基于Arduino的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

謝嘉，王世明，曹守啟，潘冬冬，崔家慶

（上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海201306）

隨著人類社會的進步和經(jīng)濟水平的快速發(fā)展，人們開始追求快速高效的生活。二十一世紀(jì)是一個個性化、自動化、快節(jié)奏的時代。個性化的生活方式和高檔次的居家環(huán)境逐漸進入人們的日常生活，現(xiàn)代人越來越追求家裝人性化、智能化。由此，人們對家居要求的檔次也越來越高，希望居住環(huán)境能達(dá)到舒適化、安全化、智能化和家居生活高效節(jié)能的要求[1-3]。這就促成了智能電子技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，而智能電子技術(shù)的發(fā)展使得新型智能家居技術(shù)不斷出現(xiàn)，這也是家庭生活方式的互聯(lián)網(wǎng)+概念，將為人們的生活提供一種全新的體驗。

智能家居（Smart Home）是指依托住宅平臺，科學(xué)統(tǒng)籌管理家居生活的各個方面，讓家居生活“智慧”起來[4]。這個管理過程的實現(xiàn)要依賴于計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和綜合布線技術(shù)等，把它們統(tǒng)稱為智能家居技術(shù)[5]。在智能家居的設(shè)計規(guī)劃中，其基本目標(biāo)是“以人為本”。該設(shè)計將家庭中各種信息相關(guān)的通信設(shè)備，家用電器，照明設(shè)備和家庭安防裝置等和家居有關(guān)的執(zhí)行裝置，通過有線或無線的方式連接到家庭智能控制系統(tǒng)上進行統(tǒng)籌的管理，或者通過與外界通信實現(xiàn)異地的訪問、監(jiān)視和控制，來進行家庭事務(wù)性的管理，并保持這些設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)[6-10]。

文中研究設(shè)計了基于Arduino的無線智能家居控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以AVR單片機為控制核心，利用Arduino MEGA2560開發(fā)板以及XBee無線傳輸模塊，設(shè)計實現(xiàn)了一個基于Arduino的智能家居系統(tǒng)（SSBA，Smart home System Based on the Arduino）。其主要功能為用戶可以通過PC上位機等設(shè)備來控制家中的家居執(zhí)行裝置，并且方便系統(tǒng)在控制端和設(shè)備執(zhí)行端進行擴展，同時滿足用戶個性化、智能化的需求，系統(tǒng)要安全、穩(wěn)定、可靠。

1 基于Arduino的智能無線家居控制系統(tǒng)的總體系統(tǒng)方案設(shè)計

Arduino具有突出的優(yōu)點，它能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，然后根據(jù)感知到的環(huán)境信息在其內(nèi)部進行處理，得到控制信號來控制燈光、馬達(dá)和其他的家居執(zhí)行裝置，從而來影響、改變環(huán)境。Arduino對信息的處理通過微控制器實現(xiàn)，其軟件通過Arduino的編程語言來編寫，具體利用Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發(fā)環(huán)境（基于Processing）來實現(xiàn)編程[11]?；贏rduino的系統(tǒng)，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運行的軟件，它們之間通過通信（比如Flash，Processing，MaxMSP）來進行協(xié)調(diào)。

從用戶需求角度考慮，基于Arduino的智能無線家居控制系統(tǒng)（SSBA）的設(shè)計方案需要實現(xiàn)以下幾個方面的功能：

1）可以通過手機、上位機控制界面實現(xiàn)對家居執(zhí)行裝置的開啟和關(guān)閉等控制；

2）可以方便地使新的家居執(zhí)行裝置加入網(wǎng)絡(luò)或者離開網(wǎng)絡(luò)從而能夠便于控制中心進行統(tǒng)一控制；

3）通過兩種以上的方式完成對終端家居執(zhí)行裝置的驅(qū)動，從而有利于系統(tǒng)的擴展升級；

4）系統(tǒng)軟件部分具有較好的開放性，為修改和擴展提供便捷，為客戶參與產(chǎn)品修改提供接口，滿足個性化需求；

5）系統(tǒng)要具有滿足家庭應(yīng)用要求的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

為此文中給出的SSBA總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 SSBA系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

