基于單片機WIFI的微信云端智能家居控制系統設計

西北民族大學 江憲長 馬惠蘭 黃冬林 曾薇霖 梁 超 楊愛春

基于單片機WIFI的微信云端智能家居控制系統設計

西北民族大學 江憲長 馬惠蘭 黃冬林 曾薇霖 梁 超 楊愛春

本設計基于Arduino控制板，結合傳感器模塊和數據處理模塊，實現了對家居的智能控制，讓生活更加舒適，安全。智能家居控制系統可以準確的對居住環境溫濕度和危險氣體泄露等安全問題做出及時判斷和自動報警。用戶可以通過APP軟件對溫濕度進行調節，熱水器預熱，通過紅外人體感應進行防盜監測，從而實現對家用電器的遠程操控。

Arduino；傳感器；ESP8266

智能家居的概念在很早之前就被提出了，但一直沒有系統性的研究和使用，隨著社會的不斷發展，人們高水平生活的需求使智能家居這一說法再次成為焦點。家庭的智能化、安全化、舒適化是人們追求的一種理想生活,那么作為家居智能化核心部分的智能家居控制系統顯得愈發重要，所以智能家居控制系統的開發和普及是未來社會發展的必然趨勢。我們選擇研究發展該項目，是為了解決以往智能家居控制的復雜性問題，在現有的基礎上結合無線控制對產品進行進一步升級。

1 系統的總體設計

設計的總體結構框圖如圖1所示，我們設計的方案中主要是利用Arduino控制板、WIFI通信、微信平臺、傳感器，并結合微信軟件快捷方便的特點解決了大面積占用手機內存，操作復雜的問題，利用各種類型的傳感器實現數據的采集，經單片機處理后，通過網絡通信將數據上傳到服務器，從而直接反饋到用戶的手機微信客戶端。使用者可通過語音或菜單的控制方式操控自家電器，實現家用電器的智能化。

圖1 系統設計結構圖

2 系統的組成

2.1 Arduino控制器

Arduino是一款便捷靈活的開源電子原型平臺，它不僅僅是最流行的開源硬件，更是硬件開發的趨勢。該控制器包括用來做電路連接的Arduino電路板硬件部分和用來編寫程序代碼的Arduino IDE軟件部分。Arduino可以通過連接各種各樣的傳感器來采集數據，通過控制裝置進行反饋、影響環境。除了自用的Arduino編程語言和開發環境外，也可以結合PC上的運行軟件實現通信。

該設計的主控制器采用Arduino mage 2560電路板，該型號電路板采用USB接口，具有多達54路的數字輸入和輸出端口,16路模擬輸入，4路UART接口，一個16MHz的晶體振蕩器。

圖2 數據上傳函數流程

如圖2函數流程所示，當Arduino控制板獲得了傳感器感應的數據后，通過WiFi模塊將數據上傳到服務器進行相關處理，接下來將分析后的數據信息反映到用戶手機APP上，進行功能選擇。

此外，Arduino mage 2560還提供了自動復位設計,可以通過主機復位，這樣可以實現該軟件下運行程序到Mage 2560中可以自動復位，而不需要復位按鈕。

2.2 ESP8266WiFi模塊

ESP8266是一個完整且自成體系的WIFI網絡解決方案，專門為移動設備和物聯網應用設計的，可以將用戶的物理設備連接到無線網絡上，進行互聯網或者局域網通信，實現聯網的功能。該模塊可廣泛應用于智能電網、智能交通、智能家居、手持設備、工業控制等領域。ESP8266模塊可以根據不同的需求設定為不同的運作模式，其中AP模式可以將ESP8266模塊作為熱點，實現手機、電腦與模塊的直接通信，繼而實現局域網無線控制。減少了影響智能家居控制的不利因素，真正地體現該設計應用于實際的便捷性。

2.3 傳感器模塊

2．3．1 空氣質量傳感器

為了更好的檢測室內氣體的成分，我們選擇更加靈敏的MQ-2可燃性氣體傳感器對一些危害性氣體進行監測控制。當傳感器感受到環境中存有危險氣體時，其電導率會隨著氣體的濃度增大而增大，從而將氣體濃度信號轉化為輸出模擬信號。而且，MQ-2型煙霧傳感器具有很高的靈敏度，會在危險發生的短時間內完成報警工作，具有廣泛的探測范圍，工作穩定性強，驅動電路簡單，很適合用于設計家庭智能控制系統。

2．3．2 熱釋紅外傳感器

實現智能家居控制的基礎部分就是將所有的物理開關用語音控制、體勢感應等方式代替，減少人為行動在物質發生過程中產生的干擾。紅外傳感器具有靈敏度高，可靠性強，超低壓的工作模式，全自動感應、光敏控制、微功耗等特點使紅外傳感器廣泛的應用于各種安防產品設計、工業自動控制系統中。

