基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙煒華，譚錦元，李沛敏，邱一峰，盧巨科

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西 崇左 532200）

0 引 言

伴隨物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的源起與計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活已離不開(kāi)智能化帶來(lái)的便利。目前，家居智能化已成為當(dāng)今的主流發(fā)展趨勢(shì)[1]。智能家居控制系統(tǒng)的主要目的是優(yōu)化家庭居住環(huán)境，滿足人們對(duì)家居越來(lái)越高的要求。通過(guò)控制家具電器、住宅設(shè)施，利用無(wú)線通信、自動(dòng)控制、單片機(jī)、傳感器等技術(shù)對(duì)與家居生活相關(guān)的設(shè)備、家電等進(jìn)行檢測(cè)、傳輸、處理、控制，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)住宅設(shè)施及家庭日常實(shí)物控制管理的綜合智能家居控制系統(tǒng)[2]。自新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，智能家庭設(shè)備可有效幫助人們進(jìn)行科學(xué)防疫。保持“嚴(yán)格篩選”的基礎(chǔ)防線尤為重要，以確保家庭人員降低潛在的感染風(fēng)險(xiǎn)。

本文所描述的基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件系統(tǒng)包括Arduino控制模塊、傳感器、K210 Maix Bit、通用家電設(shè)備等，Arduino控制模塊作為該系統(tǒng)的核心，通過(guò)對(duì)家庭環(huán)境中各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，完成對(duì)當(dāng)前家居環(huán)境狀態(tài)的綜合判斷，并據(jù)此做出預(yù)判處理。K210 Maix Bit與MAG8833紅外熱像儀傳感器組成的身份識(shí)別安防系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)非接觸式溫度測(cè)量與身份識(shí)別功能。軟件系統(tǒng)部分為手機(jī)Android系統(tǒng)APP軟件，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)家庭實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及對(duì)家庭用電器的遠(yuǎn)程控制?；谝陨舷嚓P(guān)技術(shù)以及控制要求，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控家庭環(huán)境，遠(yuǎn)程控制家庭設(shè)備，對(duì)當(dāng)前家庭環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷并進(jìn)行家庭設(shè)備聯(lián)動(dòng)，以優(yōu)化家庭環(huán)境、家庭安防，提升居住舒適性。

1 基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)，分為硬件、軟件兩部分。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。以Arduino UNO R3為核心模塊，利用Arduino多處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布處理，結(jié)合ESP8266 WiFi通信模塊、CH-SR501人體紅外感應(yīng)模塊、K210 Maix Bit人臉識(shí)別模塊、AMG8833紅外熱像儀模塊、LD3320語(yǔ)言識(shí)別模塊、雨滴感應(yīng)模塊、MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、光照電阻模塊組成了無(wú)接觸式溫度測(cè)量身份識(shí)別安防分系統(tǒng)、室內(nèi)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、室內(nèi)智能照明分系統(tǒng)、易燃?xì)怏w檢測(cè)防火分系統(tǒng)、智能晾衣桿分系統(tǒng)、移動(dòng)控制終端APP等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)接觸式體溫測(cè)量身份識(shí)別安防分系統(tǒng)由K210 Maix Bit人臉識(shí)別模塊和AMG8833紅外熱像儀模塊組成，通過(guò)控制芯片預(yù)存的人像面容ID、判斷條件、程序處理，實(shí)現(xiàn)了身份識(shí)別自動(dòng)開(kāi)門(mén)與無(wú)接觸式人體體溫測(cè)量，且可通過(guò)移動(dòng)終端APP實(shí)時(shí)查看來(lái)客體溫是否異常。

室內(nèi)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)分系統(tǒng)由DHT11溫濕度傳感模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度值，當(dāng)室內(nèi)溫濕度值低于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值閾值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)，提高室內(nèi)的溫濕度。當(dāng)室內(nèi)的溫濕度高于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)閾值時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)操作。系統(tǒng)還可以通過(guò)移動(dòng)終端APP實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制溫濕度，自動(dòng)調(diào)節(jié)分系統(tǒng)。

室內(nèi)智能照明分系統(tǒng)由光照電阻模塊和CH-SR501人體紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)室內(nèi)外光線的強(qiáng)度以及是否有人過(guò)往，當(dāng)感知到室內(nèi)光線較暗以及屋主經(jīng)過(guò)時(shí)，自動(dòng)根據(jù)光線強(qiáng)度開(kāi)啟室內(nèi)照明燈的亮度，為屋主提供合適的照明亮度，以達(dá)到智能控制以及節(jié)能的目的。系統(tǒng)還可以通過(guò)移動(dòng)終端APP對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

