趙煒華，譚錦元，李沛敏，邱一峰，盧巨科

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西 崇左 532200）

0 引 言

伴隨物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的源起與計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活已離不開智能化帶來的便利。目前，家居智能化已成為當(dāng)今的主流發(fā)展趨勢[1]。智能家居控制系統(tǒng)的主要目的是優(yōu)化家庭居住環(huán)境，滿足人們對家居越來越高的要求。通過控制家具電器、住宅設(shè)施，利用無線通信、自動控制、單片機、傳感器等技術(shù)對與家居生活相關(guān)的設(shè)備、家電等進行檢測、傳輸、處理、控制，實現(xiàn)人們對住宅設(shè)施及家庭日常實物控制管理的綜合智能家居控制系統(tǒng)[2]。自新冠疫情爆發(fā)以來，智能家庭設(shè)備可有效幫助人們進行科學(xué)防疫。保持“嚴格篩選”的基礎(chǔ)防線尤為重要，以確保家庭人員降低潛在的感染風(fēng)險。

本文所描述的基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)設(shè)計，主要由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件系統(tǒng)包括Arduino控制模塊、傳感器、K210 Maix Bit、通用家電設(shè)備等，Arduino控制模塊作為該系統(tǒng)的核心，通過對家庭環(huán)境中各項相關(guān)參數(shù)進行檢測，完成對當(dāng)前家居環(huán)境狀態(tài)的綜合判斷，并據(jù)此做出預(yù)判處理。K210 Maix Bit與MAG8833紅外熱像儀傳感器組成的身份識別安防系統(tǒng)，可實現(xiàn)非接觸式溫度測量與身份識別功能。軟件系統(tǒng)部分為手機Android系統(tǒng)APP軟件，可通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)家庭實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及對家庭用電器的遠程控制。基于以上相關(guān)技術(shù)以及控制要求，實現(xiàn)監(jiān)控家庭環(huán)境，遠程控制家庭設(shè)備，對當(dāng)前家庭環(huán)境狀態(tài)進行綜合判斷并進行家庭設(shè)備聯(lián)動，以優(yōu)化家庭環(huán)境、家庭安防，提升居住舒適性。

1 基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)，分為硬件、軟件兩部分。系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。以Arduino UNO R3為核心模塊，利用Arduino多處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布處理，結(jié)合ESP8266 WiFi通信模塊、CH-SR501人體紅外感應(yīng)模塊、K210 Maix Bit人臉識別模塊、AMG8833紅外熱像儀模塊、LD3320語言識別模塊、雨滴感應(yīng)模塊、MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、光照電阻模塊組成了無接觸式溫度測量身份識別安防分系統(tǒng)、室內(nèi)溫濕度自動調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、室內(nèi)智能照明分系統(tǒng)、易燃氣體檢測防火分系統(tǒng)、智能晾衣桿分系統(tǒng)、移動控制終端APP等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

無接觸式體溫測量身份識別安防分系統(tǒng)由K210 Maix Bit人臉識別模塊和AMG8833紅外熱像儀模塊組成，通過控制芯片預(yù)存的人像面容ID、判斷條件、程序處理，實現(xiàn)了身份識別自動開門與無接觸式人體體溫測量，且可通過移動終端APP實時查看來客體溫是否異常。

室內(nèi)溫濕度自動調(diào)節(jié)分系統(tǒng)由DHT11溫濕度傳感模塊實時監(jiān)測室內(nèi)溫濕度值，當(dāng)室內(nèi)溫濕度值低于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值閾值時，自動開啟空調(diào)，提高室內(nèi)的溫濕度。當(dāng)室內(nèi)的溫濕度高于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)閾值時，自動進行通風(fēng)操作。系統(tǒng)還可以通過移動終端APP實時查看數(shù)據(jù)，遠程控制溫濕度，自動調(diào)節(jié)分系統(tǒng)。

室內(nèi)智能照明分系統(tǒng)由光照電阻模塊和CH-SR501人體紅外感應(yīng)模塊檢測室內(nèi)外光線的強度以及是否有人過往，當(dāng)感知到室內(nèi)光線較暗以及屋主經(jīng)過時，自動根據(jù)光線強度開啟室內(nèi)照明燈的亮度，為屋主提供合適的照明亮度，以達到智能控制以及節(jié)能的目的。系統(tǒng)還可以通過移動終端APP對照明系統(tǒng)進行遠程控制。

