戴宇軒

摘要：計算機信息技術(shù)日新月異，人民對美好生活的向往日益增長。智能家居系統(tǒng)快速發(fā)展，成為引領(lǐng)家居生活的新風尚。隨著開源硬件平臺的發(fā)展，以其作為主控系統(tǒng)，構(gòu)建智能家居遠程控制系統(tǒng)成為可能?；贜odeMCU和Arduino開發(fā)板，運用Arduino IDE開發(fā)軟件，通過溫度傳感器采集水溫數(shù)據(jù)，以智能手機作為移動控制終端，對電熱水器實施遠程溫控。系統(tǒng)的順利構(gòu)建，為電子愛好者設(shè)計個性化的智能家居系統(tǒng)提供了一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：智能家居；NodeMCU；Arduino；Blynk；遠程控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）09-0176-02

Abstract： The computer information technology is changing with each passing day， and the people's yearning for a better life is growing day by day. The rapid development of smart home system has become a new style for leading home life. With the development of open source hardware platform， it is convenient and possible to build a remote control system for smart home automation with a main control system. Based on NodeMCU and Arduino development board， the Arduino IDE development software is used to collect water temperature data through temperature sensor. Then， a smart phone as mobile control terminal is adopted to implement remote temperature control for electric water heater. The construction of this system can provide some suggestions or guidance for the design of personalized intelligent home system for the electronic enthusiasts.

Key words： Smart home automation； NodeMCU； Arduino； Blynk； Remote control

智能家居（Smart Home）是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性和舒適性。智能家居概念的起源很早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國聯(lián)合科技公司將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州哈特佛市的CityPlaceBuilding時，才出現(xiàn)了首棟的“智能型建筑”，從此揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕[1]。

智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備連接到一起，實現(xiàn)家電控制、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測等多種功能。其核心在于在控制端將用戶需求轉(zhuǎn)換成計算機語言，計算機語言又通過一定的網(wǎng)絡(luò)通訊方式傳輸?shù)皆O(shè)備受控端，受控端再根據(jù)所接收到的計算機語言，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制指令，控制家居設(shè)備。

進入新時代，隨著計算機信息技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，同時與人民日益增長的美好生活需要相適應(yīng)，智能家居系統(tǒng)步入發(fā)展的快車道，成為引領(lǐng)家居生活的新風尚。2003 年以來，海信、清華同方等公司也相繼加入到智能家居的研究行列。2014年以來，海爾、小米、阿里巴巴等企業(yè)相繼推出了商業(yè)化的智能家電產(chǎn)品，比如，智能空調(diào)、智能冰箱、智能洗衣機、天貓精靈等。但目前的智能家居系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一明確的國際標準，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)品是針對特定的組網(wǎng)環(huán)境開發(fā)的，部分核心技術(shù)沒有對外公布，技術(shù)復(fù)雜，直接導(dǎo)致了使用范圍的局限性。由于缺乏對應(yīng)的第三方產(chǎn)品，各個接入設(shè)備之間不能兼容，互操作性差，不利于產(chǎn)品的擴充[2]。目前智能家居系統(tǒng)的控制方案與實現(xiàn)的功能都很多，但一般都過于復(fù)雜和閉源，電子愛好者們難以對其進行擴展和創(chuàng)新。隨著開源平臺、開源共享庫GitHub以及多種傳感器模塊的出現(xiàn)，電子愛好者完全可以通過開源硬件搭建個性化的智能家居系統(tǒng)[3]。

智能手機是指像個人電腦一樣，具有獨立的操作系統(tǒng)，獨立的運行空間，可以由用戶自行安裝第三方服務(wù)商提供的程序，并可以通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入手機類型的總稱[4]。智能手機的拓展性深得用戶青睞，開發(fā)者可以通過設(shè)計各種應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)智能手機的智能化與個性化。智能手機的逐漸普及，促進了移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)走向即時類型后，人人能夠隨時隨地接入在線，智能手機成為大眾生活必備品。智能手機的飛速發(fā)展，使之作為智能家居系統(tǒng)的控制終端成為可能。用戶只需加裝一個APP，就可以輕松自如的實現(xiàn)家居控制，操作界面友好，簡單易用實用。在實踐中，手機與接收命令的單片機控制端可以采用不同的方式進行通信，例如WIFI、藍牙或紅外等。

本文主要介紹一個基于NodeMCU和Arduino的電熱水器智能遠程溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于開源的NodeMCU和Arduino開發(fā)板，運用Arduino IDE開發(fā)軟件，通過溫度傳感器采集水溫數(shù)據(jù)，利用藍牙、互聯(lián)網(wǎng)等傳輸和管理數(shù)據(jù)，以智能手機作為控制終端，對電熱水器實施遠程溫控。

1系統(tǒng)功能

本溫控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對“帶電加熱模塊的電熱水器”加熱電源的開關(guān)控制。通過系統(tǒng)綜合運行，主要實現(xiàn)3項功能：

1）利用智能手機終端，遠程實時查看家中電熱水器水溫。

2）利用智能手機終端，直接遠程開啟或關(guān)閉熱水器電源。

3）利用智能手機終端，遠程設(shè)定電熱水器目標溫度。當熱水器實際水溫低于目標溫度，自動開啟電源加熱；當熱水器實際水溫達到或高于目標溫度，自動關(guān)閉電源。

2系統(tǒng)架構(gòu)

為實現(xiàn)上述系統(tǒng)功能，本文搭建的電熱水器智能遠程溫控系統(tǒng)的總體架構(gòu)（如圖1所示），電器端主要由水溫采集處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、系統(tǒng)受控模塊三部分構(gòu)成。遠程端由智能手機充當控制模塊。

