崔 陽,張維華,白云峰

(哈爾濱理工大學(xué) 電工電子教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中心，黑龍江 哈爾濱150080)

1984年世界上第一幢智能建筑在美國康涅迪格州出現(xiàn)。它將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)中進(jìn)行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)[1]。如今這種建筑正成為都市人青睞的家居體驗(yàn)方式。

2003年以來，海信、清華同方等公司也相繼加入到智能家居行列，但目前的智能家居系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一明確的國際標(biāo)準(zhǔn)，許多公司開發(fā)出的產(chǎn)品都是基于自己組建的網(wǎng)絡(luò)和信息交換協(xié)議，很多產(chǎn)品是針對(duì)特定的組網(wǎng)環(huán)境開發(fā)的，部分核心技術(shù)沒有對(duì)外公布，技術(shù)復(fù)雜，直接導(dǎo)致了使用范圍的局限性。由于缺乏對(duì)應(yīng)的第三方產(chǎn)品，各個(gè)接入設(shè)備之間不能兼容，互操作性差，不利于產(chǎn)品的擴(kuò)充。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

以電子系統(tǒng)為核心的家居系統(tǒng)是未來智能家居的發(fā)展趨勢[2],本文介紹一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)。建立智能家居控制系統(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[3]。智能家居控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括Arduino控制器、傳感系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng)、語音播報(bào)部分和液晶顯示等。其中，傳感器部分由溫濕度傳感器和氣體傳感器三部分組成，用以檢測室內(nèi)溫濕度及有害氣體。無線控制部分由GSM和無線語音控制模塊兩部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 Arduino控制器

Arduino是一個(gè)開源的單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，硬件部分由Atmel AVR單片機(jī)、I/O接口及相關(guān)電路組成，軟件部分則包括標(biāo)準(zhǔn)的程序編譯器和程序下載器，具有使用類似 Java和 C語言的 Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境[4]。相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)，Arduino的特點(diǎn)主要包括免費(fèi)、開源的IDE，開源的硬件(包括原理圖和PCB圖)，所有資源都可以免費(fèi)下載，并且可依需求自己修改，方便與傳感器及各式各樣的電子組件連接。本系統(tǒng)的主控制器采用Arduino Mega2560。Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板，核心是ATmega2560單片機(jī)，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口 (其中 16路可作為 PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16 MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕?？刂瓢逋ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)USB線纜與電腦連接，便于在線進(jìn)行程序調(diào)試[5]。

1.2 無線語音模塊

無線語音采用YS V0.7模塊，其核心是 LD3320語音識(shí)別專用芯片,如圖2所示。模塊將LD3320芯片與周圍必要的容阻件集成在一塊PCB上，將LD3320的芯片管腳通過2×20的排針引出，方便用戶在面包板或者標(biāo)準(zhǔn)DIP40插座等設(shè)備上對(duì)LD3320芯片進(jìn)行快速開發(fā)。模塊主控MCU是51內(nèi)核的單片機(jī)STC90LE52,電源設(shè)計(jì)采用的是LM1117-3.3芯片，為 LD3320提供3.3 V電壓。將主控MCU的管腳連接到LD3320模塊的排針上，同時(shí)給LD3320模塊提供合適(4 MHz～48 MHz)的晶振信號(hào)，在主控MCU中編寫程序進(jìn)行LD3320的語音識(shí)別。

圖2 LD3320內(nèi)部電路的邏輯框圖

1.3 GSM模塊

目前，國內(nèi)已經(jīng)開始使用的GSM模塊有Falcom的A2D系列、Wavecome的WMO2系列、西門子的MC39i系列、愛立信的DM10/DM20系列、中興的ZXGM18系列等，這些模塊的功能、用法差別不大[6]。本設(shè)計(jì)GSM控制部分采用MC39i模塊，MC39i是西門子公司推出的新一代雙頻 GSM/GPRS通信模塊的無鉛產(chǎn)品，其簡潔的封裝是很多應(yīng)用系統(tǒng)中無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音、SMS和FAX各個(gè)方面的應(yīng)用，且功耗低，為用戶提供了永遠(yuǎn)在線、高速度、更簡單的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信接入手段，通過獨(dú)特的40腳的連接器(ZIF)實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號(hào)及控制信號(hào)的雙向傳輸。GSM是具有電話報(bào)警功能的監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)利用GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)房屋進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，當(dāng)系統(tǒng)檢測的房屋內(nèi)有危害情況時(shí)，通過GSM模塊給用戶發(fā)送短信告知用戶。同時(shí)可以利用GSM模塊對(duì)電器進(jìn)行控制。

1.4 傳感器模塊

1.4.1 溫濕度傳感模塊

溫濕度傳感系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感模塊，外形及原理圖如圖3所示。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，可與高性能單片機(jī)相連接，達(dá)到檢測環(huán)境溫濕度的目的，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 DHT11溫濕度傳感模塊外形及原理圖