易燃氣體檢測防火分系統(tǒng)MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊實時檢測室內(nèi)的易燃氣體，當(dāng)燃燒產(chǎn)生的固體小顆粒超過設(shè)定的閾值時，滅火系統(tǒng)被觸發(fā)，通過覆蓋式噴水進行滅火，并提示屋主留意煤氣是否泄漏或者出現(xiàn)火災(zāi)等。

智能晾衣桿分系統(tǒng)由雨滴感應(yīng)模塊實時感知屋外天氣變化，自動驅(qū)動舵機回收或伸出晾衣桿。

2 基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

2.1 基于Arduino的數(shù)據(jù)采集

2.1.1 Arduino UNO R3控制器

Arduino 起源于意大利，是一款基于開放原始代碼的Simple I/O平臺。Arduino UNO R3控制器采用Atmel公司出品的ATmega328P-PU單片機作為微處理控制器。它由基于單片機并且開放源碼，具備簡單輸入接口的硬件平臺，以及一套專為Arduino編寫程序代碼的開發(fā)環(huán)境組成。

2.1.2 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是溫濕度復(fù)合傳感器，經(jīng)過嚴格校準(zhǔn)后將數(shù)字信號輸出傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，傳感器內(nèi)部包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件[3]，并與一個高性能8位單片機相連接。濕度測量范圍為20%RH～95%RH，誤差為+5%～-5%；溫度測量范圍為0～50 ℃，誤差為+2～-5 ℃；工作電壓范圍為3.3～5 V DC，供電具有功耗低、數(shù)字化精確輸出、抗干擾能力強、極高的可靠性與長期穩(wěn)定性等特點，因此被廣泛應(yīng)用于智能家庭系統(tǒng)。

2.1.3 MQ-2煙霧傳感器模塊

MQ-2煙霧傳感器模塊采用在清潔空氣中導(dǎo)電率較低的氣敏材料二氧化錫（SnO2）[4]。其工作原理是當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，經(jīng)過自身電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號[5]。MQ-2煙霧傳感器對丙烷、丁烷有較高的靈敏度，可檢測多種可燃氣體，具有可靠性高、響應(yīng)速度快等特點。

2.1.4 CH-SR501人體紅外感應(yīng)模塊

CH-SR501人體紅外感應(yīng)模塊是一塊采用LHI 778探頭，基于紅外線技術(shù)設(shè)計的自動控制模塊。工作原理：當(dāng)傳感器接收到人體紅外輻射之后，傳感器溫度升高，表面釋放一部分電荷，并將釋放的電荷經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出[6]。CHSR501人體紅外感應(yīng)模塊擁有不可重復(fù)觸發(fā)、可重復(fù)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，具有全自動感應(yīng)、超高靈敏度和可靠性高等特點。

2.2 基于ESP8266 的數(shù)據(jù)通信

ATK-ESP8266 是一款高性能UART-WiFi模塊，ATKESP8266模塊搭載了ATK-ESP-01模塊[7]。ATK-ESP8266 模塊采用串口（LVTTL）與 MCU（或其他串口設(shè)備）通信，在該模塊中自身包含可實現(xiàn)串口和WiFi轉(zhuǎn)換的TCP/IP協(xié)議棧[8]，可以實現(xiàn)WiFi和通信串口間的轉(zhuǎn)換。利用ATKESP8266模塊，僅需簡單的串口配置就能實現(xiàn)傳統(tǒng)串口設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)（WiFi）傳輸自身數(shù)據(jù)的目的。模塊支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP和WiFi以及STA+WiFi AP模式，從而快速構(gòu)建串口-WiFi數(shù)據(jù)傳輸方案，方便設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。智能控制系統(tǒng)涉及的傳感器較多，其軟件子系統(tǒng)流程也較為復(fù)雜。工作流程：當(dāng)載有多種傳感器模塊電路的Arduino控制板采集到環(huán)境變量參數(shù)后，通過ESP8266 WiFi模塊實時上傳。智能家庭系統(tǒng)根據(jù)用戶的實際需要，由系統(tǒng)主控制板進行實時信號處理，完成無線信號與串口信號之間的轉(zhuǎn)換。用戶在手機Android移動終端可以清晰了解當(dāng)前房屋信息。

