基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究

褚世文 靳士博 龐華天 凌宸 張燕

摘要：近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸發(fā)展，在智能家居系統(tǒng)中得到了越來越多的應用，其集成化程度卻始終略顯不足。該文從兩個基本角度即照明與安全角度人手，通過單片機間相互通信及在云端進行信息統(tǒng)計，建立了一個操作簡易、學習曲線平緩的智能家居系統(tǒng)，使得用戶既可以讓系統(tǒng)自主運行，也可以在移動端或PC端控制系統(tǒng)內(nèi)的所有智能家具。

關(guān)鍵詞：智能家居;單片機;ARDUINO UNO;模塊系統(tǒng)

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）22-0193-05

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

近年來，智能家居正在以其智能化、直觀化、便捷化的優(yōu)勢被千家萬戶所接受。但在傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)中，組件與組件之間的、系統(tǒng)與用戶之間的聯(lián)系都稍顯不足。應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得用戶能夠用一臺終端去控制家中的多個智能家居，才是智能家居發(fā)展的方向。

因此，本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，兼顧照明和安全兩大重要需求的智能家居系統(tǒng)。在解決使用者基本需求的基礎上，考慮到許多現(xiàn)有智能家居由于系統(tǒng)差異等原因，不能簡單同時控制的痛點，利用ARDUINO UNO與云計算技術(shù)搭建了本系統(tǒng)，使用戶的痛點得以解決。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以ARDUINO UNO為核心，WIFI為主要通信媒介，依靠多種傳感器和兩部分的執(zhí)行機構(gòu)來組成系統(tǒng)。接下來會依次介紹各部分的設計。

1 照明部分

1.1燈具部分

1.1.1系統(tǒng)組成

智能家居系統(tǒng)中的智能燈具部分組成如圖2所示，主要分為傳感部分、控制部分與執(zhí)行部分。傳感部分主要由紅外模塊HC-SR501與光敏電阻傳感器構(gòu)成，用于監(jiān)控是否有人活動以及室內(nèi)光強的變化;控制部分采用ARDUINO UNO版本，在兼顧體積的同時提供足夠的算力;執(zhí)行部分則由單路12V電器與LED燈帶構(gòu)成，用于接收控制部分的信號并執(zhí)行調(diào)節(jié)光強的任務。在三個部分中用到的模塊與設計，以下將做詳細介紹。

1.1.2傳感部分

傳感部分的第一個模塊是HC-SR501人體感應模塊，其基于紅外線技術(shù)進行檢測，使用LHI778探頭，功耗較低，適合用于單片機系統(tǒng);同時HC-SR501還可以通過改裝獲得自動光敏控制與溫度變化補償功能，檢測更為精確，符合家庭使用“小空間、高精度”的需求。第二個模塊是光敏電阻傳感器模塊，此次選用的是采用了LM393雙路差動比較器的傳感模塊，通過電路設計，使其不僅能夠通過DO端與繼電器相連組成光控開關(guān)，還可以通過AO端與ARDUINO UNO相連，測量具體環(huán)境光強。

HC-SR501的結(jié)構(gòu)如圖3所示，輸出為3.3V/OV的TTL信號，所以將其out端連接到ARDUINO UNO的digital部分接口，并將所連接口設置為in模式即可獲取HC-SR501的識別結(jié)果。同時在模塊中可以通過L/H焊盤部分的通斷來選擇模塊為可重復觸發(fā)模式抑或不可重復觸發(fā)模式。因為在家庭場景使用時，只要有人在使用范圍內(nèi)，就應當始終保持燈的開啟狀態(tài)。故可重復觸發(fā)模式，也即在感應輸出高電平后的一段時間內(nèi)，只要檢測到人體便會自動后延一段時間高電平輸出，直到人體離開感應范圍后才會變?yōu)榈碗娖降哪Ｊ礁臃闲枨蟆Ｋ詫⑷齻€焊盤中的下兩個斷開，上兩個短接。然后將溫度補償電阻接到圖3中的RT位置，以彌補因為溫差而導致的檢測范圍變化。

光敏電阻傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。此處在三線制與四線制兩個版本中選擇了四線制版本，理由如1.1部分所述，四線制比三線制多出了AO輸出，可以在使用DO輸出做自動光控開關(guān)的同時，給ARDUINO UNO提供具體環(huán)境光強數(shù)值。而后可以根據(jù)光強數(shù)值做出具體調(diào)節(jié)。

1.1.3控制部分

控制部分主體采用了ARDUINO UNO開發(fā)板。ARDUINOUNO是基于ATmega328P的ARDUINO開發(fā)板，擁有14個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個可用于PWM輸出）、6個模擬輸入引腳，在需要連接多個傳感器與模塊的情況下保證了有足夠的引腳供使用。同時ARDUINO UNO自帶可自恢復保險絲，對于輸入電壓的允許范圍也較為寬容，這對于可能產(chǎn)生電壓不穩(wěn)等情況的家庭場景使用是十分有利的，可以增強整個系統(tǒng)的魯棒性。

