基于Arduino 的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊力維

引言

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的提高，以及近年來自動化控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，除工業(yè)各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能化和自動化，在家居生活方面，對智能化和自動化的要求也逐漸提高。尤其在智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸興起的今天，智能家居控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制生活環(huán)境，為人們營造更為舒適和安全的環(huán)境，提高生活質(zhì)量的同時(shí)，增加了安全可靠性，同時(shí)節(jié)約時(shí)間和資金成本。設(shè)計(jì)、普及和推廣智能家居控制系統(tǒng)顯得尤為必要。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

（一）中央處理系統(tǒng)

Arduino開發(fā)板，有其獨(dú)特的開源性，能夠較為便利地進(jìn)行硬件的二次開發(fā)，通過接入其他電子元器件，如輸入信號的各種傳感器，通信模塊，用來顯示的模塊，輸出控制設(shè)備，以及其他外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)客戶需要達(dá)到的控制要求。本設(shè)計(jì)的控制核心采用Arduino開發(fā)板。它是基于一種Simple I/O平臺，可開放原始代碼，同時(shí)采用類似于C/C++或Java 的語言開發(fā)環(huán)境，可快速掌握Flash、Processing和Arduino語言[1]，實(shí)現(xiàn)各種創(chuàng)新的作品，尤其是近幾年又推出了一種可視化的設(shè)計(jì)手段，可以在硬件開發(fā)之前使用仿真手段進(jìn)行驗(yàn)證，使得開發(fā)的門檻降低。因此，筆者選擇Arduino開發(fā)板，配合其各種擴(kuò)展板、傳感器，能夠很好的實(shí)現(xiàn)智能家居的設(shè)計(jì)開發(fā)。

圖1 Arduino主板實(shí)物圖

（二）智能家居系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)將一系列傳感器分別安置在房間的各個(gè)角落，例如用煙霧、火焰?zhèn)鞲衅髋c溫控器來檢測廚房燒菜時(shí)的情況，用溫濕度傳感器來檢測衛(wèi)生間的滲水情況，用氣體、雨滴傳感器檢測外部的天氣情況，并據(jù)此考慮房間的通風(fēng)問題，光照傳感器用來檢測采光情況，并據(jù)此考慮窗簾是否關(guān)閉，屋內(nèi)是否需要開燈等等。將采集到的數(shù)據(jù)匯總后，由Arduino處理器進(jìn)行運(yùn)算處理，然后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)作，如電動機(jī)負(fù)責(zé)窗簾的動作，LED燈負(fù)責(zé)照明，蜂鳴器負(fù)責(zé)報(bào)警。這些傳感器全天候地根據(jù)周圍環(huán)境的變化實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，反饋給中央控制系統(tǒng)，改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，從而形成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)[2]。

圖2 智能家居構(gòu)想示意圖

（三）總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)以Arduino開發(fā)板作為控制器，即中央控制系統(tǒng)，通過各種傳感器、檢測模塊實(shí)現(xiàn)采集、檢測周圍環(huán)境的變化和用戶的動作，經(jīng)由無線的方式發(fā)送給系統(tǒng)，系統(tǒng)處理之后，驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出響應(yīng)。為了更好地改善用戶的體驗(yàn)，我們將收集的數(shù)據(jù)傳送至用戶終端，并在終端控制系統(tǒng)上設(shè)置語音執(zhí)行模塊，以方便用戶發(fā)送指令。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

二、硬件設(shè)計(jì)部分

該系統(tǒng)的硬件部分除了Arduino控制器之外，還采用了一些傳感器和執(zhí)行部件。

圖4 硬件部分仿真效果

（一）光照傳感器

光照傳感器的功能是光照強(qiáng)度的檢測，將檢測到的光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化成電壓值。本設(shè)計(jì)中，該傳感器的作用是用于檢測外界光線強(qiáng)度，然后發(fā)送信號給中央控制器，以決定是否需要點(diǎn)亮屋內(nèi)的LED燈以及驅(qū)動電機(jī)控制窗簾的打開與關(guān)閉。

（二）溫濕度傳感器

溫濕度檢測采用溫濕度一體化傳感器，更節(jié)約成本，它包括檢測模塊探頭和數(shù)字化處理電路兩部分，探頭利用數(shù)字集成傳感器制作，數(shù)字化處理電路，可將檢測到的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，如0～10V電壓信號或4～20mA電流信號等，實(shí)現(xiàn)溫度和相對濕度的數(shù)據(jù)采集。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，這類傳感器主要安置在廚房、衛(wèi)生間的環(huán)境中，用于檢測廚房做飯時(shí)的溫濕度和衛(wèi)生間使用時(shí)的溫濕度變化，如果出現(xiàn)異常則驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號。

