(華東理工大學 信息學院,上海 201204)
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)即物與物的互聯(lián),它采用計算機技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、RFID無線射頻識別技術(shù)等,以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),實現(xiàn)人與物、物與物的“交流”。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于智能家居安防監(jiān)測,其目的是將家庭中的電器和生活設施連接在一起,實現(xiàn)視頻監(jiān)控、智能防盜、智能照明、智能電器控制、智能門窗控制、智能影音系統(tǒng)控制等功能[1-4]。用戶可以通過計算機、平板電腦、智能手機等實現(xiàn)遠程實時控制家中的燈光、窗簾、電器等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用,將使人們的生活變得更加舒適、智能,為人們提供了更安全、更便捷的家居生活體驗[4-7]。
物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可以分為感知層、網(wǎng)絡層(傳輸層)、應用層[8-10]。感知層用于感知、采集物理世界的各類信息,并利用通信模塊實現(xiàn)物理實體和網(wǎng)絡的連接。本系統(tǒng)采用的Arduino UNO R3開發(fā)板上連接紅外傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯?,用來采集環(huán)境信息。除此之外,還連接蜂鳴器、風扇、燈等電器設備,用來模擬遠程控制。當傳感器采集的數(shù)據(jù)大于硬件程序中設定的閾值時,蜂鳴器響鈴報警,開發(fā)板將傳感器采集的數(shù)據(jù)信息以及電器設備的狀態(tài)信息通過軟串口(12、13)傳輸。網(wǎng)絡層用于完成信息的傳遞、路由和控制,是感知層和應用層之間的中介,負責接收感知層的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳送給應用層。應用層即為遠程終端,例如手機、平板電腦等。本設計采用Android手機作為遠程終端,以APP的形式實現(xiàn)遠程控制。應用層連接ESP8266 WiFi模塊提供的熱點,從中獲取感知層的數(shù)據(jù)信息。APP可以顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)信息,即當前溫度、煙霧濃度、是否檢測到火焰等。同時APP也可以實現(xiàn)對電器設備,如蜂鳴器、風扇、燈等的遠程控制,從而實現(xiàn)家居安全防護管理功能。
系統(tǒng)整體設計如圖1所示。系統(tǒng)由供電模塊、信號處理模塊、信號檢測電路、信號執(zhí)行裝置組成。供電模塊采用LM2596S DC-DC直流可調(diào)降壓穩(wěn)壓模塊,為方便家用,需先用整流器將交流轉(zhuǎn)直流,采用9 V直流電池為系統(tǒng)供電。信號處理模塊采用Arduino開發(fā)板作為主控,其核心是ATmega328芯片,用于信號接收、處理和輸出。信號檢測電路利用傳感器進行模擬數(shù)據(jù)采集,并送至主控電路處理。本系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、紅外火光傳感器、RFID射頻識別感應器、雨滴傳感器和紅外避障傳感器等采集外界數(shù)據(jù)信號,傳送給主控進行信號處理,并通過Arduino向執(zhí)行裝置(顯示屏、蜂鳴器、電風扇、電燈等)發(fā)送信息,實現(xiàn)顯示信息、自動調(diào)溫、火災報警、自動開關(guān)門等功能。本設計選用ESP8266芯片作為智能家居安防系統(tǒng)的WiFi模塊,實現(xiàn)軟件和硬件之間的通信。
圖1 系統(tǒng)整體設計
本系統(tǒng)實現(xiàn)了溫濕度檢測顯示及調(diào)溫、火災報警、門禁開關(guān)、終端APP控制和獲取信息的功能。系統(tǒng)實物如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)實物
