基于開(kāi)源硬件的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冀毅星，畢 波，唐錦萍

（1.東北石油大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2.黑龍江大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080）

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量也不斷提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始追求更高檔的生活，智能家居作為現(xiàn)代智能化方向發(fā)展的重要組成部分，也逐漸在人們的生活環(huán)境產(chǎn)生更重要的影響。與普通住宅相比，智能家居不僅可以改善家庭生活環(huán)境，提高家庭生活的舒適性與便利性，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家中各種設(shè)備的狀態(tài)。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要應(yīng)用之一，在給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)也產(chǎn)生了功耗、成本以及安全性等問(wèn)題。該文主要研究基于開(kāi)源硬件的智能家居控制系統(tǒng)，以Arduino UNO開(kāi)發(fā)板為核心，結(jié)合具體需求搭建各部分電路，通過(guò)開(kāi)源硬件嵌入式系統(tǒng)對(duì)智能家居中設(shè)備進(jìn)行控制，具有方便、智能、低成本等特點(diǎn)。提高了家居的智能化水平，使操作更加及時(shí)、便捷、高效。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及安防系統(tǒng)3 個(gè)子系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)主要由Arduino 控制器、無(wú)線設(shè)備、紅外發(fā)生裝置以及傳感器等組成，其主要作用是將所有控制開(kāi)關(guān)一體化，由傳感器紅外裝置感應(yīng)室內(nèi)情景變化，通過(guò)無(wú)線設(shè)備反饋到主控制器，主控制系統(tǒng)給出相應(yīng)的指令反饋給子系統(tǒng)，令其做出相應(yīng)的調(diào)整。

控制系統(tǒng)主要由esp8266WiFi 模塊、無(wú)線設(shè)備、Arduino控制器、傳感器、相應(yīng)的電機(jī)與控制電路組成，其主要作用是由esp8266WiFi 模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)傳感器檢測(cè)室內(nèi)開(kāi)關(guān)各類家電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息反饋，接收由控制系統(tǒng)發(fā)送的命令，最后把執(zhí)行結(jié)果返回。

安防及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由Arduino 控制器、無(wú)線設(shè)備、傳感器、監(jiān)控設(shè)備以及相應(yīng)的信號(hào)電路組成，其主要作用是檢測(cè)室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量等變化并給出相應(yīng)的指令，而且還能檢測(cè)室內(nèi)火情、水溢、有害氣體泄漏、非法人員闖入等安全問(wèn)題并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

對(duì)于以上的各個(gè)子系統(tǒng)的功能，該文主要采用了以Arduino UNO為控制核心，基于ZigBee協(xié)議的XBee模塊為無(wú)線傳輸模塊[1-2]，并采用了基于WiFi的esp8266模塊作為遠(yuǎn)程控制模塊，智能家居系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文研究的基于Arduino 開(kāi)發(fā)板的智能家居系統(tǒng)硬件部分主要包括主控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安防系統(tǒng)4 個(gè)子系統(tǒng)[3-4]。

圖1 智能家居系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)

2.1 照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)的主要功能在于將所有的控制開(kāi)關(guān)一體化，不再讓人在想調(diào)整燈的狀態(tài)時(shí)需要走到燈的開(kāi)關(guān)處，在需要進(jìn)行調(diào)整時(shí)只需要在手機(jī)上進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作即可，實(shí)現(xiàn)了照明設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

照明系統(tǒng)中包含的硬件設(shè)備主要有Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板、繼電器、人體紅外線電子感應(yīng)器，超聲波傳感器等。系統(tǒng)具體的電路設(shè)計(jì)如圖2、3 所示。

圖2 獨(dú)立小燈的線路圖

圖2 設(shè)計(jì)的是照明系統(tǒng)在無(wú)人控制的狀態(tài)下根據(jù)家居內(nèi)部環(huán)境的變化按照設(shè)定的格式自動(dòng)對(duì)照明設(shè)備做出調(diào)整。照明系統(tǒng)處于無(wú)人控制狀態(tài)時(shí)也可以進(jìn)行人為控制且人為指令優(yōu)先于設(shè)定指令。

圖3 人控小燈線路圖

圖3 設(shè)計(jì)的是在有人狀態(tài)下照明系統(tǒng)通過(guò)一系列傳感器感應(yīng)人的活動(dòng)狀況從而對(duì)照明設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，此外人也可以通過(guò)手機(jī)端發(fā)出指令對(duì)照明設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通過(guò)esp8266WiFi 模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。在同一局域網(wǎng)下，可以通過(guò)手機(jī)或電腦向esp8266 模塊發(fā)送指令，esp8266 接收到指令后，可以傳給Arduino控制板，進(jìn)而對(duì)指令進(jìn)行相應(yīng)的判斷，以此控制接入了Arduino控制器的家電。同時(shí)也可以通過(guò)各傳感器給Arduino 控制器的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)Arduino 控制家電。控制系統(tǒng)中主要用到的硬件設(shè)備有Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板、esp8266 開(kāi)發(fā)板、步進(jìn)電機(jī)、溫濕度傳感器以及電位器等。其中esp8266開(kāi)發(fā)板是WiFi串口模塊，功能可簡(jiǎn)要概括為：從WiFi 接收到數(shù)據(jù)，串口輸出；從串口接收數(shù)據(jù)，WiFi輸出數(shù)據(jù)。實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 esp8266模塊

控制系統(tǒng)利用esp8266 模塊結(jié)合Arduino 開(kāi)發(fā)板使家居中家電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通過(guò)手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程控制，該系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)的可控家電有智能窗簾、智能空調(diào)等[5-9]。其中智能窗簾主要是利用紅外遙控設(shè)備、步進(jìn)電機(jī)、傳感器實(shí)現(xiàn)窗簾的定時(shí)開(kāi)合以及遙控開(kāi)合電路設(shè)計(jì)，如圖5 所示。

