基于Arduino 的微型智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王慧敏，督靜雯，那天力

（1.西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院，成都610039；2.西華大學(xué)西華學(xué)院，成都610039）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能家居也將逐漸走進(jìn)大眾的生活。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向之一，為人類生活帶來便捷的同時(shí)，也需要考慮智能家居系統(tǒng)的功耗、成本、穩(wěn)定性以及安全性問題。目前普通居民對(duì)于現(xiàn)階段智能家居的認(rèn)識(shí)還不是很深入，但是他們都有同樣的需求，就是讓生活更便捷，彌補(bǔ)現(xiàn)階段推廣較為普遍的家居體系的不足。由于Arduino 的低功耗特性，設(shè)計(jì)的Arduino 微型智能家居系統(tǒng)還能運(yùn)用于學(xué)生寢室，學(xué)生也是一個(gè)龐大的群體，對(duì)于新型智能寢室有著極大的需求。目前市場上并沒有針對(duì)智能寢室方面的智能系統(tǒng)，現(xiàn)階段市場上展現(xiàn)出的智能家居系統(tǒng)在功耗上難以滿足大多數(shù)學(xué)生寢室的需求，針對(duì)學(xué)生寢室，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效和功能實(shí)現(xiàn)的前提下，將功耗盡可能降低，同時(shí)達(dá)到了節(jié)能目的[1]。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

具有門禁、智能燈控、智能插座、空氣開關(guān)、自動(dòng)窗簾、防盜、環(huán)境監(jiān)測、廚房有害氣體監(jiān)測、雨天自動(dòng)收衣、語音識(shí)別控制等諸多功能。但是實(shí)現(xiàn)這些功能都是在不破壞原有家居的前提下進(jìn)行的，如果其中某一個(gè)小功能模塊暫時(shí)無法使用了，并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。只需要把相關(guān)功能模塊添加進(jìn)去就可以繼續(xù)使用該功能，類似于搭積木的形式。

圖1 微型智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

Arduino 與傳統(tǒng)的單片機(jī)開發(fā)不同，硬件平臺(tái)和電路圖開源，所有公司生產(chǎn)Arduino 開發(fā)板成本較低，市場價(jià)格相對(duì)較低[2]。Arduino 與FPGA 的對(duì)比如表1所示。

表1 Arduino 與FPGA 對(duì)比

得益于Arduino 的積木可移植性，設(shè)計(jì)了多個(gè)系統(tǒng)模塊，從最初的門禁模塊，再到后來加入了紅外遙控模塊、藍(lán)牙通訊模塊、Wi-Fi 通訊模塊、防盜模塊、窗簾模塊等，可供用戶自行選擇。基于Arduino 的開源性，得以將功能模塊化，使系統(tǒng)的功能模塊可以像積木一樣添加刪減。

對(duì)于門禁功能，這里以“刷卡進(jìn)門”為例進(jìn)行分析。采用一卡通（RFID 卡）接觸RFID 的識(shí)別區(qū)（即圖2 中的RFID 模塊），通過RFID 模塊對(duì)校園卡進(jìn)行識(shí)別，在這個(gè)識(shí)別過程中，讀卡器主要是將校園卡中的身份信息讀取出來，然后系統(tǒng)會(huì)將讀取出的身份信息與門禁系統(tǒng)中錄入的身份信息進(jìn)行快速匹配，通過處理器進(jìn)行分析，如果能夠匹配上，說明該身份信息是合法用戶。當(dāng)聽到所使用的RFID 卡被識(shí)別的聲音時(shí)，說明該卡信息已被讀寫器讀取[3]，并將相關(guān)信息數(shù)據(jù)傳送至Arduino 單片機(jī)的主控芯片，Arduino 單片機(jī)進(jìn)行一系列運(yùn)算后，將控制指令傳送至舵機(jī)，隨后舵機(jī)帶動(dòng)門鎖，門就會(huì)打開。在這個(gè)功能模塊中，舵機(jī)足夠帶動(dòng)20kg 中的門鎖開門，完全可以滿足大多數(shù)居民家居和學(xué)生寢室。在門禁功能，處理采用RFID，也可以替換成指紋解鎖、人臉識(shí)別解鎖或者虹膜識(shí)別解鎖，由于系統(tǒng)進(jìn)行模塊化，兼容性相對(duì)較高，替換時(shí)比較方便，后期擴(kuò)展容易。