3水溫采集處理模塊

水溫采集處理流程如圖2所示。該模塊硬件包括水溫傳感器和ArduinoNano開發(fā)板。水溫傳感器實質(zhì)是熱敏電阻，負責采集水箱內(nèi)的水溫。ArduinoNano開發(fā)板是溫度處理的核心。本文主要用到了其模擬輸入、計算和串口通信功能。利用電阻分壓原理，將傳感器測得的電壓連接至ArduinoNano開發(fā)板的模擬引腳，以獲取電壓的數(shù)值；電壓值經(jīng)過開發(fā)板內(nèi)程序換算后，得到轉(zhuǎn)換后的攝氏度水溫數(shù)據(jù)。

溫度采集處理模塊的軟件部分，由Arduino IDE程序設(shè)計，寫入開發(fā)板，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的讀取和處理。

4數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊包括本地數(shù)據(jù)傳輸和遠程數(shù)據(jù)傳輸兩部分。本地數(shù)據(jù)傳輸是指將溫度數(shù)據(jù)從水溫采集處理模塊傳輸至系統(tǒng)受控模塊，由藍牙主機HC-05和藍牙從機HC-06構(gòu)成，通過藍牙一收一發(fā)實現(xiàn)。主、從藍牙經(jīng)過設(shè)置、配對后，藍牙模塊可直接與開發(fā)板的串口連接，實現(xiàn)方便的模塊間傳輸數(shù)據(jù)。采用藍牙傳輸數(shù)據(jù)，是考慮到熱水器水溫傳感器的連接處會與熱水器電源有一定距離，減去了布線的麻煩。遠程數(shù)據(jù)傳輸是指將溫度數(shù)據(jù)由系統(tǒng)受控模塊傳輸至遠程云服務(wù)器。由作為系統(tǒng)受控模塊核心的NodeMCU自帶的Wi-Fi功能模塊承擔。

5系統(tǒng)受控模塊

系統(tǒng)受控模塊的硬件由NodeMCU開發(fā)板和電源控制電路構(gòu)成。NodeMCU使用串口通信功能，從本地數(shù)據(jù)傳輸模塊接收水溫數(shù)據(jù)，自身的Wi-Fi模塊將水溫數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至Blynk云服務(wù)器，并從Blynk云服務(wù)器接收控制指令。具體原理是通過預(yù)先設(shè)定目標水溫，通過比較目標水溫和實際水溫，決定是否需要燒水，或直接決定是否開關(guān)電源，進而發(fā)出控制指令，按照指令，NodeMCU開發(fā)板通過數(shù)字引腳控制繼電器的吸合，進而控制熱水器電源的開關(guān)，實現(xiàn)自動/手動溫度控制。（如圖3所示）

智能手機可以通過預(yù)先安裝Blynk應(yīng)用訪問Blynk云服務(wù)器，進而控制熱水器電加熱的電源和溫度設(shè)定，以實現(xiàn)熱水器的遠程溫控。

6 Blynk云服務(wù)器和Blynk手機應(yīng)用

選擇使用Blynk云服務(wù)器，主要是考慮到該云服務(wù)器有專業(yè)維護，且提供免費服務(wù)。Blynk是一種能夠通過互聯(lián)網(wǎng)來遠程監(jiān)測、控制的物聯(lián)網(wǎng)框架。

本系統(tǒng)的遠程控制終端直接采用了基于智能手機的Blynk APP應(yīng)用。Blynk APP是一款適合小型開發(fā)板的實用組合配套工具。可以使用Blynk創(chuàng)建精美的界面和掛件來控制微型計算機。在智能手機的Blynk APP應(yīng)用界面上，創(chuàng)建“熱水器控制”模塊（如圖4所示）。該模塊能實時顯示遠程熱水器的水溫；能預(yù)設(shè)熱水器加熱目標溫度；能創(chuàng)建熱水器電源“虛擬開關(guān)”。通過安裝在智能手機上的Blynk應(yīng)用程序，可隨時隨地查看傳感器數(shù)據(jù)，并控制遠程開關(guān)。

7結(jié)束語

本文采用開源NodeMCU開發(fā)板、Arduino開發(fā)板、智能手機終端和Blynk APP應(yīng)用，構(gòu)建小型電熱水器遠程溫控系統(tǒng)，獲得了較好的實際效果。將此設(shè)計應(yīng)用于自家的“帶電加熱模塊的太陽能熱水器”，方便日常生活使用，操作簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、運行可靠、成本低廉。本設(shè)計的順利實現(xiàn)，為電子愛好者構(gòu)建個性化的遠程智能控制平臺提供了一定的參考價值。

因為NodeMCU、Arduino系統(tǒng)開源，使得系統(tǒng)構(gòu)建簡單快捷；兩種開發(fā)板性價比高、易于取得，使得系統(tǒng)經(jīng)濟、靈活、實用；移動互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸高速高效，使得系統(tǒng)穩(wěn)定、有效；Blynk界面友好，使得系統(tǒng)操作簡便?？傊到y(tǒng)具有良好的經(jīng)濟性、擴展性、穩(wěn)定性和普及性，應(yīng)用前景廣泛。展望未來，對待不同的家居電器設(shè)備的開關(guān)、同一電器多模式的開關(guān)、多場景的應(yīng)用、多變量的采集傳輸?shù)绕渌^為復(fù)雜的功能實現(xiàn)，還需要在以后的學習生活中進一步的研究和實踐。

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