基于micro_bit智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張浩華, 佟佳琪

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)

隨著物聯(lián)網(wǎng)以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對(duì)居住環(huán)境例如它的實(shí)用性、舒適性和智能性等要求也隨之不斷提高。因此,智能家居也越來(lái)越受大家的喜愛(ài)和重視,而智能家居系統(tǒng)就是以提高家庭居住環(huán)境為目的的,它融合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),進(jìn)而形成的集功能性、智能性、服務(wù)性為一體的舒適實(shí)用、安全便利、綠色環(huán)保的智能系統(tǒng)[1]。

但是目前市場(chǎng)上的智能家居主要存在2個(gè)問(wèn)題:1)它的關(guān)聯(lián)設(shè)備相對(duì)復(fù)雜,用戶不大可能一次性購(gòu)買(mǎi)所有關(guān)聯(lián)設(shè)備,就會(huì)導(dǎo)致它的成本過(guò)高,且缺乏如何配備智能家居的科學(xué)指導(dǎo)[2-3];2)智能家居在安裝后的調(diào)試與維護(hù)也比較復(fù)雜。針對(duì)以上問(wèn)題,本文以micro_bit為主控板,并利用傳感器技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)等設(shè)計(jì)了一款低功耗,低成本,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,操作性強(qiáng)等極具性價(jià)比的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)是以micro_bit為主控板,并由LCD1602液晶顯示屏,DHT11溫濕度傳感器,MQ_2煙霧傳感器,火焰?zhèn)鞲衅?人體紅外釋熱電運(yùn)動(dòng)傳感器,Wi-Fi模塊組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過(guò)各種傳感器分別監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境的溫度濕度,可燃?xì)怏w的濃度以及火源等,并將各項(xiàng)環(huán)境信息顯示在LCD1602液晶顯示屏上,同時(shí)利用無(wú)線通信Wi-Fi模塊將采集到的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)結(jié)eelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[4],來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,為方便對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測(cè)分析,采用了模塊化的設(shè)計(jì),故本系統(tǒng)具有低功耗、低成本、檢測(cè)方便簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)等特點(diǎn),具有很好的使用性和實(shí)用性[5]。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 system block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 micro_bit主控板

Micro_bit 是由ARM、 巴克萊、element14、微軟等機(jī)構(gòu)與英國(guó)廣播公司(BBC)合作推出的一款基于ARM架構(gòu)的開(kāi)源硬件平臺(tái),核心設(shè)備是32位ARM Cortex-M0 微處理器,它僅有信用卡的一半大小,搭載了5×5可編程LED點(diǎn)陣,2顆可編程按鍵,加速度計(jì),電子羅盤(pán),溫度計(jì),低功耗藍(lán)牙等電子模塊,實(shí)物圖如圖2所示,Micro_bit開(kāi)發(fā)板的功能強(qiáng)大,具有易用性和擴(kuò)展性良好的特點(diǎn)[6],它可以通過(guò)鱷魚(yú)夾與各種電子元件互動(dòng),支持讀取傳感器數(shù)據(jù),控制舵機(jī)與RGB燈帶等,也可以插入擴(kuò)展板連接各種傳感器, Micro_bit 支持多種代碼及圖形化編程平臺(tái),支持幾乎所有的 PC 和移動(dòng)設(shè)備,具有免安裝驅(qū)動(dòng),電子模塊集成度高,且?guī)в写诒O(jiān)控功能,方便調(diào)試[7]。

圖2 實(shí)物圖Fig.2 physical diagram

2.2 溫濕度測(cè)量模塊DHT11

圖3 溫濕度測(cè)量電路圖Fig.3 Temperature and humidity measurement circuit diagram

DHT11溫濕度測(cè)量傳感器應(yīng)用了專業(yè)的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,可確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[9]。傳感器通過(guò)3P數(shù)字線直插micro_bit,其電路圖如圖3所示,程序代碼如圖4所示。單線制串行接口,使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷[8]。并且該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等特點(diǎn),同時(shí)小體積、低功耗,信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上等優(yōu)點(diǎn),使其滿足智能設(shè)備的設(shè)計(jì)需求。

