服務(wù)部分通過(guò)傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行信號(hào)采集。這些任務(wù)包括溫度測(cè)量、濕度測(cè)量、光亮度測(cè)量、紅外線檢測(cè)、煙霧檢測(cè)等。信息采集完畢后，Arduino核心控制單元將會(huì)對(duì)這些信息是否處于安全范圍內(nèi)進(jìn)行分析，如發(fā)現(xiàn)有不符之處，則會(huì)通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行報(bào)警。如溫度超限，則通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

執(zhí)行部分的任務(wù)為將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)Yeelink平臺(tái)存儲(chǔ)到網(wǎng)上，通過(guò)手機(jī)和PC機(jī)瀏覽器可查看傳感器數(shù)據(jù)，并發(fā)出指令到Arduino核心控制單元。

（1）監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)模塊的主要任務(wù)是對(duì)家居環(huán)境中溫度、濕度和煙霧濃度等環(huán)境變量進(jìn)行采集，并將這些環(huán)境變量裝換成數(shù)字化的電信號(hào)，然后將這些數(shù)據(jù)供Arduino使用。本文介紹的智能家居系統(tǒng)模型監(jiān)控模塊軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括兩個(gè)部分：一是，將濕度傳感器DHT11的單總線數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成用戶易識(shí)別的十進(jìn)制數(shù)字；二是，對(duì)于溫度傳感器DS18B20采用單總線設(shè)計(jì)，便于傳感器數(shù)量的擴(kuò)展。其他傳感器數(shù)據(jù)獲取相對(duì)簡(jiǎn)單，利用Arduino引腳直接讀取數(shù)據(jù)。

DHT11每次返回的數(shù)據(jù)有40bit，其中的前8bit是濕度的整數(shù)部分。由于系統(tǒng)對(duì)濕度的精度的要求不高，取其前8bit就能滿足需求。Arduino引腳在讀取DHT11的數(shù)據(jù)時(shí)是按位逐次讀取，為了提高效率，只對(duì)獲取的數(shù)值是1的位進(jìn)行賦值，其余的位仍然保持原值0。

（2）溫控模塊軟件設(shè)計(jì)

溫控模塊的主要任務(wù)是將房間2的溫度控制在預(yù)先設(shè)定的溫度上，當(dāng)然也可以是溫度范圍。溫控模塊包含三個(gè)部：制冷設(shè)備，加熱設(shè)備和溫度傳感器。溫控模塊需要這三個(gè)部分協(xié)調(diào)合作才能實(shí)現(xiàn)控制溫度的恒定。

控制室內(nèi)溫度恒定的算法本文采用二值法，二值法的溫度偏離在人們可以接受的范圍內(nèi)，而且二值法具有較高的效率。其基本工作原理是：溫度傳感器負(fù)責(zé)采集溫度信息，這些信息會(huì)和事先設(shè)定的溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。若采集的溫度高于設(shè)定溫度則打開制冷設(shè)備，關(guān)閉加熱設(shè)備，降低室內(nèi)溫度；若采集的溫度低于設(shè)定溫度則打開加熱設(shè)備，關(guān)閉制冷設(shè)備，升高室內(nèi)溫度，直到溫度達(dá)到設(shè)定溫度為止。該模塊的程序流程圖如圖4所示。

圖4　溫控模塊流程圖

（3）網(wǎng)絡(luò)模塊軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)模塊采用已經(jīng)集成好的Arduino網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板ENC28J60。網(wǎng)絡(luò)模塊一端連接智能家居系統(tǒng)模型，另一端連接Yeelink網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，采集到的所有數(shù)據(jù)都可以上傳到該平臺(tái)。對(duì)家庭電器的遠(yuǎn)程控制也要通過(guò)Yeelink網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)模塊的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接，數(shù)據(jù)的上傳和下載。在這一部分可以使用Arduino現(xiàn)成的庫(kù)EtherCard，其中包含網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)下載的基本函數(shù)。在連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，Arduino屬于客戶端。系統(tǒng)作為客戶端連接入網(wǎng)的基本過(guò)程是：首先初始化網(wǎng)絡(luò)模塊，設(shè)定獲取的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩存區(qū)大小和MAC地址；然后獲取IP地址，這里是連接到DHCP服務(wù)器自動(dòng)獲取；最后連接到Y(jié)eelink網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)。每一步都有相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)可以使用，按照這個(gè)順序即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接。

數(shù)據(jù)的上傳和下載都有相關(guān)的庫(kù)函數(shù)使用。這里需要用到下面兩個(gè)函數(shù)：

ether.browseUrl（）函數(shù)能夠從Yeelink網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)上獲取指定位置的開關(guān)的狀態(tài)。數(shù)據(jù)包如圖5所示。本文的解決方法是首先將獲取的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成字符串，從字符串中截取表示你開關(guān)狀態(tài)部分。