SSBA系統(tǒng)中上位機用于編寫命令控制界面，方便用戶使用，是SSBA系統(tǒng)中和人交互的終端。主控芯片主要作用是接收上位機的控制命令，翻譯處理后傳輸給數(shù)據(jù)發(fā)射器。數(shù)據(jù)發(fā)射器用于將數(shù)據(jù)發(fā)到空中，一個數(shù)據(jù)發(fā)射器可以給多個數(shù)據(jù)接收器發(fā)布信息。數(shù)據(jù)接收器用來接收從空中發(fā)來的控制信號，傳輸給執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置完成具體的工作，像開關(guān)燈、開關(guān)空調(diào)、開閉窗簾等。

文中設(shè)計的SSBA系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[12-16]，應(yīng)用多路、星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與上位機和負(fù)載建立網(wǎng)絡(luò)，并管理網(wǎng)絡(luò)，這樣用戶就可以通過上位機控制界面輕松地發(fā)送控制指令。若干XBee模塊以及Arduino Uno模塊作為終端設(shè)備，也可以只用XBee模塊作為終端節(jié)點，根據(jù)控制信號直接控制家電設(shè)備。

選用基于ZigBee協(xié)議的XBee模塊來進行無線數(shù)據(jù)的傳輸，通過使用ZigBee無線通信協(xié)議來實現(xiàn)控制，相對于有線控制的形式其優(yōu)點如下：

1）施工方面，沒有了復(fù)雜的布線環(huán)節(jié)，安裝簡便，只需通過智能家居數(shù)據(jù)發(fā)射器發(fā)射的無線信號來控制家中的電器，燈光等家居執(zhí)行裝置。

2）后期維護方面，由于智能家居的各設(shè)備之間采用無線方式連接，通過相應(yīng)設(shè)備可以快速檢測出問題所在并及時修復(fù)。

3）在未來的設(shè)備擴展與更換方面，由于無線方式是整個區(qū)域的覆蓋，并不是單純的點與點之間的連接，使得新增的設(shè)備可以很容易添加進整個網(wǎng)絡(luò)，從而整個系統(tǒng)具備了很好的擴展能力。

2 SSBA系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)上節(jié)確定的SSBA系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)硬件部分主要包括上位機人機交互系統(tǒng)、主控中心監(jiān)控系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和安裝在執(zhí)行裝置上的微處理控制系統(tǒng)等4個主要組成部分。具體的硬件設(shè)備為上位機、Arduino MEGA2560、Arduino XBee擴展板、XBee模塊、XBee適配器、Arduino Uno和執(zhí)行裝置及其配套的硬件電路。SSBA系統(tǒng)硬件系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 SSBA系統(tǒng)硬件系統(tǒng)圖

2.1 上位機+Arduino MEGA2560

該部分硬件承擔(dān)人機交互的功能，構(gòu)成上位機人機交互系統(tǒng)。上位機與Arduino MEGA2560通過USB轉(zhuǎn)串口數(shù)據(jù)線連接，選用CH340轉(zhuǎn)接芯片的數(shù)據(jù)線。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線。

Arduino MEGA2560上有4個串口，其中一個串口用于上位機給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)控制指令，剩下3個串口一個預(yù)留用于接收手機發(fā)來的控制信號，另一個預(yù)留用于接收其他遠(yuǎn)程設(shè)備發(fā)來的控制信號，最后一個備用。此處，在上位機和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間添加了Arduino MEGA2560，具有以下優(yōu)點：一方面運用Arduino MEGA2560的4串口可以接收來自3個不同控制設(shè)備的控制信號，再將其傳輸給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)智能家居的多重化控制效果。另一方面Arduino MEGA2560可輸出3.3 V電壓，這樣就能與用3.3 V電壓進行供電的XBee模塊進行兼容，簡化了系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Arduino XBee擴展+XBee模塊）

該部分硬件構(gòu)成了整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，是SSBA的主控中心監(jiān)控系統(tǒng)。主控中心監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是：進行網(wǎng)絡(luò)初始化，建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)建成后運行新網(wǎng)絡(luò)。然后，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器隨時監(jiān)聽、響應(yīng)其它終端節(jié)點的加入網(wǎng)絡(luò)請求。最后，在終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，主控中心監(jiān)控系統(tǒng)即可將上位機中的控制狀態(tài)命令發(fā)送至終端設(shè)備，從而進行相關(guān)設(shè)備的控制。