圖4溫濕度測(cè)量程序
Fig.4 TemperatureandHumidityMeasurementProcedure

2.3 煙霧傳感器MQ_2

MQ_2 煙霧傳感器準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是一個(gè)多種氣體探測(cè)器。非常適宜對(duì)液化氣、酒精、氫氣、煙霧等家庭的氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MQ-2的探測(cè)范圍極其的廣泛,且它屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料。當(dāng)與煙霧接觸時(shí),如果晶粒間界處的勢(shì)壘收到煙霧的調(diào)至而變化,就會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息,煙霧的濃度越大,導(dǎo)電率越大,輸出電阻越低,則輸出的模擬信號(hào)就越大。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的檢測(cè)、保護(hù)與警示等功能[10]。它具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),符合本次設(shè)計(jì)的要求。

2.4 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕?lái)探測(cè)火源或其他波長(zhǎng)在760～1 100 nm范圍內(nèi)的光源,探測(cè)角度達(dá)60°[11]反饋時(shí)間為15 μs,對(duì)火焰光譜特別靈敏,并且能在-25到85攝氏度下工作,性能穩(wěn)定可靠。可令火焰?zhèn)鞲衅髋c micro_bit 的引腳相連,將火焰的溫度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)傳送至微處理器。從而保護(hù)居住的安全,防止火災(zāi)的發(fā)生。

2.5 人體紅外熱釋電運(yùn)動(dòng)傳感

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。在這里我們把它作為防盜報(bào)警裝置,它的感應(yīng)角度為110° ,感應(yīng)距離可達(dá)7 m,熱釋電傳感器是對(duì)溫度敏感的傳感器,當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí),傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū),因人體溫度與環(huán)境溫度有差別,產(chǎn)生ΔT,則有ΔT輸出;若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng),則溫度沒(méi)有變化,傳感器也沒(méi)有輸出了。所以這種傳感器檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。 內(nèi)部框圖如圖5。

圖5 內(nèi)部框圖Fig.5 Internal block diagram

2.6 LCD1602顯示模塊

LCD1602液晶模塊,可以顯示2行,每行16個(gè)字符。通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制,即可以顯示出圖形。液晶模塊內(nèi)部已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形,在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值[12]。而且液晶模塊背面的電位器還能調(diào)節(jié)液晶顯示器對(duì)比度的功能,使用也十分方便簡(jiǎn)單。

2.7 無(wú)線通信模塊

本次設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊由micro_bit接口板完成主控制器對(duì)信息進(jìn)行采集,同時(shí),運(yùn)用液晶顯示屏對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,將采集到的環(huán)境信息再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊上傳到 Yeelink物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái),并通過(guò)智能手機(jī)為操作終端,遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看環(huán)境信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和處理,實(shí)現(xiàn)集底端數(shù)據(jù)采集,控制端發(fā)送,云平臺(tái)顯示為一體的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[13]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度測(cè)量主程序設(shè)計(jì)

圖6 濕度調(diào)節(jié)流程Fig.6 Humidity adjustment process

用戶可以在互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)定家庭的適宜溫濕度,系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度的采集數(shù)據(jù)傳送給micro_bit主控板,并將采集的數(shù)據(jù)顯示在 LCD1602液晶屏上,利用Wi-Fi模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)結(jié)eelink物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái),使管理平臺(tái)也可以查看室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù),并且當(dāng)室內(nèi)溫濕度超過(guò)設(shè)定的異常值時(shí),可啟動(dòng)空調(diào),風(fēng)扇,加濕器等設(shè)備,將溫度和濕度調(diào)節(jié)至合適范圍,并保持最佳狀態(tài)[16]。濕度調(diào)節(jié)流程如圖6所示。

3.2 安全防盜主程序設(shè)計(jì)

