基于Arduino的移動式智能家居系統(tǒng)設(shè)計

盧才林 馮博 刁鵬

合肥工業(yè)大學(xué) 安徽 合肥 230009

引言

隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感檢測技術(shù)等諸多技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的家電行業(yè)正在發(fā)生變革[1]，除了傳統(tǒng)的開關(guān)控制外，現(xiàn)在出現(xiàn)了紅外遙控，語音控制、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)控制、甚至是現(xiàn)在和今后熱點的物聯(lián)網(wǎng)控制等多種控制方法。但是這幾種控制方式中，語音控制不適用于長距離控制，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)控制與物聯(lián)網(wǎng)控制等需要構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等，紅外遙控現(xiàn)在應(yīng)用較普遍，但需要每種家電對應(yīng)的遙控器，且使用紅外線控制不能有障礙物阻擋?？傊F(xiàn)有控制方法移動性差，不便于整個家庭使用[2]。因此研究一款能夠滿足人們需求的智能家居系統(tǒng)，對智能家居實際研究方向具有重要意義[3]。

針對上述問題，本文提出了一種移動式智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Arduino控制智能家居控制平臺的移動、外接傳感器感知室內(nèi)環(huán)境。同時，搭載Android系統(tǒng)的控制器和相關(guān)部件使便捷控制智能家電及紅外控制類家電成為可能。由于系統(tǒng)的可移動性，用戶可以控制家庭中任意位置的電器，系統(tǒng)上搭載室內(nèi)環(huán)境檢測的傳感器，在系統(tǒng)可移動的情況下，用戶可以更清楚地了解住所各個部分的環(huán)境狀況。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 機(jī)械設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)由底板、驅(qū)動輪、馬達(dá)、Arduino UNO、電源等部分組成，模型如圖1所示，底盤直徑為300mm，隔板與底板均采用亞克力板，降低重量增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，相應(yīng)隔板間用銅柱剛性連接，Arduino UNO和電源分別布置在中間隔層，為布線方便，各隔層板上設(shè)置有若干走線孔。為平衡重心，設(shè)置四個萬向輪。

1.2 功能模塊

本系統(tǒng)的從功能上可以劃分為3大模塊：行進(jìn)模塊、室內(nèi)環(huán)境檢測模塊和家居控制模塊。

行進(jìn)模塊，用于整個裝置移動，在行進(jìn)的過程中可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、避障等功能。配合室內(nèi)環(huán)境檢測模塊檢測家庭環(huán)境；配合搭載的智能家居控制模塊控制家電。

室內(nèi)環(huán)境檢測模塊，利用傳感器檢測室內(nèi)溫濕度、氣體濃度等指標(biāo)。檢測項目數(shù)值超出設(shè)定閾值時，會進(jìn)行警報，提示居民注意室內(nèi)環(huán)境信息。

家居控制模塊，對多款智能家居電器和一些紅外遙控的非智能家電進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

家居控制系統(tǒng)由兩個控制中心組成，實行多控制中心控制實現(xiàn)控制互不干擾。其移動式平臺采用硬件式結(jié)構(gòu)，以Arduino為控制核心控制其進(jìn)行移動，Arduino同時也作為室內(nèi)環(huán)境檢測模塊的控制核心。家居控制模塊以裝載了Android系統(tǒng)的平板電腦作為控制核心控制集成式家居控制器。

2.1 移動控制平臺

移動控制平臺以Arduino UNO為控制核心。Arduino UNO本身封裝使用RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)、存儲器和其他外圍設(shè)備，Arduino UNO有20個I/O引腳，且有6個引腳有A/D轉(zhuǎn)換與PWM等特性，具有高速運(yùn)行處理能力，且具有串口等通訊接口，滿足我們設(shè)備的使用需求[4-6]。設(shè)計Arduino UNO作為行進(jìn)模塊的核心，同時將前行與轉(zhuǎn)向兩者分離。設(shè)置超聲波測距傳感器，防止在行進(jìn)時與障礙物相撞。此外，以Arduino為控制核心的移動控制平臺可擴(kuò)展性很強(qiáng)，用戶可在Arduino UNO拓展紅外控制模塊、語音控制模塊等。

