冀毅星，畢 波，唐錦萍

（1.東北石油大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2.黑龍江大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080）

隨著社會的進步，人們的生活質(zhì)量也不斷提高，越來越多的人開始追求更高檔的生活，智能家居作為現(xiàn)代智能化方向發(fā)展的重要組成部分，也逐漸在人們的生活環(huán)境產(chǎn)生更重要的影響。與普通住宅相比，智能家居不僅可以改善家庭生活環(huán)境，提高家庭生活的舒適性與便利性，還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控家中各種設(shè)備的狀態(tài)。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要應(yīng)用之一，在給人們生活帶來便利的同時也產(chǎn)生了功耗、成本以及安全性等問題。該文主要研究基于開源硬件的智能家居控制系統(tǒng)，以Arduino UNO開發(fā)板為核心，結(jié)合具體需求搭建各部分電路，通過開源硬件嵌入式系統(tǒng)對智能家居中設(shè)備進行控制，具有方便、智能、低成本等特點。提高了家居的智能化水平，使操作更加及時、便捷、高效。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

該項目設(shè)計的智能家居系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及安防系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)主要由Arduino 控制器、無線設(shè)備、紅外發(fā)生裝置以及傳感器等組成，其主要作用是將所有控制開關(guān)一體化，由傳感器紅外裝置感應(yīng)室內(nèi)情景變化，通過無線設(shè)備反饋到主控制器，主控制系統(tǒng)給出相應(yīng)的指令反饋給子系統(tǒng)，令其做出相應(yīng)的調(diào)整。

控制系統(tǒng)主要由esp8266WiFi 模塊、無線設(shè)備、Arduino控制器、傳感器、相應(yīng)的電機與控制電路組成，其主要作用是由esp8266WiFi 模塊進行聯(lián)網(wǎng)，通過傳感器檢測室內(nèi)開關(guān)各類家電狀態(tài)進行實時信息反饋，接收由控制系統(tǒng)發(fā)送的命令，最后把執(zhí)行結(jié)果返回。

安防及監(jiān)測系統(tǒng)主要由Arduino 控制器、無線設(shè)備、傳感器、監(jiān)控設(shè)備以及相應(yīng)的信號電路組成，其主要作用是檢測室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量等變化并給出相應(yīng)的指令，而且還能檢測室內(nèi)火情、水溢、有害氣體泄漏、非法人員闖入等安全問題并及時發(fā)出警報。

對于以上的各個子系統(tǒng)的功能，該文主要采用了以Arduino UNO為控制核心，基于ZigBee協(xié)議的XBee模塊為無線傳輸模塊[1-2]，并采用了基于WiFi的esp8266模塊作為遠程控制模塊，智能家居系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該文研究的基于Arduino 開發(fā)板的智能家居系統(tǒng)硬件部分主要包括主控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安防系統(tǒng)4 個子系統(tǒng)[3-4]。

圖1 智能家居系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)

2.1 照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)的主要功能在于將所有的控制開關(guān)一體化，不再讓人在想調(diào)整燈的狀態(tài)時需要走到燈的開關(guān)處，在需要進行調(diào)整時只需要在手機上進行開關(guān)操作即可，實現(xiàn)了照明設(shè)備的遠程控制。

照明系統(tǒng)中包含的硬件設(shè)備主要有Arduino UNO 開發(fā)板、繼電器、人體紅外線電子感應(yīng)器，超聲波傳感器等。系統(tǒng)具體的電路設(shè)計如圖2、3 所示。

圖2 獨立小燈的線路圖

圖2 設(shè)計的是照明系統(tǒng)在無人控制的狀態(tài)下根據(jù)家居內(nèi)部環(huán)境的變化按照設(shè)定的格式自動對照明設(shè)備做出調(diào)整。照明系統(tǒng)處于無人控制狀態(tài)時也可以進行人為控制且人為指令優(yōu)先于設(shè)定指令。

圖3 人控小燈線路圖

圖3 設(shè)計的是在有人狀態(tài)下照明系統(tǒng)通過一系列傳感器感應(yīng)人的活動狀況從而對照明設(shè)備狀態(tài)進行調(diào)整，此外人也可以通過手機端發(fā)出指令對照明設(shè)備狀態(tài)進行調(diào)整。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通過esp8266WiFi 模塊進行聯(lián)網(wǎng)。在同一局域網(wǎng)下，可以通過手機或電腦向esp8266 模塊發(fā)送指令，esp8266 接收到指令后，可以傳給Arduino控制板，進而對指令進行相應(yīng)的判斷，以此控制接入了Arduino控制器的家電。同時也可以通過各傳感器給Arduino 控制器的反饋來實現(xiàn)Arduino 控制家電。控制系統(tǒng)中主要用到的硬件設(shè)備有Arduino UNO 開發(fā)板、esp8266 開發(fā)板、步進電機、溫濕度傳感器以及電位器等。其中esp8266開發(fā)板是WiFi串口模塊，功能可簡要概括為：從WiFi 接收到數(shù)據(jù)，串口輸出；從串口接收數(shù)據(jù)，WiFi輸出數(shù)據(jù)。實物圖如圖4所示。

圖4 esp8266模塊

控制系統(tǒng)利用esp8266 模塊結(jié)合Arduino 開發(fā)板使家居中家電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通過手機APP 實現(xiàn)家電的遠程控制，該系統(tǒng)中主要實現(xiàn)的可控家電有智能窗簾、智能空調(diào)等[5-9]。其中智能窗簾主要是利用紅外遙控設(shè)備、步進電機、傳感器實現(xiàn)窗簾的定時開合以及遙控開合電路設(shè)計，如圖5 所示。