安全報(bào)警程序主要包含3個(gè)方面:有害氣體檢測(cè),火災(zāi)警報(bào)和防盜警報(bào)。利用MQ_2對(duì)天然氣、液化氣體和煤氣煙霧進(jìn)行檢測(cè),MQ_2煙霧傳感器能準(zhǔn)確的排除掉其他非可燃?xì)怏w,將檢測(cè)到的數(shù)值顯示在 LCD1602液晶屏上,并與系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較,如果超出系統(tǒng)設(shè)定的氣體濃度范圍,則可實(shí)現(xiàn)蜂鳴器與Yeelink管理平臺(tái)的雙重報(bào)警。利用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)火焰的溫度然后轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)傳送至微處理器,當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí)接收到的電信號(hào)為低電平,反之為高電平[14]。因此當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí)接收到的電信號(hào)為低電平,就馬上進(jìn)行報(bào)警處理,使得用戶可以做出相關(guān)處理,極大降低了安全隱患。當(dāng)用戶外出,用戶就可以利用人體紅外熱釋電運(yùn)動(dòng)傳感檢測(cè)是否有人非法入室,當(dāng)人體紅外熱釋電運(yùn)動(dòng)傳感檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)的人時(shí)就會(huì)在傳感器內(nèi)形成電信號(hào),并馬上將電信號(hào)發(fā)送給Yeelink管理平臺(tái),然后用戶快速做出反應(yīng)并采取相關(guān)措施,例如報(bào)警處理,從而達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

3.3 Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖7 總流程圖Fig.7 General flowchart

Yeelink是對(duì)公眾開(kāi)放的物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)平臺(tái),用戶可以在 Yeelink網(wǎng)站上對(duì)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和管理,并可以隨時(shí)顯示給客戶, Yeelink網(wǎng)站為家庭設(shè)備采集到的上傳數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)接口,用戶可利用互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)訪問(wèn)Yeelink管理平臺(tái)查看所監(jiān)測(cè)的傳感器數(shù)據(jù), 且該平臺(tái)為用戶提供了海量的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,對(duì)數(shù)據(jù)模塊信息存儲(chǔ)實(shí)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。戶可以通過(guò)智能設(shè)備上安裝的應(yīng)用程序,經(jīng)它能夠滿足用戶的一系列要求并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列的操作[15]。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

如今部分家居系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本和維護(hù)成本較高,且通用性和實(shí)時(shí)性不強(qiáng),限制了產(chǎn)品推廣。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是低成本、低功耗,具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)時(shí)性。并且基于micro_bit的智能家居系統(tǒng),通過(guò)溫濕度傳感器檢測(cè)室內(nèi)的溫度濕度,煙霧傳感器對(duì)天然氣液化氣體以及煤氣煙霧進(jìn)行檢測(cè),火焰?zhèn)鞲衅鱽?lái)探測(cè)火源,通過(guò)人體紅外熱釋電運(yùn)動(dòng)傳感器來(lái)進(jìn)行防盜檢測(cè),而且本系統(tǒng)中還加入了無(wú)線通信模塊,使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)輸送到Y(jié)eelink管理平臺(tái),即實(shí)現(xiàn)了家居住所的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,具有較強(qiáng)的可靠性、實(shí)用性和推廣性?？偭鞒虉D如圖7所示。

本文分別從軟硬件的設(shè)計(jì),傳感器的功能以及無(wú)線通信模塊的遠(yuǎn)程控制等幾個(gè)方面介紹了基于micro_bit的智能家居系統(tǒng),通過(guò)溫濕度傳感器等實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境的檢測(cè),通過(guò)人體紅外熱釋電運(yùn)動(dòng)傳感等保障了家居住宅的安全,極大降低了安全隱患,同時(shí)利用無(wú)線通信Wi-Fi模塊將采集到的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)?Yeelink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控,大大保障了住宅的安全,并為用戶提供了一個(gè)安全便捷、 智能舒適、 節(jié)能環(huán)保的居住環(huán)境。本次設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng),具有較強(qiáng)的可靠性,安全性和實(shí)用性以及一定的推廣性,之再可以進(jìn)一步完善并改進(jìn)。