西北民族大學(xué) 江憲長 馬惠蘭 黃冬林 曾薇霖 梁 超 楊愛春

基于單片機(jī)WIFI的微信云端智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué) 江憲長 馬惠蘭 黃冬林 曾薇霖 梁 超 楊愛春

本設(shè)計(jì)基于Arduino控制板，結(jié)合傳感器模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)了對家居的智能控制，讓生活更加舒適，安全。智能家居控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的對居住環(huán)境溫濕度和危險氣體泄露等安全問題做出及時判斷和自動報警。用戶可以通過APP軟件對溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，熱水器預(yù)熱，通過紅外人體感應(yīng)進(jìn)行防盜監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)對家用電器的遠(yuǎn)程操控。

Arduino；傳感器；ESP8266

智能家居的概念在很早之前就被提出了，但一直沒有系統(tǒng)性的研究和使用，隨著社會的不斷發(fā)展，人們高水平生活的需求使智能家居這一說法再次成為焦點(diǎn)。家庭的智能化、安全化、舒適化是人們追求的一種理想生活,那么作為家居智能化核心部分的智能家居控制系統(tǒng)顯得愈發(fā)重要，所以智能家居控制系統(tǒng)的開發(fā)和普及是未來社會發(fā)展的必然趨勢。我們選擇研究發(fā)展該項(xiàng)目，是為了解決以往智能家居控制的復(fù)雜性問題，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上結(jié)合無線控制對產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步升級。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，我們設(shè)計(jì)的方案中主要是利用Arduino控制板、WIFI通信、微信平臺、傳感器，并結(jié)合微信軟件快捷方便的特點(diǎn)解決了大面積占用手機(jī)內(nèi)存，操作復(fù)雜的問題，利用各種類型的傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)單片機(jī)處理后，通過網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，從而直接反饋到用戶的手機(jī)微信客戶端。使用者可通過語音或菜單的控制方式操控自家電器，實(shí)現(xiàn)家用電器的智能化。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的組成

2.1 Arduino控制器

Arduino是一款便捷靈活的開源電子原型平臺，它不僅僅是最流行的開源硬件，更是硬件開發(fā)的趨勢。該控制器包括用來做電路連接的Arduino電路板硬件部分和用來編寫程序代碼的Arduino IDE軟件部分。Arduino可以通過連接各種各樣的傳感器來采集數(shù)據(jù)，通過控制裝置進(jìn)行反饋、影響環(huán)境。除了自用的Arduino編程語言和開發(fā)環(huán)境外，也可以結(jié)合PC上的運(yùn)行軟件實(shí)現(xiàn)通信。

該設(shè)計(jì)的主控制器采用Arduino mage 2560電路板，該型號電路板采用USB接口，具有多達(dá)54路的數(shù)字輸入和輸出端口,16路模擬輸入，4路UART接口，一個16MHz的晶體振蕩器。

圖2 數(shù)據(jù)上傳函數(shù)流程

如圖2函數(shù)流程所示，當(dāng)Arduino控制板獲得了傳感器感應(yīng)的數(shù)據(jù)后，通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)處理，接下來將分析后的數(shù)據(jù)信息反映到用戶手機(jī)APP上，進(jìn)行功能選擇。

此外，Arduino mage 2560還提供了自動復(fù)位設(shè)計(jì),可以通過主機(jī)復(fù)位，這樣可以實(shí)現(xiàn)該軟件下運(yùn)行程序到Mage 2560中可以自動復(fù)位，而不需要復(fù)位按鈕。

2.2 ESP8266WiFi模塊

ESP8266是一個完整且自成體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，專門為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可以將用戶的物理設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的功能。該模塊可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、手持設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。ESP8266模塊可以根據(jù)不同的需求設(shè)定為不同的運(yùn)作模式，其中AP模式可以將ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)、電腦與模塊的直接通信，繼而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。減少了影響智能家居控制的不利因素，真正地體現(xiàn)該設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際的便捷性。