易燃?xì)怏w檢測(cè)防火分系統(tǒng)MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)的易燃?xì)怏w，當(dāng)燃燒產(chǎn)生的固體小顆粒超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，滅火系統(tǒng)被觸發(fā)，通過(guò)覆蓋式噴水進(jìn)行滅火，并提示屋主留意煤氣是否泄漏或者出現(xiàn)火災(zāi)等。

智能晾衣桿分系統(tǒng)由雨滴感應(yīng)模塊實(shí)時(shí)感知屋外天氣變化，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)回收或伸出晾衣桿。

2 基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 基于Arduino的數(shù)據(jù)采集

2.1.1 Arduino UNO R3控制器

Arduino 起源于意大利，是一款基于開(kāi)放原始代碼的Simple I/O平臺(tái)。Arduino UNO R3控制器采用Atmel公司出品的ATmega328P-PU單片機(jī)作為微處理控制器。它由基于單片機(jī)并且開(kāi)放源碼，具備簡(jiǎn)單輸入接口的硬件平臺(tái)，以及一套專(zhuān)為Arduino編寫(xiě)程序代碼的開(kāi)發(fā)環(huán)境組成。

2.1.2 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是溫濕度復(fù)合傳感器，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)后將數(shù)字信號(hào)輸出傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，傳感器內(nèi)部包含一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件[3]，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。濕度測(cè)量范圍為20%RH～95%RH，誤差為+5%～-5%；溫度測(cè)量范圍為0～50 ℃，誤差為+2～-5 ℃；工作電壓范圍為3.3～5 V DC，供電具有功耗低、數(shù)字化精確輸出、抗干擾能力強(qiáng)、極高的可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于智能家庭系統(tǒng)。

2.1.3 MQ-2煙霧傳感器模塊

MQ-2煙霧傳感器模塊采用在清潔空氣中導(dǎo)電率較低的氣敏材料二氧化錫（SnO2）[4]。其工作原理是當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，經(jīng)過(guò)自身電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[5]。MQ-2煙霧傳感器對(duì)丙烷、丁烷有較高的靈敏度，可檢測(cè)多種可燃?xì)怏w，具有可靠性高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

2.1.4 CH-SR501人體紅外感應(yīng)模塊

CH-SR501人體紅外感應(yīng)模塊是一塊采用LHI 778探頭，基于紅外線技術(shù)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制模塊。工作原理：當(dāng)傳感器接收到人體紅外輻射之后，傳感器溫度升高，表面釋放一部分電荷，并將釋放的電荷經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出[6]。CHSR501人體紅外感應(yīng)模塊擁有不可重復(fù)觸發(fā)、可重復(fù)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，具有全自動(dòng)感應(yīng)、超高靈敏度和可靠性高等特點(diǎn)。

2.2 基于ESP8266 的數(shù)據(jù)通信

ATK-ESP8266 是一款高性能UART-WiFi模塊，ATKESP8266模塊搭載了ATK-ESP-01模塊[7]。ATK-ESP8266 模塊采用串口（LVTTL）與 MCU（或其他串口設(shè)備）通信，在該模塊中自身包含可實(shí)現(xiàn)串口和WiFi轉(zhuǎn)換的TCP/IP協(xié)議棧[8]，可以實(shí)現(xiàn)WiFi和通信串口間的轉(zhuǎn)換。利用ATKESP8266模塊，僅需簡(jiǎn)單的串口配置就能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)串口設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（WiFi）傳輸自身數(shù)據(jù)的目的。模塊支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP和WiFi以及STA+WiFi AP模式，從而快速構(gòu)建串口-WiFi數(shù)據(jù)傳輸方案，方便設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。智能控制系統(tǒng)涉及的傳感器較多，其軟件子系統(tǒng)流程也較為復(fù)雜。工作流程：當(dāng)載有多種傳感器模塊電路的Arduino控制板采集到環(huán)境變量參數(shù)后，通過(guò)ESP8266 WiFi模塊實(shí)時(shí)上傳。智能家庭系統(tǒng)根據(jù)用戶的實(shí)際需要，由系統(tǒng)主控制板進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理，完成無(wú)線信號(hào)與串口信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。用戶在手機(jī)Android移動(dòng)終端可以清晰了解當(dāng)前房屋信息。