圖5　數(shù)據(jù)包

ether.httpPost（）函數(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)上傳到Y(jié)eelink網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)指定位置并存儲(chǔ)。每一個(gè)設(shè)備都是一個(gè)文件，具有唯一的URL。對(duì)于數(shù)據(jù)上傳，它實(shí)際上就是將數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備文件上進(jìn)行保存，然后以設(shè)定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行保存。保持上傳的數(shù)據(jù)格式和設(shè)定的數(shù)據(jù)格式一致是數(shù)據(jù)上傳能否成功的關(guān)鍵。本系統(tǒng)選擇的是數(shù)值型傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是所有上傳的數(shù)據(jù)最終會(huì)以二位曲線圖顯示，便于用戶觀察。

這兩個(gè)函數(shù)都要有回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)在調(diào)用它的函數(shù)執(zhí)行完畢時(shí)才會(huì)被調(diào)用。可以把從數(shù)據(jù)包中截取開關(guān)狀態(tài)任務(wù)交給回調(diào)函數(shù)來(lái)完成。

（4）報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊的主要任務(wù)是保衛(wèi)家居安全，當(dāng)有陌生人闖入室內(nèi)，或者是檢測(cè)到室內(nèi)有危險(xiǎn)氣體泄漏，或者是檢測(cè)到家庭意外火災(zāi)，報(bào)警模塊都會(huì)發(fā)出警報(bào)聲提醒住戶危險(xiǎn)。報(bào)警模塊用到一個(gè)蜂鳴器和四個(gè)傳感器，包括兩個(gè)人體感應(yīng)器HC-SR501和兩個(gè)個(gè)氣體傳感器MQ-2。其基本工作流程是：房間1和房間2中的兩個(gè)人體感應(yīng)器時(shí)刻監(jiān)視室內(nèi)，當(dāng)人體感應(yīng)器監(jiān)測(cè)到陌生人闖入室內(nèi)時(shí)，人體感應(yīng)器返回值是1，警報(bào)器（蜂鳴器）開始蜂鳴報(bào)警。同時(shí)，室內(nèi)有有害氣體時(shí)，警報(bào)器開始報(bào)警。其流程圖如圖6所示。

（5）顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

顯示模塊的主要任務(wù)是將監(jiān)測(cè)模塊采集到的溫度、濕度、煙霧濃度和人體感應(yīng)等信息實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。顯示模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是利用74HC595擴(kuò)展引腳的數(shù)目。本文介紹的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用了兩片74HC595擴(kuò)展引腳，它們共用一個(gè)TH_CP引腳，這樣LCD部分和LED部分?jǐn)?shù)據(jù)移位保持步調(diào)一致。對(duì)于LCD部分，Arduino愛好者開發(fā)了以 74HC595驅(qū)動(dòng)LCD的庫(kù)LiquidCrystal595，直接調(diào)用庫(kù)中相關(guān)函數(shù)就能顯示想要顯示的內(nèi)容。對(duì)于LED部分，使用數(shù)組存放每個(gè)LED燈狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)串行輸入74HC595，然后并行輸出驅(qū)動(dòng)每個(gè)LED。利用74HC595控制LED分為兩部，將控制LED的數(shù)據(jù)信息按順序存放至數(shù)組中，將這個(gè)長(zhǎng)度為8的數(shù)組裝換成一個(gè)十進(jìn)制的整數(shù)，最后將這個(gè)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)逐位輸入74HC595。

圖6　報(bào)警模塊流程圖

3　智能家居系統(tǒng)模型測(cè)試

3.1硬件測(cè)試

對(duì)智能家居系統(tǒng)模型的各個(gè)模塊進(jìn)行硬件測(cè)試時(shí)，通過(guò)使用萬(wàn)用表，對(duì)智能家居系統(tǒng)模型上使用到的電阻、電容等器件進(jìn)行測(cè)量，確保所有元器件都能正常工作；通過(guò)使用示波器對(duì)電路的測(cè)試來(lái)確定電路中電壓大小是否與設(shè)計(jì)電壓相吻合，確保各芯片的接入電壓介于其適用范圍內(nèi)。其測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試情況表1所示。

表1　智能家居系統(tǒng)模型硬件測(cè)試情況表

對(duì)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的制冷和加熱模塊，通過(guò)DS18B20溫度傳感器和一顆經(jīng)過(guò)測(cè)試的其他類型溫度傳感器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)對(duì)比測(cè)試，通過(guò)設(shè)置不同的溫度，發(fā)現(xiàn)溫度最低為2攝氏度，最高可以為50攝氏度，且保持的溫度越向兩級(jí)設(shè)置，穩(wěn)定下來(lái)的時(shí)間越久。其中最低溫度需要7分鐘，最高溫度需要3.5分鐘。