本設計中采用熱釋紅外傳感器進行防盜警報，當監測狀態打開，一旦有人體靠近傳感器便可感應到人體散發的熱量，報警系統會發出警報，用戶可進行遠程的及時處理。

2．3．3 濕度傳感器

在生活的環境中，濕度是最難控制和調節的一個參數，很容易受到外界因素的影響。基于智能家居控制這個目的，我們想要提供更加完美的生活環境和方式，而HS1100濕度傳感器可以幫助我們更快地實現這個目的。

HS1100傳感器是基于電容原理的一種新型的濕度傳感器，相對濕度的變化和電容數值呈線性規律,電容值會隨著空氣濕度的變化而變化，傳感器內部會將電容值轉化為電壓值，從而有效的收集處理信息，經過網絡通信將信息反映到用戶手機中，讓用戶及時的選擇合適的方法維持最舒適的生活環境。

2．3．4 雨滴傳感器

雨滴傳感器一般用于檢測是否下雨及雨量大小。在智能控制家居中，我們選擇將雨滴傳感器與窗戶結合形成智能窗戶。人們經常碰到這種情況：天空突然下雨，因來不及關掉窗戶，導致地板被雨水浸泡。若是將雨滴傳感器與窗戶結合，當雨滴傳感器檢測出雨滴，雨滴的沖擊力會轉換成電壓，該電壓會驅動發射電路，從而推動窗戶中安裝的小型電機滑輪，實現自動關窗開窗的目的，提供智能化的便利。

2．3．5 水位傳感器

一天的工作結束后，人們喜歡泡熱水澡來放松自己。為了全方面的實現智能化家居系統，我們可以將水位傳感器與洗浴池相結合。人們可以通過控制水龍頭進行放水，當洗浴池中的水位到達警戒高度時，會壓迫水位傳感器，傳感器會收集信號，發出警報，將信息傳遞到用戶控制端，以便提醒用戶及時控制水龍頭。即完成了放水工作，又保證沒有溢出。

2.4 GSM模塊

目前，市面上已經有多種型號的GSM模塊，但它們的性能和用法差別并不大。GSM模塊因其簡介的封裝常常被作為很多應用系統中高速傳播數據的介質，同時，它可以實現語音通話，短信收發，基站定點的功能。當GSM模塊中插入SIM卡后，物理設備和系統之間便能通過中文信息進行交流，系統將監測情況反映給用戶，用戶可以發送相關指令控制系統。該設計中，用戶通過語音控制系統，就是基于該模塊運行的。

3 系統的軟件設計

一個系統的軟件設計部分主要是在硬件完成的基礎上編譯相應的代碼解決傳感器模塊、控制模塊、信息處理之間的通信問題，所有的環境因素通過不同的傳感器將相應的數據反饋到Arduino控制板中，通過網絡通信和無線控制，實現家電設備和室內環境的自動運行和調節，GSM語音控制還能夠體現智能系統的實效性。通過軟件和硬件的結合，實現一個完整的智能控制系統。

4 總結

圖3 設計實物圖

文章中所敘述的基于單片機WIFI的微信云端智能家居控制系統的設計，以Arduino控制板為核心，采用濕溫感應模塊、煙霧感應模塊、紅外感應模塊和無線模塊等實現數據的采集和傳輸處理，能夠自動的檢測和控制家居環境狀況。在此基礎上，我們將控制端集合到一個統一的平臺，解決了系統復雜，難以操作的缺點，并通過建立通用家用電器數據庫及自動家電識別功能解決了智能控制通用性差的問題。經過多次測試，我們不斷完善設計程序，使系統的運行愈發穩定，進一步推動了智能化在家居控制設計方面的發展。

健康、便捷的生活方式越來越受到人們的關注，遠程操控讓忙碌的人們有時間設定一個舒適的家庭環境，對提高生活質量有著格外重要的意義。由此可見，智能化發展前景廣闊，爭取在現有的科研基礎上早日完成大規模的智能化家居控制。

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The design is based on the Arduino control board，combined with the sensor module and data processing module，to achieve the intelligent control of the home，so that life is more comfortable and safe.Intelligent home control system can accurately address the living environment temperature and humidity，dangerous gas leaks and other security issues to make timely judgments and automatic alarm.The user can through the APP software in order to adjust the temperature and humidity and water heater preheat，through the infrared body sensor for anti-theft monitoring，thus to achieve remote control of household appliances.

Arduino；Sensor；ESP8266

江憲長（1993—），男，廣西人，大學本科，現就讀于西北民族大學電氣工程及其自動化專業。

西北民族大學中央高校基本科研業務費資金資助項目（項目編號：Y17100）。

指導教師：馬惠蘭，女，西北民族大學副教授。