2.3 基于K210 Maix Bit的無(wú)接觸式體溫測(cè)量與身份識(shí)別

2.3.1 K210 Maix Bit人臉識(shí)別模塊

Maix Bit開(kāi)發(fā)板搭載了帶有獨(dú)立FPU的雙核處理器和RISC-V內(nèi)核的K210 AI芯片，擁有64位CPU位寬，8 MB片內(nèi)SRAM，400 MHz可調(diào)標(biāo)稱頻率，支持乘法、除法和平方根運(yùn)算等。利用圖像處理技術(shù)運(yùn)行人臉識(shí)別模塊，識(shí)別出人臉并且框出人臉的位置，將框出的人臉模型轉(zhuǎn)換成可接收的FPU格式，運(yùn)行人臉5點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)模型，獲取左眼、右眼、鼻子、左嘴角、右嘴角的位置，對(duì)原始人臉圖片進(jìn)行仿射變換，變換為正臉圖像，將正臉圖像轉(zhuǎn)為FPU格式。使用人臉196維特征值模型計(jì)算正臉圖片的196維特征值，計(jì)算得到最終的人臉特征feature。然后將得到的人臉模型與儲(chǔ)存的人臉模型進(jìn)行對(duì)比，得到一組對(duì)比分值，在對(duì)比分值中選擇其中最大的一個(gè)對(duì)比分值，如果該分值超過(guò)90分就可以判斷為是該人。

2.3.2 AMG8833紅外熱像儀模塊

AMG8833是基于高級(jí)MEMS技術(shù)的高精度紅外陣列傳感器，傳感器芯片經(jīng)過(guò)高增益放大與內(nèi)部熱敏電阻通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)到ROM中[9]。每個(gè)像素觀看中央角度傳感器的光學(xué)中心間隙在±5.6°內(nèi)（水平和垂直方向）。通過(guò)128個(gè)Temperature寄存器一次性讀取64個(gè)像素點(diǎn)的溫度，存儲(chǔ)在自定義數(shù)組中，64個(gè)溫度值中有部分受環(huán)境影響而導(dǎo)致測(cè)溫不準(zhǔn)確。由于環(huán)境溫度低于人體溫度，所以在本次設(shè)計(jì)中采取設(shè)置閾值比較算法，取64個(gè)溫度值中最大溫度的10個(gè)溫度取平均代表人體體溫[10]。

3 基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

采用Android Studio開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)智能家庭系統(tǒng)的手機(jī)客戶端APP開(kāi)發(fā)，智能控制UI界面是本系統(tǒng)應(yīng)用程序與屋主直接進(jìn)行信息交互的可視化界面，通過(guò)Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信中極其重要的核心?，F(xiàn)如今的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有許多種，在局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的有3種網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議：MICROSOFT的NETBEUI、NOVELL的IPX/SPX和TCP/IP協(xié)議。項(xiàng)目中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TCP/IP協(xié)議。利用Arduino控制器和ATK-ESP8266 WiFi模塊，結(jié)合模擬智能家居設(shè)備，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，利用SQLite作為數(shù)據(jù)庫(kù)，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持。用戶點(diǎn)擊控制界面開(kāi)關(guān)、查詢等控件后，后臺(tái)程序按照設(shè)定好的程序指令傳輸?shù)紸rduino控制器，再由Arduino控制器下發(fā)給系統(tǒng)的分系統(tǒng)，由此實(shí)現(xiàn)家庭室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)智能家居的控制。軟件系統(tǒng)流程如圖2所示。手機(jī)客戶端APP軟件與Arduino硬件板塊可通過(guò)搭建好的局域網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)端口相連，從而兩者可進(jìn)行通信交互（發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)）；采用手機(jī)客戶端APP軟件發(fā)送指令給Arduino，再通過(guò)Arduino發(fā)送指令給手機(jī)客戶端APP軟件，使手機(jī)客戶端APP軟件可以對(duì)智能家居當(dāng)前環(huán)境下的檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 軟件系統(tǒng)流程

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要提出了基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)多種傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)感知和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境；同時(shí)，通過(guò)手機(jī)的移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)在線設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。在系統(tǒng)開(kāi)啟運(yùn)行后，Arduino開(kāi)發(fā)板將通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)ATK-SEP8266的數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)完成Arduino開(kāi)發(fā)板和手機(jī)移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)終端上的流動(dòng)。結(jié)合K210 Maix Bit人臉識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有體溫異常來(lái)客的篩選、未戴口罩的識(shí)別以及預(yù)警，降低人們的感染風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)智能化、安全化、人性化的智能家庭系統(tǒng)，提高人們的生活質(zhì)量。