文/劉越揚 徐云龍 胥薇 周源源

基于Arduino的智能集成控制終端的實現(xiàn)

文/劉越揚 徐云龍 胥薇 周源源

本文主要介紹了一種基于Arduino UNO平臺的集成控制終端，本終端主要包括無線模塊、紅外/串口遙控模塊、環(huán)境感知模塊。通過換用不同精度、不同種類的傳感器，實現(xiàn)不同場景下的環(huán)境監(jiān)測，電氣設(shè)備調(diào)整的功能。該設(shè)計作為低成本的物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備，具有較大的發(fā)展空間。

Arduino單片機 智能控制

Arduino是一款開源AVR平臺。采用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境，能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境狀況，也可以控制LED、電機等裝置。本文提出一種基于Arduino的智能集成控制終端的設(shè)計方案，具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集，分析，無人值守運行的功能。

1 方案綜述

1.1 終端部分

由Arduino UNO r3主板，配合DHT11溫濕度傳感器，SW-420常閉型震動傳感器，HC-SR501熱釋電紅外傳感器，光敏電阻，38KH紅外發(fā)射管組成，集成HC-06藍(lán)牙模塊。

1.2 數(shù)據(jù)讀取端部分

手持終端部分采用JAVA編寫，可以實時讀取回傳數(shù)據(jù)，串口上傳指令；PC端采用Python編寫。終端根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的條件或者用戶從串口上傳的數(shù)據(jù)，調(diào)用相關(guān)傳感器，或通過紅外發(fā)送相關(guān)指令。如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)設(shè)計

2 硬件部分

2.1 Arduino控制板

本設(shè)計采用Arduino UNO最新的r3版本，采用ATmega328核心，具有14路數(shù)字輸入/輸出，6路模擬輸入能力。封裝32 KB Flash Memory ，工作時鐘 16 MHz。

2.2 溫濕度模塊

本設(shè)計采用的DHT11溫濕度傳感器是一款已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其中包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能的單片機相連接。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTF內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。因此該傳感器具有響應(yīng)快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。

2.3 人體紅外模塊

本設(shè)計采用HC SR501熱釋電紅外線自動控制模塊，采用LHI778探頭設(shè)計，具有靈敏度高、可靠性強的特點和超低電壓工作模式。當(dāng)有人進入其感應(yīng)范圍時輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時，關(guān)閉高電平，輸出低電平。本文采用可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?感應(yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點)。

2.4 震動傳感器

本設(shè)計采用SW-420震動傳感器，該傳感器采用單滾軸型全方位感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，在靜止時處于常通狀況，當(dāng)有振動或傾斜時,開關(guān)內(nèi)導(dǎo)電的滾軸會產(chǎn)生移動或振動，從而導(dǎo)致通過的電流斷開或電阻阻值的升高而觸發(fā)電路。通過IC的設(shè)置，可按自身產(chǎn)品的靈敏度要求作調(diào)整。

3 軟件部分

軟件邏輯如圖2所示。

圖2：軟件設(shè)計

3.1 串口數(shù)據(jù)傳輸

●蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院第十九批大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科研基金項目 KY20171051B。

3.2 紅外控制

針對支持紅外遙控的受控設(shè)備，本設(shè)計利用Arduino IRremote庫來解碼遙控器發(fā)出的紅外指令，并保存在Arduino的Flash中，在需要時調(diào)用。同時，該庫也支持將原始的二進制信號編碼轉(zhuǎn)換成38KHz的脈沖信號，驅(qū)動紅外LED發(fā)送相應(yīng)的指令。

目前市面上的設(shè)備大多采用NEC紅外協(xié)議，本設(shè)計以NEC紅外協(xié)議為例。NEC編碼一幀含有引導(dǎo)碼(9ms高電平4.5ms低電平)、地址碼(16bits)及數(shù)據(jù)碼(16bits)3部分。

邏輯1與邏輯0的表示如圖3所示。

圖3：NEC 0,1邏輯

紅外編、解碼軟件邏輯如圖4所示。

圖4：紅外軟件設(shè)計

3.3 開關(guān)型傳感器（人體紅外模塊/震動傳感器）

3.4 多線程操作

Arduino自身不具備多線程功能，這里調(diào)用Scoop庫文件。Scoop通過合理安排中斷的響應(yīng)和服務(wù)方式來對多個任務(wù)的實時線程進行處理；以循環(huán)方式掃描各個任務(wù)的線程標(biāo)識，滿足條件的線程被激活運行。

4 實驗結(jié)果

按本方案設(shè)計的集成控制終端能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙控制和數(shù)據(jù)回傳，并能夠通過發(fā)送相應(yīng)的紅外編碼控制設(shè)備的啟停。

手機端/電腦端如圖5所示。

圖5：手機端/電腦端

但本方案也存在以下一些問題：

（1）紅外信號可能會受到外界光線的干擾；

（2）軟件的功能較為單一；

（3）藍(lán)牙的傳輸距離較短。

（通訊作者：徐云龍）

[1]王勝.基于Android平臺家庭智能系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué),2013.

[2]賈瑞.基于Arduino Mega2560的無線監(jiān)控小車設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013．

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[4]聶詩良,李磊民.采用單片機發(fā)送并接收紅外遙控信號的方法[J].信息技術(shù),2004.

[5]倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010.

[6]李濤.基于Android的智能家居APP的設(shè)計與實現(xiàn)[D].蘇州大學(xué),2014.

[7]張西波.基于Python實現(xiàn)設(shè)備控制臺的集中控制和管理[J].計算技術(shù)與自動化,2016.

作者單位蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 江蘇省蘇州市215006

徐云龍（1964-），男，副教授。主要研究方向為操作系統(tǒng)，機器學(xué)習(xí)，大數(shù)據(jù)。