溫濕度檢測電路的核心是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。其由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件構(gòu)成,可同時測量采集溫度數(shù)據(jù)和空氣濕度數(shù)據(jù),向處理器輸出數(shù)字信息。在通過傳感器采集數(shù)據(jù)后,經(jīng)過信號處理,將溫濕度信息顯示在顯示屏上。本系統(tǒng)還配備有自動降溫裝置,當溫度高于設定值時,自動開啟電風扇進行降溫,并隨溫度的高低調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速,系統(tǒng)能實時監(jiān)測室內(nèi)溫濕度并在溫度高于26 ℃時啟動電風扇降溫。當溫度高于26 ℃時,風扇為低風速;當溫度高于28 ℃時,風扇提速為中風速;當溫度高于30 ℃時為高風速,風扇滿功率運行降溫。溫濕度檢測及調(diào)溫模塊如圖3所示。
圖3 溫濕度檢測及調(diào)溫模塊
火焰煙霧檢測部分由遠紅外火焰?zhèn)鞲衅骱蚆Q-2氣體煙霧傳感器組成。遠紅外火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y到波長在700~1 000 nm范圍內(nèi)的紅外光,探測角度為60°,其中紅外光波長在880 nm附近時,其靈敏度最高。遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化,通過A/D轉(zhuǎn)換器反映為0~255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強,數(shù)值越?。患t外光越弱,數(shù)值越大。將數(shù)值傳送至Arduino即可根據(jù)設定值報警。本系統(tǒng)的報警裝置采用蜂鳴器模擬報警,蜂鳴器采用低電平觸發(fā)方式,通過程序可設置蜂鳴器鳴響時間和頻率,當檢測到火焰、煤氣泄漏或其他可燃氣體時,系統(tǒng)自動報警(蜂鳴器和報警燈)。遇到明火或可燃氣體時蜂鳴器鳴響、報警燈閃爍,以有效預警家中煤氣泄漏和危險火源,為家居生活帶來安全保障。
RFID射頻識別系統(tǒng)是一種非接觸式自動識別系統(tǒng),由電子標簽、讀寫器和計算機網(wǎng)絡構(gòu)成,它通過射頻無線信號自動識別目標對象,并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID射頻識別系統(tǒng)以電子標簽標識物體,門禁系統(tǒng)采用RFID讀寫器對電子標簽進行識別,若電子標簽與設定值匹配,則視為匹配成功,打開門鎖;若不能正確匹配,則門鎖狀態(tài)不變。紅外檢測自動開門功能利用紅外避障傳感器檢測有無人員到來,將數(shù)據(jù)上傳Arduino,控制門的開關(guān)。紅外避障傳感器主要由紅外發(fā)射器、紅外接收器和電位器組成。根據(jù)物體的反射特性,若無障礙物,發(fā)射的紅外線會隨著其傳播距離而減弱并消失;如果有障礙物,當遇到障礙物時,射線被反射并被紅外接收器接收,觸發(fā)信號改變。
通過無線WiFi、終端APP可以向Arduino發(fā)送指令,控制家用電器,如電燈、電視和電子門鎖等,也可以實時獲取當前天氣狀況,提醒用戶下雨收衣服等。
2.4.1 傳感器狀態(tài)界面
傳感器狀態(tài)界面及其核心代碼如圖4所示,可以看到顯示的溫度、煙霧濃度,以及是否有火或者有人,并且還可以在該界面控制蜂鳴器是否報警。
圖4 傳感器界面與代碼
2.4.2 設備控制界面
設備控制界面如圖5所示。該界面可以實現(xiàn)對電器設備的遠程控制,點擊開關(guān)按鈕后,APP向ESP8266寫入指令,Arduino從ESP8266中讀取指令,并根據(jù)指令完成相關(guān)操作。
圖5 設備控制界面
APP核心代碼如下:
本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計與實現(xiàn)了多功能智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng),其集家庭火災防范、室內(nèi)溫濕度檢測及調(diào)節(jié)、RFID門禁和無線控制等功能于一體,將為現(xiàn)代家居生活提供更為舒適、便捷、安全的體驗。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和5G時代的到來,結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù),將完全實現(xiàn)家居系統(tǒng)的智能化,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將更好地為現(xiàn)代家居生活提供更為舒適的體驗。