圖5 窗簾結(jié)構(gòu)及電路連接結(jié)構(gòu)圖

智能空調(diào)利用溫度傳感器感應(yīng)室內(nèi)溫度變化進(jìn)行模式的自動(dòng)切換以維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，并且可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 智能空調(diào)的連接結(jié)構(gòu)圖

2.3 安防監(jiān)控系統(tǒng)

安防監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)報(bào)警、室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，其中火災(zāi)報(bào)警裝置主要是利用火焰報(bào)警器和蜂鳴器，組成火災(zāi)報(bào)警裝置，能夠在家里產(chǎn)生明火的時(shí)候迅速報(bào)警，提醒居住者處理火源[10-12]。電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)電路圖

實(shí)時(shí)監(jiān)控功能利用基于TTL 通信接口的攝像頭模塊通過(guò)定時(shí)拍照并上傳到連接在Arduino 控制板上的SD 卡上，人可以通過(guò)SD 卡實(shí)時(shí)觀看室內(nèi)攝 像[13-14]。電路設(shè)計(jì)如圖8 所示。

圖8 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)在開(kāi)始運(yùn)行后由遠(yuǎn)程控制端向Arduino 發(fā)送數(shù)據(jù)，主控制端的Arduino 接收指令后進(jìn)行處理通過(guò)XBee 向各個(gè)子系統(tǒng)發(fā)送指令，各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)XBee 終端接收控制信號(hào)處理后傳給Arduino UNO，從而使Arduino UNO 驅(qū)動(dòng)電路使各個(gè)裝置按照指令運(yùn)行，同時(shí)每個(gè)裝置也可將運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到遠(yuǎn)程控制端。整個(gè)系統(tǒng)軟件流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該部分程序主要實(shí)現(xiàn)通過(guò)紅外、超聲波、光敏等傳感器檢測(cè)室內(nèi)光線以及人員活動(dòng)情況從而對(duì)室內(nèi)照明設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，具體算法流程如圖10所示。

3.2 控制系統(tǒng)

1）智能窗簾

圖10 智能照明系統(tǒng)執(zhí)行流程圖

通過(guò)esp8266WiFi 模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取當(dāng)?shù)貐^(qū)時(shí)間，進(jìn)而反饋給Arduino 控制板。Arduino板判斷獲取的時(shí)間和設(shè)定的時(shí)間是否相等，如果相等，Arduino 板發(fā)送指令控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)進(jìn)行開(kāi)或關(guān)窗簾的操作。同時(shí)，將手機(jī)連入該IP 地址，進(jìn)而可以通過(guò)向esp8266 板發(fā)送操作指令來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)以實(shí)現(xiàn)窗簾的開(kāi)合程度。紅外和電位器作用機(jī)制是直接向Arduino 發(fā)送信息來(lái)控制窗簾。流程圖如圖11 所示。

2）智能空調(diào)

通過(guò)溫度傳感器模塊獲取環(huán)境溫度，通過(guò)環(huán)境的溫度與事先設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，來(lái)控制紅外發(fā)射模塊向空調(diào)發(fā)射信號(hào)，來(lái)控制空調(diào)的工作模式。通過(guò)esp8266WiFi 模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)連入該IP 地址，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的遠(yuǎn)程控制，并且查看空調(diào)的工作狀態(tài)。流程圖如圖12 所示。

3.3 安防監(jiān)控系統(tǒng)

1）火災(zāi)報(bào)警

圖11 智能窗簾運(yùn)行流程圖

圖12 智能空調(diào)運(yùn)行流程圖

將火焰?zhèn)鞲衅髋cArduino 開(kāi)發(fā)板模擬信號(hào)輸入接口連接，蜂鳴器與輸出信號(hào)接口連接，Arduino 通過(guò)串口讀取火焰?zhèn)鞲衅髂M值，有火焰靠近和無(wú)火焰時(shí)火焰?zhèn)鞲衅鞯哪M值分別為600 左右和50 左右，因此先存儲(chǔ)一個(gè)沒(méi)有火焰時(shí)模擬口的模擬值i。接著不斷循環(huán)讀取模擬口模擬值j，同存儲(chǔ)的值做差值k=j-i，差值k與500 做比較。差值k如果大于500，則判斷有火焰靠近，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警；如果差值小于500，則蜂鳴器不響。流程圖如圖13所示。

圖13 火焰報(bào)警器執(zhí)行流程圖

2）實(shí)時(shí)監(jiān)控

攝像頭與Arduino 連接，程序開(kāi)始運(yùn)行前首先檢測(cè)攝像頭、SD 卡是否正常工作，當(dāng)程序檢測(cè)到SD卡和攝像頭都已經(jīng)準(zhǔn)備就緒時(shí)，開(kāi)始執(zhí)行拍照程序，該拍照程序每次拍照間隔10 ms。流程圖如圖14所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖14 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行流程圖

文中設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要是以開(kāi)源硬件Arduino UNO 為核心結(jié)合基于ZigBee 協(xié)議的無(wú)線通信設(shè)備XBee 模塊、基于WiFi 技術(shù)的esp8266 模塊以及一系列相關(guān)的配件構(gòu)成的，該系統(tǒng)以Arduino 開(kāi)發(fā)板以及XBee 模塊構(gòu)成了主控制系統(tǒng)，另外包括智能照明、智能控制和智能安防3 個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了照明智能化、家電控制智能化、火災(zāi)報(bào)警以及實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能[15-16]。此外，采用ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)[17-19]實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本、安全性以及可靠性等目標(biāo)。