文中加上了Arduino XBee擴展板，方便實現(xiàn)Arduino MEGA2560與XBee模塊進行串行通信。這樣通過Arduino XBee擴展板就可以直接將XBee模塊裝于Arduino MEGA 2560上，同時也解決了XBee模塊的供電問題。

2.3 XBee adapter XBee USB適配器+XBee終端

XBee終端用來接收由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器從空中發(fā)來的控制信號，這部分硬件最終實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的功能。該XBee終端可以配置成兩種形式：即路由模塊和ZigBee終端模塊。當(dāng)此XBee模塊配置成路由模塊時，其接收來自網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的無線控制命令，該路由模塊不會進入睡眠模式，這樣有助于我進行硬件調(diào)試。而當(dāng)此XBee模塊配置成ZigBee終端模塊時，它會自動進入睡眠模式，只有當(dāng)父節(jié)點對它進行喚醒后才會進入運行模式，這樣就能真正體現(xiàn)其低功耗的價值，同時增加了設(shè)備運行的安全性。

在XBee終端配置了XBee adapter XBee USB適配器，給XBee模塊供電、引出模塊A/D和串口管腳，方便XBee終端模塊與其他MCU模塊進行通信以及進行相關(guān)控制的執(zhí)行。

2.4 Arduino Uno+執(zhí)行裝置及其配套的硬件電路

Arduino Uno在系統(tǒng)中是命令的執(zhí)行裝置，它為系統(tǒng)的擴展留下了很大的空間，該部分硬件實現(xiàn)安裝在執(zhí)行裝置上的微處理控制系統(tǒng)的功能。SSBA系統(tǒng)執(zhí)行裝置部分組成如圖3所示。

圖3 SSBA系統(tǒng)執(zhí)行裝置部分組成

圖3中Arduino Uno將獲得的針對執(zhí)行裝置的控制命令發(fā)送給驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路去控制主電路，主電路上連接著執(zhí)行裝置，從而使執(zhí)行裝置按照指令的要求運行。主電路和執(zhí)行裝置中的電壓和電流一般都較大，而Arduino Uno及其前面的其他SSBA系統(tǒng)電路都只能承受較小的電壓和電流，因此在驅(qū)動電路和主電路的連接處，設(shè)置了電氣隔離，本文系統(tǒng)采用光電隔離方法來實現(xiàn)。

3 SSBA系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)上節(jié)的SSBA系統(tǒng)硬件設(shè)計，系統(tǒng)的軟件運行流程如圖4所示。系統(tǒng)運行開始后，由上位機給Arduino MEGA2560傳輸數(shù)據(jù)，Arduino MEGA2560接收上位機傳來的控制命令，進行處理后傳給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將控制信號播放到空中。然后XBee終端接收從空中傳來的控制信號，處理后傳給Arduino Uno，Arduino Uno將獲得的控制命令發(fā)送給驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路去控制主電路，從而使連接在主電路上的執(zhí)行裝置按照指令的要求運行。

圖4 SSBA系統(tǒng)運行流程框圖

3.1 SSBA系統(tǒng)各部分程序設(shè)計流程

Arduino MEGA和XBee模塊（網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)器）的運行流程框圖如圖5和圖6所示。Arduino MEGA作用是接收來自上位機的控制命令并將其傳輸給XBee模塊（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器），XBee模塊（網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)器）作用是接收來自Arduino MEGA的控制命令并將數(shù)據(jù)發(fā)到空中。

XBee終端運行流程框圖和Arduino Uno運行流程框圖如圖7和圖8所示。

圖5 Arduino MEGA運行流程框圖

圖6 XBee模塊運行流程框圖

圖7 XBee終端運行流程框圖

圖8 Arduino Uno運行流程框圖

在SSBA系統(tǒng)中，XBee終端作為無線數(shù)據(jù)透傳接收端，接收透傳數(shù)據(jù)并將其發(fā)受給Arduino Uno板。Arduino Uno用來對串口來的數(shù)據(jù)進行判斷，然后將命令發(fā)送到執(zhí)行裝置的驅(qū)動電路，使設(shè)備按要求運行，由Arduino Uno來連接執(zhí)行裝置為系統(tǒng)的擴展留下了很大的空間。