圖2 微型智能家居系統(tǒng)主要模塊電路組成

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境搭建

對(duì)于Arduino 開發(fā)板，首先需要搭建開發(fā)環(huán)境，給Arduino 編程需要用到的集成開發(fā)環(huán)境IDE 是Arduino 1.8.9，在這款軟件上編程需要使用Arduino 語言，該語言是模塊化的編程[4]。這是一種解釋型語言，寫好的程序被稱為sketch，編譯通過后就可以下載到開發(fā)板中。Arduino IDE 的安裝可以是在Windows 環(huán)境下，也可以是Linux 或者M(jìn)ac OS。

2.2 功能模塊的硬件選擇

RFID 模塊采用的是RFID-RC522，MF RC522 是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片[5]。利用調(diào)制和解調(diào)的概念，集成了在13.56MHz 下類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC522 支持MIFARE系列的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率快[6]。

藍(lán)牙模塊采用的是HC05，HC05 是主從一體的藍(lán)牙串口模塊[7]。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)連接成功后，可以直接將藍(lán)牙當(dāng)做串口用。藍(lán)牙模塊用于短距離和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸和接收[8]。

Wi-Fi 模塊采用主要部件是ESP8266，ESP8266 這款Wi-Fi 芯片使用了3.3V 的直流電源，體積小，功耗低，內(nèi)置完整的TCP/IP 協(xié)議棧，支持透傳[9]。ESP8266硬件接口豐富，可支持UART、IIC、PWM、GPIO、ADC等，支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場合。

環(huán)境監(jiān)測模塊用到傳感器是DHT11 溫濕度數(shù)字傳感器和PM2.5 傳感器。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器包含NTC 測溫元件和抗干擾能力強(qiáng)的電阻式感濕元件[10]。采用單總線數(shù)據(jù)格式，單個(gè)數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸，其數(shù)據(jù)包由5Byte（40bit）組成。PM2.5 傳感器用來感應(yīng)空氣中的塵埃顆粒，傳感器模塊主要由光電晶體管和發(fā)光二極管組成。通過光電晶體管探測塵埃的反射光，發(fā)光二極管射出的光經(jīng)過塵埃顆粒反射后，根據(jù)所探測到反射光的強(qiáng)度，將記錄下的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算后判斷出空氣中塵埃顆粒的濃度。

2.3 各功能模塊間信息交互

防盜：融合紅外感應(yīng)模塊的防盜系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)安全的防護(hù)，在檢測到異常時(shí)，會(huì)將異常情況通過Wi-Fi 通訊模塊發(fā)送至用戶手機(jī)，并且會(huì)通過蜂鳴器達(dá)到自動(dòng)預(yù)警功能。紅外感應(yīng)模塊可以發(fā)出和空調(diào)及電視等遙控器相同波長的紅外線，來達(dá)到控制紅外遙控的家居的開關(guān)的目的，如空調(diào)、電視等。

環(huán)境監(jiān)測：將搜集到的傳感信息進(jìn)行處理分析，達(dá)到對(duì)室內(nèi)光線、溫度、濕度、空氣中PM2.5 濃度、有害氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測。如果室內(nèi)溫度過高或者過低，可以將此信息通過室內(nèi)的短距離通信系統(tǒng)快速高效地傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，再通過紅外模塊控制家居的空調(diào)開關(guān)，達(dá)到自動(dòng)調(diào)控溫度的效果。

廚房有害氣體監(jiān)測：可以檢測廚房內(nèi)有害氣體的濃度，來達(dá)到檢測天然氣泄漏的目的。配合步進(jìn)電機(jī)模塊可以在檢測到燃?xì)庑孤┑牡谝粫r(shí)間工作起來將燃?xì)忾y門關(guān)閉。