2.3 傳感器模塊

2．3．1 空氣質(zhì)量傳感器

為了更好的檢測室內(nèi)氣體的成分，我們選擇更加靈敏的MQ-2可燃性氣體傳感器對一些危害性氣體進(jìn)行監(jiān)測控制。當(dāng)傳感器感受到環(huán)境中存有危險氣體時，其電導(dǎo)率會隨著氣體的濃度增大而增大，從而將氣體濃度信號轉(zhuǎn)化為輸出模擬信號。而且，MQ-2型煙霧傳感器具有很高的靈敏度，會在危險發(fā)生的短時間內(nèi)完成報警工作，具有廣泛的探測范圍，工作穩(wěn)定性強(qiáng)，驅(qū)動電路簡單，很適合用于設(shè)計(jì)家庭智能控制系統(tǒng)。

2．3．2 熱釋紅外傳感器

實(shí)現(xiàn)智能家居控制的基礎(chǔ)部分就是將所有的物理開關(guān)用語音控制、體勢感應(yīng)等方式代替，減少人為行動在物質(zhì)發(fā)生過程中產(chǎn)生的干擾。紅外傳感器具有靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低壓的工作模式，全自動感應(yīng)、光敏控制、微功耗等特點(diǎn)使紅外傳感器廣泛的應(yīng)用于各種安防產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)中。

本設(shè)計(jì)中采用熱釋紅外傳感器進(jìn)行防盜警報，當(dāng)監(jiān)測狀態(tài)打開，一旦有人體靠近傳感器便可感應(yīng)到人體散發(fā)的熱量，報警系統(tǒng)會發(fā)出警報，用戶可進(jìn)行遠(yuǎn)程的及時處理。

2．3．3 濕度傳感器

在生活的環(huán)境中，濕度是最難控制和調(diào)節(jié)的一個參數(shù)，很容易受到外界因素的影響?；谥悄芗揖涌刂七@個目的，我們想要提供更加完美的生活環(huán)境和方式，而HS1100濕度傳感器可以幫助我們更快地實(shí)現(xiàn)這個目的。

HS1100傳感器是基于電容原理的一種新型的濕度傳感器，相對濕度的變化和電容數(shù)值呈線性規(guī)律,電容值會隨著空氣濕度的變化而變化，傳感器內(nèi)部會將電容值轉(zhuǎn)化為電壓值，從而有效的收集處理信息，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信將信息反映到用戶手機(jī)中，讓用戶及時的選擇合適的方法維持最舒適的生活環(huán)境。

2．3．4 雨滴傳感器

雨滴傳感器一般用于檢測是否下雨及雨量大小。在智能控制家居中，我們選擇將雨滴傳感器與窗戶結(jié)合形成智能窗戶。人們經(jīng)常碰到這種情況：天空突然下雨，因來不及關(guān)掉窗戶，導(dǎo)致地板被雨水浸泡。若是將雨滴傳感器與窗戶結(jié)合，當(dāng)雨滴傳感器檢測出雨滴，雨滴的沖擊力會轉(zhuǎn)換成電壓，該電壓會驅(qū)動發(fā)射電路，從而推動窗戶中安裝的小型電機(jī)滑輪，實(shí)現(xiàn)自動關(guān)窗開窗的目的，提供智能化的便利。

2．3．5 水位傳感器

一天的工作結(jié)束后，人們喜歡泡熱水澡來放松自己。為了全方面的實(shí)現(xiàn)智能化家居系統(tǒng)，我們可以將水位傳感器與洗浴池相結(jié)合。人們可以通過控制水龍頭進(jìn)行放水，當(dāng)洗浴池中的水位到達(dá)警戒高度時，會壓迫水位傳感器，傳感器會收集信號，發(fā)出警報，將信息傳遞到用戶控制端，以便提醒用戶及時控制水龍頭。即完成了放水工作，又保證沒有溢出。