對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行矯正測(cè)試，包括溫濕度及煙霧傳感器，均通過(guò)其他經(jīng)過(guò)驗(yàn)證過(guò)的傳感器進(jìn)行對(duì)比，得出誤差結(jié)果。結(jié)果顯示均在誤差范圍內(nèi)。

3.2軟件測(cè)試

（1）監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試

智能家居系統(tǒng)模型的測(cè)試目標(biāo)為：各種傳感器能準(zhǔn)確地讀取環(huán)境中的數(shù)據(jù)。其中溫度精確到0.01℃，濕度精確到1%，氣體傳感器的數(shù)值一般認(rèn)為300以內(nèi)是正常值。經(jīng)測(cè)試可知實(shí)際溫度為26.50℃，濕度為33.00%；兩個(gè)人體感應(yīng)器未檢測(cè)到有陌生人闖入；兩個(gè)氣體傳感器的測(cè)量值為111和168，均符合要求。對(duì)室內(nèi)進(jìn)行加熱，模擬室內(nèi)溫度變化，使環(huán)境中溫度升高，測(cè)量的溫度從26.50℃上升到33.94℃，這個(gè)測(cè)試結(jié)果說(shuō)明溫度傳感器DS18B20是正常工作的。用手臂模仿模擬陌生人，當(dāng)手臂在人體感應(yīng)器HC-SR501周圍擺動(dòng)時(shí)即可以認(rèn)為模擬陌生人闖入室內(nèi)，兩個(gè)人體感應(yīng)器的返回值都從0變?yōu)闉?，說(shuō)明人體感應(yīng)器正常工作。在模型中放入一杯開水，模擬室內(nèi)濕度變化的情況，過(guò)一段時(shí)間后，濕度測(cè)量值從33.00%上升至49.00%，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明濕度傳感器DHT11正常工作。點(diǎn)燃一根香煙放入模型內(nèi)，用來(lái)模擬房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)情況。氣體傳感器的返回值明顯升高，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明氣體傳感器MQ-2也正常工作。綜合以上測(cè)試結(jié)果，監(jiān)測(cè)模塊正常工作，符合設(shè)計(jì)的要求。

（2）溫控模塊測(cè)試

智能家居系統(tǒng)模型中的溫控模塊采用二值算法控制溫度恒定。對(duì)溫控模塊的數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果可以通過(guò)Arduino IDE的串口監(jiān)視串口進(jìn)行觀察。測(cè)試目標(biāo)為室內(nèi)溫度應(yīng)恒定在22攝氏度，測(cè)試過(guò)程及結(jié)果如圖7所示。

圖7　溫度控制檢測(cè)結(jié)果

由圖7可知，室內(nèi)溫度在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，但是基本穩(wěn)定在22℃左右。從整體上來(lái)講，這樣小的波動(dòng)并不影響人們的家居舒適度，能夠滿足人們的家居溫度控制需求，測(cè)試結(jié)果表明溫控模塊工作正常。

（3）網(wǎng)絡(luò)模塊測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)模塊的核心器件是ENC28J60，在智能家居系統(tǒng)模型中它的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)和Internet網(wǎng)絡(luò)的連接，完成系統(tǒng)和Yeelink服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。用戶可以通過(guò)PC或智能手機(jī)客戶端登錄Yeelink服務(wù)平臺(tái)觀察結(jié)果，并且可以通過(guò)手機(jī)客戶端或者電腦客戶端對(duì)LED進(jìn)行控制。測(cè)試目標(biāo)為數(shù)據(jù)上傳和遠(yuǎn)程控制LED。通過(guò)電腦客戶端觀察氣體傳感器數(shù)據(jù)上傳結(jié)果，在Yeelink服務(wù)平臺(tái)上觀察結(jié)果如圖8所示。

從圖8可知，上傳的數(shù)據(jù)最終都被上傳到Y(jié)eelink服務(wù)平臺(tái)上進(jìn)行存儲(chǔ)，可在直角坐標(biāo)系中觀察到近期的數(shù)據(jù)記錄情況。接下來(lái)測(cè)試遠(yuǎn)程控制LED燈，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明用戶可以運(yùn)程控制LED小燈。