2.3 基于K210 Maix Bit的無接觸式體溫測量與身份識別

2.3.1 K210 Maix Bit人臉識別模塊

Maix Bit開發(fā)板搭載了帶有獨立FPU的雙核處理器和RISC-V內(nèi)核的K210 AI芯片，擁有64位CPU位寬，8 MB片內(nèi)SRAM，400 MHz可調(diào)標(biāo)稱頻率，支持乘法、除法和平方根運算等。利用圖像處理技術(shù)運行人臉識別模塊，識別出人臉并且框出人臉的位置，將框出的人臉模型轉(zhuǎn)換成可接收的FPU格式，運行人臉5點關(guān)鍵點模型，獲取左眼、右眼、鼻子、左嘴角、右嘴角的位置，對原始人臉圖片進行仿射變換，變換為正臉圖像，將正臉圖像轉(zhuǎn)為FPU格式。使用人臉196維特征值模型計算正臉圖片的196維特征值，計算得到最終的人臉特征feature。然后將得到的人臉模型與儲存的人臉模型進行對比，得到一組對比分值，在對比分值中選擇其中最大的一個對比分值，如果該分值超過90分就可以判斷為是該人。

2.3.2 AMG8833紅外熱像儀模塊

AMG8833是基于高級MEMS技術(shù)的高精度紅外陣列傳感器，傳感器芯片經(jīng)過高增益放大與內(nèi)部熱敏電阻通過ADC轉(zhuǎn)換器存儲到ROM中[9]。每個像素觀看中央角度傳感器的光學(xué)中心間隙在±5.6°內(nèi)（水平和垂直方向）。通過128個Temperature寄存器一次性讀取64個像素點的溫度，存儲在自定義數(shù)組中，64個溫度值中有部分受環(huán)境影響而導(dǎo)致測溫不準(zhǔn)確。由于環(huán)境溫度低于人體溫度，所以在本次設(shè)計中采取設(shè)置閾值比較算法，取64個溫度值中最大溫度的10個溫度取平均代表人體體溫[10]。

3 基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

采用Android Studio開發(fā)工具進行遠程訪問智能家庭系統(tǒng)的手機客戶端APP開發(fā)，智能控制UI界面是本系統(tǒng)應(yīng)用程序與屋主直接進行信息交互的可視化界面，通過Java語言實現(xiàn)軟件開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信中極其重要的核心?，F(xiàn)如今的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有許多種，在局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的有3種網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議：MICROSOFT的NETBEUI、NOVELL的IPX/SPX和TCP/IP協(xié)議。項目中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TCP/IP協(xié)議。利用Arduino控制器和ATK-ESP8266 WiFi模塊，結(jié)合模擬智能家居設(shè)備，將實時采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，利用SQLite作為數(shù)據(jù)庫，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持。用戶點擊控制界面開關(guān)、查詢等控件后，后臺程序按照設(shè)定好的程序指令傳輸?shù)紸rduino控制器，再由Arduino控制器下發(fā)給系統(tǒng)的分系統(tǒng)，由此實現(xiàn)家庭室內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測以及對智能家居的控制。軟件系統(tǒng)流程如圖2所示。手機客戶端APP軟件與Arduino硬件板塊可通過搭建好的局域網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)端口相連，從而兩者可進行通信交互（發(fā)送信號與接收信號）；采用手機客戶端APP軟件發(fā)送指令給Arduino，再通過Arduino發(fā)送指令給手機客戶端APP軟件，使手機客戶端APP軟件可以對智能家居當(dāng)前環(huán)境下的檢測數(shù)值進行實時監(jiān)控。

圖2 軟件系統(tǒng)流程

4 結(jié) 語

本文主要提出了基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)集成智能家庭系統(tǒng)設(shè)計。通過對多種傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)感知和實時監(jiān)測家庭環(huán)境；同時，通過手機的移動終端實現(xiàn)對在線設(shè)備的實時控制。在系統(tǒng)開啟運行后，Arduino開發(fā)板將通過傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過ATK-SEP8266的數(shù)據(jù)通信模塊負責(zé)完成Arduino開發(fā)板和手機移動終端的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)在各個終端上的流動。結(jié)合K210 Maix Bit人臉識別系統(tǒng)，實現(xiàn)有體溫異常來客的篩選、未戴口罩的識別以及預(yù)警，降低人們的感染風(fēng)險。通過實現(xiàn)智能化、安全化、人性化的智能家庭系統(tǒng)，提高人們的生活質(zhì)量。