控制部分負責計算及指令發(fā)出任務，其工作流程如圖5所示。首先由HC-SR501進行人體檢測，若檢測到范圍內(nèi)的人體活動則將TTL信號傳回ARDUINO UNO，開始進行適宜方案計算，圖6展示了適宜方案計算的整體流程。所謂適宜方案計算是指，以2017年修訂的《健康住宅評價標準》（圖7）[1]中提出的對健康住宅光環(huán)境的照度值的建議作為基準值，調(diào)用光敏傳感模塊得到測量值，計算測量值與基準值之間的偏差，最后交由執(zhí)行部分進行調(diào)節(jié)。同時，為了照顧不同人群對于照度的不同需求，系統(tǒng)也實現(xiàn)了對于照度等數(shù)值的自我調(diào)節(jié)。使用者可以交由系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，也可以指定固定數(shù)值。在系統(tǒng)處理流程中，用戶指定數(shù)值相比計算值擁有更高的優(yōu)先級。

1.1.4執(zhí)行部分

執(zhí)行部分由繼電器與LED燈珠構(gòu)成。LED燈珠選用了由貼片5050燈珠構(gòu)成的燈帶。因為考慮到在家庭場景中應用時對于照度值及安全性的要求，選用了額定電壓12v版本的燈帶，其額定功率12W/m，防水等級IP33，配合外殼足以應對家庭場景正常使用條件下的各種情況。繼電器為12v單路繼電器，使用了SRD-12VDC-SL-C繼電器，擁有AC IOA/250v、DC IOA/30v的負載能力，足以驅(qū)動需要量的負載，對于意外也有一定的承受能力。

1.2窗簾部分

1.2.1總體設計方案

本項目首先由光敏傳感器對外界光線進行采集外界光線，并將采集后的光強數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電信號，后端采用單片機為系統(tǒng)控制平臺通過處理后的信息作用于電機驅(qū)動及電機，進而控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)窗簾的打開與關(guān)閉，運作流程如圖8所示。

1.2.2硬件部分

1.2.2.1單片機

本項目選用ARDUINO來作為開發(fā)環(huán)境，ARDUINO也是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件和軟件。由于ARDUINO還具有跨平臺、開放性等特點，不需要太多的單片機基礎、編程基礎，簡單學習后，也可以快速地進行開發(fā)[2]。所以相較于其他軟件而言，ARDUINO應用起來更加的簡單清晰。

1.2.2.2傳感器

本設計選用12V光敏電阻傳感器，首先光敏電阻感應光線的強度，自帶繼電器，可以直接控制負載，配電位器調(diào)節(jié)靈敏度，通過調(diào)節(jié)電位器，設定啟動繼電器閾值，由《健康住宅評價標準》（圖7）[1]中提出的對健康住宅光環(huán)境的照度值的建議設定閾值，但由于用戶自身需求不同，所以用戶還可以根據(jù)自己的需求來改變閾值的大小，當暗于此閾值時，模塊繼電器吸合，亮于此閾值時，繼電器釋放，12V電源輸入專供繼電器使用：板載78L05穩(wěn)壓三極管，提供傳感器比較實用，使產(chǎn)品更穩(wěn)定可靠。

1.2.2.3電機驅(qū)動

收到處理后的信息作用于步進電機，本設計采用的步進電機是28BYJ4步進電機，配備uln2003驅(qū)動，驅(qū)動信號為脈沖信號。無脈沖時，步進電機靜止，加入適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比，還可以改變脈沖的順序，就可以改變轉(zhuǎn)動的方向，從而調(diào)整窗簾的開關(guān)，電機驅(qū)動過程如圖9。

1.2.3軟件部分

1.2.3.1設計思想

如果光照強度低于參考值，同時窗簾處于打開狀態(tài)，電機反轉(zhuǎn)，從而關(guān)閉窗簾，如果光照強度低于參考值，但是窗簾已經(jīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，則電機不轉(zhuǎn)。

如果光照強度高于參考值，同時窗簾處于關(guān)閉狀態(tài)，電機正轉(zhuǎn)，從而打開窗簾;如果光照強度高于參考值，但是窗簾已經(jīng)處于打開狀態(tài)，則電機不轉(zhuǎn)[3]。

1.2.3.2運行流程

運行流程如圖10所示，先對系統(tǒng)進行初始化，之后調(diào)用函數(shù)驅(qū)動光敏電阻傳感器進行光線的數(shù)據(jù)采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬的光線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，傳送給處理器進行數(shù)據(jù)處理，之后判斷處理后的數(shù)據(jù)是否高于參考值，若不高于則結(jié)束操作，若高于參考值則電機驅(qū)動，窗簾打開。系統(tǒng)軟件設計通過對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、電機驅(qū)動，從而實現(xiàn)步進電機的自主控制。

2 安全部分

2.1 綜合傳感器

2.1.1 設計方案

首先由測溫模塊DS18820及MQ氣體傳感器對廚房的溫度及可燃氣等氣體進行監(jiān)測，并將各氣體濃度及廚房溫度是否正常顯示在液晶屏上，一旦某項數(shù)據(jù)超出設置閾值，模塊會觸發(fā)ARDUINO上的蜂鳴器報警，使用戶得以及時發(fā)現(xiàn)險情加以處理，防止災害發(fā)生。整個流程如圖11所示。