2.2 室內(nèi)環(huán)境檢測模塊

Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境。該系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境檢測模塊以Arduino UNO為控制核心，溫濕度傳感器和煙霧傳感器分別與Arduino UNO相連。傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)送入Arduino UNO，通過外設(shè)LCD顯示項目檢測數(shù)據(jù)，超出檢測數(shù)值閾值是蜂鳴器發(fā)出警報。

2.2.1 溫濕度檢測。室內(nèi)溫濕度檢測采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該復(fù)合傳感器應(yīng)用專門的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，將檢測到的溫濕度模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。該傳感器內(nèi)部包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連，有利于提高產(chǎn)品長期穩(wěn)定性和可靠性[7]。

溫濕度檢測功能分4個方面來體現(xiàn)，分別是溫度上下限值警報，濕度上下限值警報。

溫度上限值警報即將DHT11與Arduino開發(fā)板相連接，使DHT11采集到的溫度信息發(fā)送給Arduino開發(fā)板，與設(shè)定的門限值上限比較，超出限定數(shù)值即發(fā)出警報。溫度下限值警報與溫度上限值警報原理相同。DHT11不能利用單一數(shù)值進(jìn)行比較，因此在Arduino內(nèi)部需同時設(shè)置溫度上下門限值，超出任意閾值即發(fā)出警報。

濕度上下限警報與溫度上下限警報原理相同。一般設(shè)置上限警報值為最大允許值的90%，下限警報值為0或允許值的10%。

2.2.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測模塊。室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測采用MQ-2煙霧傳感器，這種電阻傳感器對不同種類、濃度的氣體有不同的電阻值，因此通過一定的電路就可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與該氣體濃度相對應(yīng)的電信號輸出。

MQ-2煙霧傳感器的應(yīng)用范圍極廣，在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。在本文所述的家居控制系統(tǒng)中用于測量室內(nèi)空氣液化氣和一氧化碳等氣體的含量，這些氣體在空氣中的濃度超出一定數(shù)值則可能會對人體產(chǎn)生危害，如二氧化碳濃度過高時則會引發(fā)頭暈等癥狀。在該室內(nèi)環(huán)境檢測模塊中設(shè)置這些氣體濃度的閾值，MQ-2對相應(yīng)氣體的濃度檢測數(shù)值超出閾值時，Arduino會向蜂鳴器發(fā)送警報信號，提示居民注意[8]。

MQ-2測量空氣質(zhì)量時，只需在Arduino的程序中設(shè)置煙霧的門限值。當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度升高時，MQ-2檢測煙霧濃度，并將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸rduino中與門限值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測數(shù)值超出閾值會觸發(fā)警報。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 行進(jìn)模塊

行進(jìn)模塊實現(xiàn)整個系統(tǒng)的移動性能，可由用戶控制系統(tǒng)移動。在日常家居生活中，因障礙物導(dǎo)致家電控制困難，此時通常需要人們走近家電進(jìn)行操控。而該系統(tǒng)則可借助移動模塊，使用戶控制平臺移動，對整個家庭中的電器設(shè)備實現(xiàn)操控。由于平臺的可移動性，室內(nèi)環(huán)境檢測模塊能更為完整地檢測家庭環(huán)境，使用戶能更清楚地了解家庭中各部分的環(huán)境。

3.2 室內(nèi)環(huán)境檢測模塊調(diào)試

室內(nèi)環(huán)境檢測模塊檢測室內(nèi)溫濕度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度等指標(biāo)。