（4）報(bào)警模塊測(cè)試

報(bào)警模塊的主要任務(wù)是當(dāng)危險(xiǎn)氣體濃度超標(biāo)或者有陌生人闖入時(shí)，報(bào)警模塊能夠發(fā)出聲音通知室內(nèi)的用戶。測(cè)試目標(biāo)為當(dāng)測(cè)量到有害氣體或監(jiān)測(cè)到有陌生人闖入時(shí)發(fā)出警報(bào)。在未模擬陌生人闖入并未向模型中放入點(diǎn)燃的香煙時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖9所示：

圖8　氣體曲線圖

圖9　正常情況下檢測(cè)結(jié)果

由圖9可知，煙霧警報(bào)和陌生人闖入警報(bào)的值都是0，蜂鳴器不蜂鳴。接下來(lái)模擬陌生人闖入或室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，此時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

此時(shí)，煙霧警報(bào)和陌生人闖入警報(bào)的值分別為1，并且可聽到蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明系統(tǒng)的報(bào)警模塊工作正常。

圖10　模擬危險(xiǎn)情況時(shí)檢測(cè)結(jié)果

（5）顯示模塊測(cè)試

顯示模塊只需滿足數(shù)字和英語(yǔ)字符的顯示，測(cè)試目標(biāo)為顯示讀取的溫度值和字母字符。測(cè)試結(jié)果表明，LCD1602正常顯示數(shù)字和字符，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明顯示模塊正常工作。

4　結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款性價(jià)比高，實(shí)用性廣，功能多樣且開發(fā)快速的智能家居系統(tǒng)模型模型。完成的智能家居系統(tǒng)模型的基本功能如下：能夠遠(yuǎn)程控制模擬家電的開關(guān)狀態(tài)；能夠采集家庭環(huán)境信息并進(jìn)行顯示和遠(yuǎn)程展示；能夠防護(hù)家庭安全，一旦出現(xiàn)異常狀況，能及時(shí)發(fā)送信息至用戶；用戶與系統(tǒng)的信息交流。該智能家居系統(tǒng)模型運(yùn)行于以ATmega328為核心處理器芯片的Arduino開發(fā)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了全部預(yù)定目標(biāo)，下一步可考慮將其設(shè)計(jì)思路移植到實(shí)際智能家居系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。

［1］王凱明.智能家居系統(tǒng)的研究［D］.西安：西安科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程學(xué)院，2005.

［2］曾松偉，章云，邱偉強(qiáng).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，35（9）：168-171.

［3］Hsien-Tang Lin.Implementing Smart Homes with Open Source Solutions［J］.International Journal of Smart Home，2013，7（4）：289-296.

［4］Alam MR and Reaz MB.A Review of Smart Homes-Past，Present，and Future［J］.IEEE Transcation on System Man and Cybernetics Part C-Applications and Reviews，IEEE Transactions on.2012，53（6）：1190-1203.

［5］Chan M.and Esteve D.A review of smart homes-Present state and future challenges［J］.Computer Methods and Programs in Biomedicine，2008，24（1）：55-81.

［6］程晨.Arduino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南：AVR篇［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［7］Martin Evans，Joshua Noble，Jordan Hochenbaum.Arduino實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：人民郵電出版社，2014.

［8］Dale Wheat.Arduino技術(shù)內(nèi)幕［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

劉鑫（1993～），女，山西忻州人，在讀本科，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

TONG Yuan-yang1，ZHAO Yu1，F(xiàn)ANG Yuan1，LIU Xin2

（1.School of Software Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116600；2.North University of China，Taiyuan 030051）

Arduino；Intelligent Home；Automatic control；Remote control

Design of Smart Home System Model Based on Arduino

1007-1423（2015）31-0066-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.31.017

佟源洋（1993-），男，遼寧鐵嶺人，在讀本科，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)

趙鈺（1994-），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特人，在讀本科，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)

方圓（1996-），女，河南襄城人，在讀本科，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)

2015-09-29

2015-10-30

提出一種基于Arduino的智能家居系統(tǒng)模型。該模型主要由監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、顯示模塊和溫控模塊五個(gè)部分組成，該系統(tǒng)利用布置在模型各個(gè)位置的傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)智能家居環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)控制及基于PC與移動(dòng)端App的遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)完全達(dá)到預(yù)期目的，可有效監(jiān)測(cè)及控制室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。

Arduino；智能家居；自動(dòng)控制；遠(yuǎn)程控制

2014Google校企合作專業(yè)綜合改革項(xiàng)目“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目”

Presents a model of smart home system based on Arduino.The model consists of the monitoring module，alarm module，network module，display module and temperature control module.The system uses the sensors to disposed at various locations of environmental data model，whereby the smart home environment can automatic control or through PC-based remote monitoring and mobile App terminals controlling. Experiments show that the system is fully achieve the intended purpose，can effectively monitor and control the indoor environmental parameters.