智能燈控：主要是針對(duì)晚上自然光較弱的環(huán)境下，如果半夜用戶需要起床去洗手間，智能燈控就會(huì)根據(jù)紅外和諸多傳感信息檢測出用戶的需要，自動(dòng)將燈打開。

自動(dòng)窗簾：通過光傳感器搜集室內(nèi)外的光線信息，在系統(tǒng)中設(shè)置光線強(qiáng)度閾值，如果室內(nèi)光線偏暗或過強(qiáng)，將此信息傳送至控制器，由控制器發(fā)出相應(yīng)給舵機(jī)，舵機(jī)帶動(dòng)窗簾，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉或打開。

雨天自動(dòng)收衣：放在屋頂?shù)挠甑蝹鞲心K在感應(yīng)到下雨時(shí)，會(huì)傳輸給控制系統(tǒng)信號(hào)，控制系統(tǒng)檢測當(dāng)前衣物的位置，如果在淋雨區(qū)域，則打開舵機(jī)電源，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)將晾衣支架移動(dòng)到避雨區(qū)。

可控空氣開關(guān)：控制整個(gè)家居的電氣總閥門，用戶外出時(shí)可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，避免用戶外出時(shí)遺忘關(guān)閉電氣總閥門而造成不必要的損失。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

語音識(shí)別控制的主要功能是用戶可以通過語音傳送消息來控制室內(nèi)各種開關(guān)，通過語音打開空調(diào)，設(shè)置空調(diào)溫度等。這些語音識(shí)別是建立在用戶手機(jī)上的App 應(yīng)用[11]，通過將消息傳送給App 端，進(jìn)一步控制家居各個(gè)區(qū)域。主要功能設(shè)計(jì)：

（1）App 能夠?qū)崿F(xiàn)語音識(shí)別功能并對(duì)關(guān)鍵字進(jìn)行識(shí)別，能夠?qū)﹃P(guān)鍵指令進(jìn)行聲紋認(rèn)證，聲紋密碼可修改。

（2）App 能夠通過語音指令獲取設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境溫濕度信息，并通過圖形頁面顯示出來。

可以使用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接系統(tǒng)，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作，例如監(jiān)視環(huán)境變量、控制家居設(shè)備等。另外也兼容第三方平臺(tái)，例如，天貓精靈智能音箱、小愛同學(xué)智能音箱、blinker 平臺(tái)等，通過第三方的語音指令來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的指令操作。

圖3 配套App主界面圖

4 安全性保證

在整個(gè)系統(tǒng)會(huì)有大量數(shù)據(jù)的處理，在大量信息交互的過程中必須保證整個(gè)系統(tǒng)的信息安全。除了上述提到的簡易防盜系統(tǒng)來保證整個(gè)系統(tǒng)的安全外，還采用了密碼學(xué)中的DES 加密算法對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行加密，DES 是分組密碼算法，它可以完全利用硬件來實(shí)現(xiàn)，可以通過程序?qū)崿F(xiàn)加密，然后嵌入系統(tǒng)中來達(dá)到信息的機(jī)密性。不管是完全基于硬件還是程序來實(shí)現(xiàn)該算法，其工作效率都是相對(duì)比較高的，如果要完成系統(tǒng)信息完整性和認(rèn)證性，則可以在傳統(tǒng)的DES 算法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，利用基于hash 函數(shù)的消息認(rèn)證碼，并且結(jié)合DES 的加密，采用CBC 模式。

5 結(jié)語

本文主要從硬件電路和軟件部分兩方面來設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Arduino 微型智能家居，集成本低廉、功耗較低、后期功能擴(kuò)展開發(fā)簡單、功能多樣、可以采用USB 接口供電等諸多優(yōu)點(diǎn)。推廣范圍不受群體局限，學(xué)生寢室或普通居民家居均適用，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，不管是在室內(nèi)還是室外都可控制智能家居的運(yùn)行，具有廣闊的市場前景。