通過上述4個部分的運行可以完成SSBA整個系統(tǒng)的運作，完成指令的傳輸、播放、接收和執(zhí)行，以滿足用戶的要求。

3.2 XBee軟件設(shè)計及配置

XBee模塊支持AT固件（透傳模式）和API固件兩種模式，本文選用AT固件（透傳模式）。當(dāng)操作于AT固件模式時，XBee模塊可以看作是串口線的取代，所有的串口數(shù)據(jù)通過DIN管腳排隊等待XBee模塊RF發(fā)送寄存器發(fā)送。當(dāng)XBee模塊RF接收寄存器接收數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)就通過DO管腳發(fā)送出去。模塊的參數(shù)是可以通過AT命令接口配置。本文設(shè)計直接利用Digi公司為XBee模塊配備的X-CTU軟件對模塊進行的配置，簡化了配置過程。在具體XBee模塊配置時做到了如下幾點：

1）同一個網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備必須符合同一個協(xié)議棧規(guī)范，在設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)之前，首先需要確認(rèn)協(xié)議棧規(guī)范的ID。為此本文對“特定網(wǎng)絡(luò)”規(guī)范ID、ZigBee協(xié)議棧規(guī)范的ID和ZigBee PRO協(xié)議棧規(guī)范的ID分別設(shè)置了不同的編號。

2）數(shù)據(jù)無線傳送的方式可以設(shè)置為廣播傳送，也可以設(shè)置為特定設(shè)備數(shù)據(jù)傳送，這需要對DH、DL中的數(shù)據(jù)進行確認(rèn)設(shè)置。

3）XBee模塊（網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)器）和XBee終端節(jié)點設(shè)置要一致，保證數(shù)據(jù)發(fā)送能夠準(zhǔn)確接收。

4）在AT命令中對EE、KY進行設(shè)置，為系統(tǒng)建立了一個安全機制，這樣當(dāng)有其他ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進入網(wǎng)絡(luò)時，將不能竊取網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并且不會對網(wǎng)絡(luò)造成干擾。

3.3 Arduino軟件設(shè)計

Arduino語言建立在C/C++基礎(chǔ)上，它把AVR單片機相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都進行了函數(shù)化，這樣更便于小系統(tǒng)的開發(fā)?？梢杂肁VR-C代碼直接在IDE中對Arduino MEGA或Arduino Uno進行編譯下載。

以下是本文設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)用到的函數(shù)解釋：

pinMode（pin，mode），數(shù)字IO口輸入輸出模式定義函數(shù)，pin表示為0～13，mode表示為INPUT或OUTPUT。

digitalWrite（pin，value），數(shù)字IO口輸出電平定義函數(shù)，pin表示為 0～13，value表示為 HIGH 或LOW，比如定義HIGH可以驅(qū)動執(zhí)行裝置。

Serial.begin（speed），串口定義波特率函數(shù)，speed表示波特率，如9 600，19 200等。

int Serial.available（），判斷緩沖器狀態(tài)。

int Serial.read（），讀串口并返回收到參數(shù)。

Serial.print（），串口數(shù)據(jù)輸出。

3.4 Arduino執(zhí)行程序

根據(jù)上面的設(shè)計思想，系統(tǒng)實現(xiàn)的Arduino執(zhí)行程序如下：

4 結(jié) 論

SSBA系統(tǒng)利用Arduino MEGA2560開發(fā)板以及基于ZigBee協(xié)議的XBee無線傳輸模塊實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通過上位機來控制家中家居執(zhí)行裝置的目的。本文設(shè)計和實現(xiàn)的SSBA系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1）使用Arduino MEGA2560使得該系統(tǒng)更具簡便性，可控性較強，預(yù)留兩個串口，為系統(tǒng)添加其他外控設(shè)備做準(zhǔn)備，提高了系統(tǒng)的擴展性能。

2）使用Arduino編程語言編程，該語言是模塊化的編程，使得對程序流程的理解變得簡易，同時為以后的修改和擴展提供較大的方便。

3）在系統(tǒng)中增加了ZigBee組網(wǎng)的安全機制，提高了系統(tǒng)的安全性和唯一性；

4）硬件連接簡單，經(jīng)多次測試證明系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，不會出現(xiàn)不定性受干擾現(xiàn)象。

SSBA系統(tǒng)具有較強的實用性和進一步擴展的功能，適合家居使用，通過擴展可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，同時將家居的所有設(shè)備都納入控制范圍。

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