圖5 窗簾結(jié)構(gòu)及電路連接結(jié)構(gòu)圖

智能空調(diào)利用溫度傳感器感應(yīng)室內(nèi)溫度變化進行模式的自動切換以維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，并且可以進行遠程控制，電路設(shè)計如圖6 所示。

圖6 智能空調(diào)的連接結(jié)構(gòu)圖

2.3 安防監(jiān)控系統(tǒng)

安防監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)了火災(zāi)報警、室內(nèi)實時監(jiān)控等功能，其中火災(zāi)報警裝置主要是利用火焰報警器和蜂鳴器，組成火災(zāi)報警裝置，能夠在家里產(chǎn)生明火的時候迅速報警，提醒居住者處理火源[10-12]。電路設(shè)計如圖7所示。

圖7 火災(zāi)報警系統(tǒng)電路圖

實時監(jiān)控功能利用基于TTL 通信接口的攝像頭模塊通過定時拍照并上傳到連接在Arduino 控制板上的SD 卡上，人可以通過SD 卡實時觀看室內(nèi)攝 像[13-14]。電路設(shè)計如圖8 所示。

圖8 實時監(jiān)控系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，系統(tǒng)在開始運行后由遠程控制端向Arduino 發(fā)送數(shù)據(jù)，主控制端的Arduino 接收指令后進行處理通過XBee 向各個子系統(tǒng)發(fā)送指令，各個子系統(tǒng)通過XBee 終端接收控制信號處理后傳給Arduino UNO，從而使Arduino UNO 驅(qū)動電路使各個裝置按照指令運行，同時每個裝置也可將運行狀態(tài)實時反饋到遠程控制端。整個系統(tǒng)軟件流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 照明系統(tǒng)軟件設(shè)計

該部分程序主要實現(xiàn)通過紅外、超聲波、光敏等傳感器檢測室內(nèi)光線以及人員活動情況從而對室內(nèi)照明設(shè)備工作狀態(tài)進行調(diào)整，具體算法流程如圖10所示。

3.2 控制系統(tǒng)

1）智能窗簾

圖10 智能照明系統(tǒng)執(zhí)行流程圖

通過esp8266WiFi 模塊進行聯(lián)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)獲取當(dāng)?shù)貐^(qū)時間，進而反饋給Arduino 控制板。Arduino板判斷獲取的時間和設(shè)定的時間是否相等，如果相等，Arduino 板發(fā)送指令控制步進電機來進行開或關(guān)窗簾的操作。同時，將手機連入該IP 地址，進而可以通過向esp8266 板發(fā)送操作指令來控制步進電機轉(zhuǎn)的圈數(shù)以實現(xiàn)窗簾的開合程度。紅外和電位器作用機制是直接向Arduino 發(fā)送信息來控制窗簾。流程圖如圖11 所示。

2）智能空調(diào)

通過溫度傳感器模塊獲取環(huán)境溫度，通過環(huán)境的溫度與事先設(shè)定的溫度進行比較，來控制紅外發(fā)射模塊向空調(diào)發(fā)射信號，來控制空調(diào)的工作模式。通過esp8266WiFi 模塊進行聯(lián)網(wǎng)，手機連入該IP 地址，可以實現(xiàn)對空調(diào)的遠程控制，并且查看空調(diào)的工作狀態(tài)。流程圖如圖12 所示。

3.3 安防監(jiān)控系統(tǒng)

1）火災(zāi)報警

圖11 智能窗簾運行流程圖

圖12 智能空調(diào)運行流程圖

將火焰?zhèn)鞲衅髋cArduino 開發(fā)板模擬信號輸入接口連接，蜂鳴器與輸出信號接口連接，Arduino 通過串口讀取火焰?zhèn)鞲衅髂M值，有火焰靠近和無火焰時火焰?zhèn)鞲衅鞯哪M值分別為600 左右和50 左右，因此先存儲一個沒有火焰時模擬口的模擬值i。接著不斷循環(huán)讀取模擬口模擬值j，同存儲的值做差值k=j-i，差值k與500 做比較。差值k如果大于500，則判斷有火焰靠近，蜂鳴器發(fā)出聲音報警；如果差值小于500，則蜂鳴器不響。流程圖如圖13所示。

圖13 火焰報警器執(zhí)行流程圖

2）實時監(jiān)控

攝像頭與Arduino 連接，程序開始運行前首先檢測攝像頭、SD 卡是否正常工作，當(dāng)程序檢測到SD卡和攝像頭都已經(jīng)準(zhǔn)備就緒時，開始執(zhí)行拍照程序，該拍照程序每次拍照間隔10 ms。流程圖如圖14所示。

4 結(jié)束語

圖14 實時監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行流程圖

文中設(shè)計的智能家居系統(tǒng)主要是以開源硬件Arduino UNO 為核心結(jié)合基于ZigBee 協(xié)議的無線通信設(shè)備XBee 模塊、基于WiFi 技術(shù)的esp8266 模塊以及一系列相關(guān)的配件構(gòu)成的，該系統(tǒng)以Arduino 開發(fā)板以及XBee 模塊構(gòu)成了主控制系統(tǒng)，另外包括智能照明、智能控制和智能安防3 個子系統(tǒng)，實現(xiàn)了照明智能化、家電控制智能化、火災(zāi)報警以及實時監(jiān)控等功能[15-16]。此外，采用ZigBee 無線通信技術(shù)[17-19]實現(xiàn)了低功耗、低成本、安全性以及可靠性等目標(biāo)。