藺麗莉

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京 100015）

伴隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)智能化家居生活的需求越來(lái)越高。為滿足人們對(duì)高品質(zhì)生活的追求，智能化、舒適化的家居環(huán)境成為當(dāng)今人工智能研究的熱點(diǎn)。智能化家居環(huán)境控制系統(tǒng)首先能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并且還能夠根據(jù)業(yè)主對(duì)居住環(huán)境的個(gè)性化需求自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、濕度環(huán)境變量，最重要的是操作簡(jiǎn)單，可以滿足不同職業(yè)和年齡的用戶使用。

本研究設(shè)計(jì)出一種基于Arduino平臺(tái)的智能家居環(huán)境控制系統(tǒng)?；谝陨系目刂埔螅瑸楸ＷC居住環(huán)境的適宜度，其采用智能溫濕度控制系統(tǒng)來(lái)控制室內(nèi)溫濕度，適宜的溫度可保證室內(nèi)住戶的舒適度，足夠的濕度可保證人們身體的健康度。

一、系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)使用Arduino UNO開(kāi)發(fā)板作為主控板來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度兩個(gè)功能。因此，根據(jù)上述控制要求，本研究制定了如圖1所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。其系統(tǒng)大致可分為三個(gè)部分：輸入部分即數(shù)字溫濕度模塊、主控制部分即Arduino、輸入部分即驅(qū)動(dòng)部分和顯示部分。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為：首先，利用溫濕度傳感器檢測(cè)室內(nèi)的溫度與濕度值，將采集得到的信息輸入到主控制器上。主控制器一方面將溫濕度傳感器檢測(cè)信息發(fā)送到液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示輸出，另一方面進(jìn)行信號(hào)處理，即根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)計(jì)的溫濕度值完成數(shù)據(jù)對(duì)比。其次，當(dāng)用戶不滿足設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，其可以通過(guò)控制電路自動(dòng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置工作進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)降低室內(nèi)的溫度，利用加熱芯片加熱升高室內(nèi)的溫度，利用加濕器增加室內(nèi)的濕度，以達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度、濕度值，保持室內(nèi)環(huán)境的舒適度。[1]該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 基于Android的智能家居環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

二、系統(tǒng)硬件構(gòu)成及電路設(shè)計(jì)

（一）微處理器的選擇

微控制器是控制系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用Bluno主控板，Bluno是一款相當(dāng)于集成了藍(lán)牙4.0通信模塊的Arduino UNO開(kāi)發(fā)板。UNO是一塊基與開(kāi)放原始代碼的Simple i/o平臺(tái)。其具有使用類(lèi)似java，C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以快速使用Arduino語(yǔ)言與Flash或Processing等軟件做出互動(dòng)。Arduino可以使用開(kāi)發(fā)完成的電子元件，如Switch或Sensors或其他控制器、L ED、步進(jìn)電機(jī)或其他輸出裝置。Arduino也可以獨(dú)立運(yùn)作成為一個(gè)可以跟軟件溝通的平臺(tái)。例如，flash processing Max/MSP VVVV 或其他互動(dòng)軟件，Arduino開(kāi)發(fā)IDE界面基于開(kāi)放原始碼原則，可以讓人們免費(fèi)下載使用開(kāi)發(fā)出更多令人驚奇的互動(dòng)作品。該裝置同樣使用了更強(qiáng)大的ATmega16U2替代8U2，或者說(shuō)是之前版本的FTDI版。它允許更快地轉(zhuǎn)換速度和更大內(nèi)存，使得UNO R3版本在Linux或者M(jìn)ac下不需要安裝任何驅(qū)動(dòng)程序。Bluno主控板具有14 路數(shù)字輸入輸出，6 路模擬輸入，1 路UART接口，非常適合小型的輸入輸出接口控制的對(duì)象。相比基于無(wú)線智能家居等控制系統(tǒng)，其更適合居民家庭應(yīng)用。[2]

（二）智能溫濕度控制系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如下表1所示。

表1 智能溫濕度控制系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成

1. IO傳感器擴(kuò)展板 V7.1

該裝置增加連接元器件的擴(kuò)展板主要用于增加連接口數(shù)量，對(duì)需要連接多種傳感器/舵機(jī)/其他元器件的設(shè)備，使用時(shí)方便擴(kuò)展。其把Arduino的端口擴(kuò)展成3P接口，直插3P傳感器模塊，14個(gè)數(shù)字口（6個(gè)PWM口），6個(gè)模擬口。IO擴(kuò)展板的最大好處之一是大大擴(kuò)展了控制板上僅限的幾個(gè)電源接口和GND接口。如果連接多個(gè)傳感器時(shí)，就不用擔(dān)心會(huì)出現(xiàn)電源接口不夠的情況。引腳定義如下圖2所示。

圖2 引腳圖

2. DHT11 溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度傳感器，用于檢測(cè)周?chē)h(huán)境的溫度和濕度。其濕度測(cè)量范圍20%～95%，濕度誤差+5%～-5%；溫度測(cè)量范圍0°～50°誤差+2°～-5°；工作電壓在3.3～5V DC之間供電；信號(hào)傳輸形式是數(shù)字輸出。

3. DC可調(diào)穩(wěn)壓電源板（3A）

其使用時(shí)，擴(kuò)展板為該模塊供電，調(diào)節(jié)電位器，輸出電壓就可以在1.25～30V調(diào)整，為負(fù)載供電。另外，如果當(dāng)設(shè)備需要3～35V供電而手里沒(méi)有對(duì)應(yīng)的電源時(shí)，用這個(gè)模塊就可以方便地把電壓調(diào)整到所需電壓，為人們解決困擾。該系統(tǒng)工作電壓測(cè)試：做項(xiàng)目時(shí)可以使用本模塊調(diào)試出各種電壓，以便測(cè)試系統(tǒng)工作電壓的范圍。

圖3 設(shè)計(jì)圖

4. 5V帶光耦隔離繼電器模塊

該模塊帶有光耦隔離，觸發(fā)可靠、穩(wěn)定，并且配有電源和繼電器動(dòng)作指示燈。該燈吸合亮，斷開(kāi)不亮。當(dāng)信號(hào)輸入端有高電平信號(hào)時(shí)，公共端與常開(kāi)端會(huì)導(dǎo)通繼電器可以直接控制各種設(shè)備和負(fù)載。

5. 液晶顯示模塊選擇

本系統(tǒng)采用LCD1602液晶屏模塊。該液晶顯示模塊是專門(mén)用于顯示字母、數(shù)字元、符號(hào)等的點(diǎn)陣型顯示模塊。其采用了帶背光電源控制的RGB的背光燈，不僅可以設(shè)置是否連接背光電源，還可以使顯示屏顯示出藍(lán)、綠、灰三種顏色。液晶顯示模塊與微控制器通過(guò)I2C方式通信[3]，詳細(xì)電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

三、結(jié)束語(yǔ)

基于Arduino平臺(tái)的智能家居環(huán)境控制系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控家居環(huán)境溫度和濕度參數(shù)，而且能夠根據(jù)用戶需求自動(dòng)調(diào)控室內(nèi)的溫濕度，滿足了人們對(duì)智能家居的需求，有效改善室內(nèi)環(huán)境的舒適度。本設(shè)計(jì)特別是采用Arduino UNO開(kāi)發(fā)板作為主控板，使整個(gè)設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、溫濕度參數(shù)設(shè)置方便、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，更適合居民家庭應(yīng)用。其能夠較好地實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制，對(duì)其他智能家居設(shè)計(jì)具有一定的借鑒價(jià)值。