2.4 GSM模塊

目前，市面上已經(jīng)有多種型號的GSM模塊，但它們的性能和用法差別并不大。GSM模塊因其簡介的封裝常常被作為很多應(yīng)用系統(tǒng)中高速傳播數(shù)據(jù)的介質(zhì)，同時，它可以實(shí)現(xiàn)語音通話，短信收發(fā)，基站定點(diǎn)的功能。當(dāng)GSM模塊中插入SIM卡后，物理設(shè)備和系統(tǒng)之間便能通過中文信息進(jìn)行交流，系統(tǒng)將監(jiān)測情況反映給用戶，用戶可以發(fā)送相關(guān)指令控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)中，用戶通過語音控制系統(tǒng)，就是基于該模塊運(yùn)行的。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

一個系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要是在硬件完成的基礎(chǔ)上編譯相應(yīng)的代碼解決傳感器模塊、控制模塊、信息處理之間的通信問題，所有的環(huán)境因素通過不同的傳感器將相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋到Arduino控制板中，通過網(wǎng)絡(luò)通信和無線控制，實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備和室內(nèi)環(huán)境的自動運(yùn)行和調(diào)節(jié)，GSM語音控制還能夠體現(xiàn)智能系統(tǒng)的實(shí)效性。通過軟件和硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一個完整的智能控制系統(tǒng)。

4 總結(jié)

圖3 設(shè)計(jì)實(shí)物圖

文章中所敘述的基于單片機(jī)WIFI的微信云端智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以Arduino控制板為核心，采用濕溫感應(yīng)模塊、煙霧感應(yīng)模塊、紅外感應(yīng)模塊和無線模塊等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸處理，能夠自動的檢測和控制家居環(huán)境狀況。在此基礎(chǔ)上，我們將控制端集合到一個統(tǒng)一的平臺，解決了系統(tǒng)復(fù)雜，難以操作的缺點(diǎn)，并通過建立通用家用電器數(shù)據(jù)庫及自動家電識別功能解決了智能控制通用性差的問題。經(jīng)過多次測試，我們不斷完善設(shè)計(jì)程序，使系統(tǒng)的運(yùn)行愈發(fā)穩(wěn)定，進(jìn)一步推動了智能化在家居控制設(shè)計(jì)方面的發(fā)展。

健康、便捷的生活方式越來越受到人們的關(guān)注，遠(yuǎn)程操控讓忙碌的人們有時間設(shè)定一個舒適的家庭環(huán)境，對提高生活質(zhì)量有著格外重要的意義。由此可見，智能化發(fā)展前景廣闊，爭取在現(xiàn)有的科研基礎(chǔ)上早日完成大規(guī)模的智能化家居控制。

[1]李志宇．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究進(jìn)展[J]．計(jì)算機(jī)測量與控制,2012(6)．

[2]郭占龍．基于單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息,2007(5)．

[3]崔陽,張維華,白云峰．一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用,2014(4)．

[4]韋波．智能家居相關(guān)技術(shù)及比較[J]．中國公共安全,2007．

[5]馬學(xué)文,劉強(qiáng)．基于GSM家庭防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]．東北大學(xué),2009．

[6]王為學(xué),谷剛．基于Android和WiFi的智能點(diǎn)菜終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電腦開發(fā)與應(yīng)用,2011(12)．

The design is based on the Arduino control board，combined with the sensor module and data processing module，to achieve the intelligent control of the home，so that life is more comfortable and safe.Intelligent home control system can accurately address the living environment temperature and humidity，dangerous gas leaks and other security issues to make timely judgments and automatic alarm.The user can through the APP software in order to adjust the temperature and humidity and water heater preheat，through the infrared body sensor for anti-theft monitoring，thus to achieve remote control of household appliances.

Arduino；Sensor；ESP8266

江憲長（1993—），男，廣西人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)。

西北民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：Y17100）。

指導(dǎo)教師：馬惠蘭，女，西北民族大學(xué)副教授。