（三）火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

火焰?zhèn)鞲衅?，通過紅外線來接收檢測火焰亮度，轉(zhuǎn)化成電平信號，火焰大，亮度高，轉(zhuǎn)化成高電平，火焰低，亮度低，轉(zhuǎn)化成低電平。中央處理器通過輸入端采集此高低電平信號，再經(jīng)程序執(zhí)行和處理。本設(shè)計(jì)中用來檢測廚房燒菜時(shí)火焰過大的異常情況。

（四）煙霧傳感器

煙霧傳感器即煙感報(bào)警器，俗語煙霧報(bào)警器，通過空氣中煙霧的濃度來判定現(xiàn)場環(huán)境的安全性。當(dāng)空氣中煙霧濃度大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，煙感報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，提醒用戶房間煙霧濃度超標(biāo)，其被各種消防報(bào)警系統(tǒng)廣泛運(yùn)用，該傳感器除了廚房以外，還可以安置在客廳，臥室等其他房間。

（五）伺服電機(jī)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用定位精準(zhǔn)的伺服電機(jī)，用來控制窗簾開關(guān)的速度，將電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，即把電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的角位移或角速度輸出，從而驅(qū)動被控制對象。由于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能夠?qū)崟r(shí)受控輸入信號，并及時(shí)作出反應(yīng)，將其作為執(zhí)行元件，具有線性度高、滯后時(shí)間常數(shù)短等特性。

（六）LED燈

LED指示燈即發(fā)光二極管，將電能轉(zhuǎn)換成光能，屬于一種固態(tài)半導(dǎo)體器件。本設(shè)計(jì)利用Arduino 開發(fā)板的 PWM脈寬調(diào)制功能，通過控制半導(dǎo)體器件的通斷，輸出占空比可變的脈沖波形的原理[3]，改變逆變電路輸出電壓的大小和輸出頻率，從而使LED燈的亮度能夠自動調(diào)節(jié)，對用戶的視力起到保護(hù)作用。

圖5 PWM原理圖

（七）蜂鳴器

蜂鳴器常用于洗衣機(jī)、復(fù)印機(jī)、定時(shí)器、汽車電子設(shè)備、報(bào)警裝置等，將電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號，是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，在本設(shè)計(jì)中用于傳感器收集到異常信號時(shí)的報(bào)警裝置。

三、軟件設(shè)計(jì)部分

在進(jìn)行硬件的連接之后，軟件工作的主要內(nèi)容是讀取各個(gè)傳感器的信號，送入Arduino進(jìn)行算法處理，然后根據(jù)處理的結(jié)果控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)產(chǎn)生響應(yīng)。筆者在正式的硬件方案實(shí)施之前，先采用Proteus軟件進(jìn)行硬件的仿真，并結(jié)合最新的可視化設(shè)計(jì)手段，如圖6所示，設(shè)計(jì)流程清晰，并能調(diào)用傳感器自帶的函數(shù)（俗稱“方法”）進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]，屏蔽了接口上的諸多細(xì)節(jié)，使得軟件的開發(fā)效率更高。

圖6 可視化設(shè)計(jì)

在以上可視化設(shè)計(jì)中展示了部分軟件設(shè)計(jì)，包括調(diào)用溫濕度傳感器的方法readTemperatue()和readHumidity()函數(shù)讀取當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度模擬值，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，同時(shí)用光照傳感器中的readLuminance()方法讀取當(dāng)前的光照強(qiáng)度，將上述傳感器獲得的數(shù)值分別保存在變量t、h和Lux中，然后將獲取的參數(shù)與用戶預(yù)先設(shè)定的閾值做比較，一旦超過閾值，將蜂鳴器置位ON，LED燈置位ON，控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)帶動窗簾打開。如果讀取的數(shù)值沒有超過用戶設(shè)定的閾值，則將蜂鳴器設(shè)為OFF，LED燈設(shè)為OFF，電動機(jī)反轉(zhuǎn)帶動窗簾關(guān)閉，直至相應(yīng)的限位停止運(yùn)行。用戶可以隨時(shí)改變閾值來修改執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行條件，達(dá)到適合用戶的要求為止。

四、展望

此控制系統(tǒng)以Arduino為核心，接入各種傳感檢測裝置，充分采集環(huán)境的各種變量，設(shè)計(jì)方案相對簡單，能夠滿足大多人群需求，如果有更高智能控制的要求，可以進(jìn)行個(gè)性化的定制設(shè)計(jì)。例如，想要知道當(dāng)前房間中有多少人，可增加紅外傳感器，通過檢測人體體溫信號感知當(dāng)前房間里活動的人員數(shù)量等等。

隨著現(xiàn)代新興技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居控制將占據(jù)越來越大的市場，將基于Android控制的系統(tǒng)，在其終端開發(fā)成APP，便于用戶隨時(shí)監(jiān)控并操作，甚至加入語音識別功能，AI學(xué)習(xí)功能等，根據(jù)用戶個(gè)人喜好，滿足用戶工作和生活上的需求。