2.1.2 硬件選擇

2.1.2.1 液晶屏LCD12864

LCD12864是圖形點陣式液晶顯示器，擁有內(nèi)置漢字及字符并且提供自定義字符生成功能，可提供4組16*16點陣的空間，使得使用更加便利。它利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線的傳播方向，以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面并配合背光構(gòu)成畫面。并且可配合其他單片機完成漢字，字符，圖形等顯示，可構(gòu)成人機交互的圖形界面，該模塊功耗低，顯示內(nèi)容豐富，使各氣體濃度及廚房溫度是否正常完整清晰地顯示在屏幕上。

2.1.2.2測溫模塊DS18820

DS18820數(shù)字溫度計提供9-12位攝氏溫度測量，并具有報警功能，具有非易失性用戶可編程的上下觸發(fā)點。DS18820通過1-Wire總線進行通信，僅需一個端口引腳即可實現(xiàn)通信。它的工作溫度范圍為-55C至+125℃，精確到在-lOcC至+85℃的范圍內(nèi)正負0.5℃，精度很高，滿足家庭防火的需求。并且DS18820可以直接從數(shù)據(jù)線獲得電源，無須外部電源，使用起來也更加方便。

圖12為測溫模塊DS18820的原理圖，通過DO端與ARDU-INO UNO的digital部分接口相連，并將所接

2.1.2.3 MQ氣體傳感器

MQ氣體傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（Sn02）。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)化為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ氣體傳感器采用優(yōu)質(zhì)雙面板設計，具有電源指示和TTL信號輸出指示，TTL輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機模塊。并且MQ氣體傳感器對甲烷、一氧化碳等都有良好的靈敏度，這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，特別是天然氣，而我國大部分廚房所使用的基本是天然氣，所以這是一款適合放置在廚房的低成本傳感器。將MQ氣體傳感器模塊的DO輸出端與ARDUINO uno的digital部分接口相連，并將所連接口設置為in模式即可測得廚房天然氣等氣體的濃度是否超出閾值。

2.1.2.4蜂鳴器模塊

該模塊采用S8050三極管驅(qū)動，工作電壓為3.3V至5V，并且設有固定螺栓孔方便安裝，當1/O口輸入高電平時，蜂鳴器發(fā)聲，提醒用戶及時處理。

3 網(wǎng)絡部分

本文所設計的智能家居系統(tǒng)軟件運行主要通過多個AR-DUINO UNO對室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測得到數(shù)值，而后進行本地預算以及上傳云端進行統(tǒng)籌，進而實現(xiàn)終端執(zhí)行部分的智能化運行。系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)收集部分與數(shù)據(jù)處理部分。其中的數(shù)據(jù)收集部分由ARDUINO UNO與ESP8266芯片所組成，其工作流程如圖13所示。傳感器測得數(shù)據(jù)后將其傳回ARDUINO UNO，AR-DUINO UNO通過ESP8266芯片連接WIFI，將數(shù)據(jù)傳回YEELINK的云端服務器。數(shù)據(jù)處理部分由ARDUINO UNO與云端服務器共同進行處理，云端服務器處理后的數(shù)據(jù)主要用于在線上向用戶展示家中情況，ARDUINO UNO處理后的數(shù)據(jù)則用于決定執(zhí)行部分如何運行[4]。接口設置為in模式即可測量廚房具體溫度。

4 結(jié)束語

本文設計了一個以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎的智能家居系統(tǒng)，可以依據(jù)多種數(shù)據(jù)智能調(diào)節(jié)燈具、窗簾屬性。本系統(tǒng)設計主要以高集成度為核心，選用ARDUINO來作為開發(fā)環(huán)境，通過各項技術(shù)對家庭網(wǎng)絡進行構(gòu)建，用傳感器感應各模塊的信息從而實現(xiàn)各個智能家居的自動打開或關(guān)閉。檢測精準迅速，實時性能良好，工作可靠且功耗低，可以滿足個人現(xiàn)代化的需求[5]，從而實現(xiàn)智能家居的應用和推廣。

參考文獻：

[1] T/CECS 462-2017，健康住宅評價標準[Ml.北京：國家住宅與居住環(huán)境工程技術(shù)研究中心，中國建筑設計院有限公司，2017.

[2]劉偉，智能電動窗簾設計[D].成都：成都信息工程學院，2011.

[3]歐陽宇軒.智能窗簾系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013（15）.

[4]王琳，肖軍，劉洲洲，基于NB-IOT的智能家居系統(tǒng)的構(gòu)建[Jl.計算機技術(shù)與發(fā)展，2020（3）.

[5]張秀瑞，李樹新，葛文珍，等，基于自動化的智能家居系統(tǒng)探究[Jl.電子測試，2020（3）：58-59.

【通聯(lián)編輯：王力】

基金項目：南京大學金陵學院校級大學生創(chuàng)新項目（136462019009X）;南京大學金陵學院教改項目（0010521607）