智能家居環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

王翔 鄧士岳 張如浩 盧雨 周文杰

【摘 要】由大數(shù)據(jù)分析得出，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)家庭天然氣事故依舊屬于高發(fā)狀態(tài)，家庭安全、健康隱患不容忽視，對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，中國(guó)在家庭安全防護(hù)方面所采取的防護(hù)措施要遠(yuǎn)弱于國(guó)外家庭。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)出了基于Arduino的一個(gè)智能家居檢測(cè)設(shè)備，其可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)家中PM2.5、甲醛、燃?xì)獾臐舛?，以及溫濕度等?shù)據(jù)，這將刷新人們對(duì)家庭安全的觀念，并且可以有效預(yù)防燃?xì)庑孤┦鹿剩瑴p少危險(xiǎn)系數(shù)，保障人身以及財(cái)產(chǎn)安全等。

【關(guān)鍵詞】Arduino；家庭安全；檢測(cè)

Arduino作為一家開源的硬件與軟件公司，其旗下的各類開發(fā)板都擁有大量的資料與示例，可以方便的用于構(gòu)建數(shù)字設(shè)備和交互式對(duì)象，可以感知和控制物理和數(shù)字世界中的對(duì)象。筆者根據(jù)開源硬件Arduino Uno R3自行設(shè)計(jì)Atmega328p的最小系統(tǒng)板，并整合各類外部設(shè)備，避免杜邦線等不可靠連接，使作品更加簡(jiǎn)潔、可靠。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本作品是以電子系統(tǒng)為核心的智能家居系統(tǒng)，要建立智能家居系統(tǒng)硬件是關(guān)鍵和基礎(chǔ)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、 控制和反饋的準(zhǔn)確性、 節(jié)能性都有直接影響。本作品控制部分為Atmega328p單片機(jī)，其他外部設(shè)備包含I2C協(xié)議的OLED顯示模塊，MQ-2氣體傳感器模塊，Sharp GP2Y10 空氣質(zhì)量傳感器模塊，ESP8266無線WIFI模塊，以及DHT22溫濕度傳感器模塊。

（一）Arduino控制器

控制器部分采用Atmel公司的Atmega328p單片機(jī)作為控制核心。這款單片機(jī)是高性能8位AVR RISC微控制器，擁有32KB的程序儲(chǔ)存空間，I2C協(xié)議數(shù)字通訊接口，有6通道10位A/D轉(zhuǎn)換，燒寫bootloader后可兼容Arduino IDE。本作品程序可通過ICSP接口實(shí)現(xiàn)下載程序，精簡(jiǎn)了系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠[1]。電源采用AMS1117線性電源，保證了單片機(jī)與其他外設(shè)的高質(zhì)量供電[2]。原理圖與PCB如下所示：

（二）溫濕度傳感器模塊

DHT22是一款已校準(zhǔn)、單總線數(shù)字信號(hào)輸出溫濕度傳感器，它擁有特殊的數(shù)字模塊信息采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能夠確保產(chǎn)品具有極高的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度。該傳感器中集成了電阻式感濕元器件和NTC測(cè)溫元器件，從而達(dá)到檢測(cè)環(huán)境溫度、濕度的目的，其品質(zhì)卓越，響應(yīng)快速，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高等特點(diǎn)。

（三）氣體傳感器模塊

氣體傳感器模塊我們選用MQ-2模塊，該模塊可用于氣體泄漏檢測(cè)（家庭和工業(yè)）。適用于檢測(cè)H2，LPG，CH4，CO，酒精，煙霧或丙烷。由于其高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間，測(cè)量時(shí)間短。傳感器的靈敏度可通過電位計(jì)調(diào)節(jié)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到氣體濃度過高時(shí)，將會(huì)通過控制繼電器關(guān)閉閥門，或開啟排風(fēng)扇并遠(yuǎn)程報(bào)警等應(yīng)急措施。

（四）空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊

空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊我們采用了夏普光學(xué)粉塵傳感器（Sharp GP2Y10），其原理是將紅外發(fā)光二極管和光敏三極管對(duì)角布置在這個(gè)裝置中，檢測(cè)空氣中塵埃的反射光，從而檢測(cè)空氣質(zhì)量的好壞。該傳感器具有非常低的電流消耗，且輸出的模擬電壓正比于測(cè)量粉塵濃度，具有靈敏度0.5v/0.1mg/m3的高靈敏度。

（五）OLED顯示模塊

OLED顯示模塊我們采用I2C協(xié)議的模塊，I2C協(xié)議具有連接線少、可以實(shí)現(xiàn)多設(shè)備運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。我們采用128X64像素大小的模塊，可以顯示中英文、數(shù)字，以及簡(jiǎn)單的LOGO。OLED具有自發(fā)光特性，無需背光源，功耗低，對(duì)比度無窮大等特點(diǎn)。

（六）ESP8266模塊

ESP8266是一款低功耗、高度集成的WIFI芯片，其內(nèi)置超低功耗Tensilica L106 32位RISC處理器，CPU 時(shí)鐘速度最高可達(dá)160 MHz，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和Wi-Fi協(xié)議棧，可將高達(dá)80%的處理能力留給應(yīng)用編程和開發(fā)。它是專為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，通過多項(xiàng)專有技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超低功耗。ESP8266具有的省電模式適用于各種低功耗應(yīng)用場(chǎng)景[3]。在其刷入NodeMCU固件之后，更是可以兼容Arduino IDE，降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期。模塊如圖所示。

二、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

利用DHT22溫濕度傳感器模塊、空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊，以及氣體檢測(cè)模塊采集環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果通過I/O口控制其他外設(shè)采取應(yīng)急措施，同時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)通過TXD引腳輸出給ESP8266，ESP8266再將數(shù)據(jù)通過UDP或TCP協(xié)議推送至用戶。

本系統(tǒng)采用Arduino IDE編程、下載，系統(tǒng)采用C語言編寫，通過調(diào)用庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，程序由系統(tǒng)主程序、初始化子程序、各個(gè)模塊子程序、數(shù)據(jù)處理程序與數(shù)據(jù)傳輸程序組成。程序流程圖如下。

三、系統(tǒng)功能

經(jīng)過實(shí)踐證明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，得益于低功耗的單片機(jī)以及傳感器，系統(tǒng)耗能極低。采用了無線傳輸、溫濕度監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)氣體檢測(cè)、空氣質(zhì)量檢測(cè)以及顯示等主要功能性模塊構(gòu)建了一套智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有環(huán)境檢測(cè)、消息推送、異常情況自動(dòng)處理等功能，操作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保，適用于現(xiàn)代家庭安全防護(hù)，具有巨大的推廣使用價(jià)值與開發(fā)潛力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔡睿妍. Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子電力技術(shù)， 2012，（16）

[2]鄭曉慶.多路輸出DC-DC電路設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2012，（9）

[3]范興隆. ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，（9）