1.4.2 氣體傳感模塊

氣體傳感系統(tǒng)采用MQ-2氣體傳感模塊，原理圖如圖4所示。MQ-2傳感器是基于QMNG1探頭的氣體傳感器，采用MQ-2型氣敏元件，可以迅速、靈敏地檢測到空氣中的煙霧以及甲烷氣體。通過3P傳感器連接線直接插接到Arduino傳感器擴(kuò)展板上，結(jié)合蜂鳴器模塊與繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)煙霧報(bào)警、甲烷泄露報(bào)警和自動(dòng)煙霧排風(fēng)等功能。

1.5 液晶顯示模塊

液晶顯示采用LCD1602B模塊。LCD1602B字符型液晶模塊是一種用5×7點(diǎn)陣圖形顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個(gè)字、2行16個(gè)字、2行20個(gè)字等。

圖4 MQ系列傳感器模塊原理圖

圖5 主程序流程圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

利用溫濕度傳感模塊、氣體傳感模塊對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測，將采集量和設(shè)定的預(yù)設(shè)置進(jìn)行比較，并將檢測結(jié)果反饋到Arduino中央控制器，從而控制風(fēng)扇、排氣扇等家電設(shè)備，自動(dòng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)；利用語音控制模塊對(duì)Arduino中央控制器發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的無線語音控制；通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信控制家電功能；利用液晶模塊顯示出各部分信息，通過語音播報(bào)模塊進(jìn)行外部通信。通過以上系統(tǒng)之間的聯(lián)系與通信，實(shí)現(xiàn)整套家居的智能控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)軟件采用Arduino IDE開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)試完成后下載到Arduino Mega2560控制器中運(yùn)行。系統(tǒng)程序運(yùn)用C語言編寫，結(jié)合一些主要函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的功能。程序由系統(tǒng)主程序、初始化子程序、語音控制子程序、GSM控制子程序、傳感器檢測子程序等模塊組成，系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)的功能

(1)語音YS V0.7模塊通過對(duì)照識(shí)別人語言中的敏感詞，經(jīng)過藍(lán)牙向Arduino中央控制發(fā)出特定字符，中央控制器通過處理接收到的字符，控制外部模塊。

(2)將已準(zhǔn)備好的電話卡，插入GSM模塊的卡槽里，當(dāng)成功識(shí)別所插入的卡后，指示燈會(huì)有規(guī)律地閃爍。這時(shí)，通過手機(jī)向GSM模塊發(fā)送帶有特殊符號(hào)的短信，模塊會(huì)自動(dòng)識(shí)別字符從而控制繼電器的工作。如：向GSM發(fā)送“on”，則 GSM 控制繼電器，打開開關(guān);發(fā)送“off”則關(guān)閉開關(guān)。

(3)DHT11溫濕度傳感模塊，通過不斷地對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制器，中央控制器處理得到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602B液晶顯示模塊上。實(shí)時(shí)將溫度與設(shè)定溫度閾值進(jìn)行比較，超過閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇，調(diào)節(jié)溫度。

(4)將MQ-2氣體傳感模塊直接插接到Arduino傳感器擴(kuò)展板上。當(dāng)檢測到的有害氣體達(dá)到設(shè)定閾值后，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)Arduino控制引腳的電平，形成電位差使排氣扇開始工作。

經(jīng)過試驗(yàn)證明，基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。采用無線模塊，溫濕度、危險(xiǎn)氣體等采集感應(yīng)模塊，液晶及語音輸出設(shè)備等主要的功能性部件，構(gòu)建了一套智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)具有語音及GSM短信控制家電、煙霧防火報(bào)警等功能，采用液晶顯示及語音播報(bào)反映環(huán)境溫濕度及自動(dòng)判斷外部環(huán)境、自動(dòng)處理異情的功能；采用無線模塊起到無線控制功能，方便操作，適用于現(xiàn)代家居小區(qū)，更適合行動(dòng)不便的老人家庭，具有巨大的推廣使用價(jià)值和開發(fā)潛力。

[1]孫玉娟.智能家居借勢突圍從智慧城市到美麗中國[J].中國住宅設(shè)施,2013(1):86-87

[2]劉主鏈,宋躍,何志輝,等.無線模塊與GSM實(shí)現(xiàn)的智能遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2011,19(9):2133-2135.

[3]陳致遠(yuǎn),朱葉承,周卓泉,等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,39(9):138-140.

[4]紀(jì)欣然.基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(15):161-163.

[5]BANZI M.Getting started with Arduino[M].California:O′REILLY,2009.

[6]林添成.基于GSM的遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)[J].裝備制造技術(shù),2010(5):75-76.