3.2.1 溫濕度傳感器調(diào)試。Arduino UNO具有功能強(qiáng)大的串口通信接口，可以通過Arduino IDE（IDE是計算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境，可以在Windows、Macintosh OS（Mac OS）、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行）進(jìn)行程序的編纂，通過通用串行總線將程序燒錄進(jìn)Arduino UNO[9]，連接好與DHT11的電路，打開電源即可執(zhí)行相應(yīng)的程序。調(diào)試步驟如下：①使用Arduino IDE進(jìn)行開發(fā)板的選型，選擇Arduino UNO；②在Arduino IDE中編程，定義DHT11引腳狀態(tài)；③在Arduino IDE中編纂程序，設(shè)置上下門限值；④對DHT11中程序校驗成功后燒錄進(jìn)Arduino UNO。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的VCC引腳為該傳感器供電，與Arduino UNO的5V電源相連；Data引腳用于傳感器與微控制器之間的通信，與Arduino UNO的數(shù)字引腳2相連；NC引腳不連接；GND為接地引腳，連接Arduino UNO的GND引腳。

此傳感器測得的此時環(huán)境溫度在24.00℃左右，測得的環(huán)境濕度在44.00%左右，DHT11溫濕度傳感器的采樣周期為1秒即每秒讀取一次環(huán)境溫濕度的值。DHT11溫濕度傳感器的溫濕度測試結(jié)果如圖2中所示。

3.2.2 煙霧傳感器調(diào)試。MQ-2煙霧傳感器的調(diào)試原理與上述DHT11的調(diào)試原理相同。MQ-2煙霧傳感器的VCC引腳為模塊供電，連接到Arduino UNO的5V電源輸出；GND接地引腳連接到Arduino UNO的GND引腳；DO引腳提供可燃?xì)怏w存在的數(shù)字表示，連接到Arduino UNO的數(shù)字引腳3；AO引腳提供與煙氣濃度成比例的模擬輸出電壓，連接到Arduino UNO的模擬引腳A0。

此傳感器測得的此時空氣質(zhì)量AD值在466上下波動，平板電腦上顯示的空氣質(zhì)量測試結(jié)果如圖3所示。因為對于煙霧濃度的檢測未達(dá)到設(shè)定值，如圖2所示綠燈亮起，蜂鳴器也未發(fā)出警報。

3.3 家居控制模塊調(diào)試

智能家居控制模塊采用用途較廣的Android系統(tǒng)，將裝有Android系統(tǒng)的移動設(shè)備和家居控制平臺構(gòu)成功能齊全的系統(tǒng)，同時利用無線連技術(shù)對家庭內(nèi)部的家電進(jìn)行有效控制。

該智能家居控制模塊功能表現(xiàn)為：①該智能家居控制模塊作為智能家居控制的核心控制智能家電；②控制器通過萬能遙控器操控非智能紅外控制家電；③家居控制模塊的無線網(wǎng)絡(luò)與裝有Android系統(tǒng)的手機(jī)相連，使用戶可以使用手機(jī)遠(yuǎn)程控制智能家電。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于Arduino的移動式智能家居系統(tǒng)，設(shè)計了各個機(jī)構(gòu)的具體功能。系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計使得智能家居控制成為可能。系統(tǒng)由兩個控制中心（Arduino和Android 系統(tǒng)）配合實現(xiàn)。以Arduino為控制核心控制系統(tǒng)可進(jìn)行定向循跡和避障式移動，同時利用外接的各種傳感器實時采集家居各處的環(huán)境信息，及時反饋給Arduino，Arduino再將檢測到的數(shù)據(jù)傳入Android系統(tǒng)通過無線連接技術(shù)控制智能家電改善室內(nèi)環(huán)境，用戶也可以通過手機(jī)等設(shè)備對家中智能家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)設(shè)計旨在滿足一般家庭的使用需求。由于Arduino的開放性，該平臺易拓展超聲波避障、語音控制、手機(jī)藍(lán)牙控制和紅外遙控等多種功能。此外，該系統(tǒng)硬件設(shè)備簡單可靠，成本較低。對研究智能家居控制及物聯(lián)網(wǎng)等具有重要的參考意義。