智能家居環境檢測系統

王翔 鄧士岳 張如浩 盧雨 周文杰

【摘 要】由大數據分析得出，現階段國內家庭天然氣事故依舊屬于高發狀態，家庭安全、健康隱患不容忽視，對比國內外研究現狀，中國在家庭安全防護方面所采取的防護措施要遠弱于國外家庭。為此，我們設計出了基于Arduino的一個智能家居檢測設備，其可以實現實時檢測家中PM2.5、甲醛、燃氣的濃度，以及溫濕度等數據，這將刷新人們對家庭安全的觀念，并且可以有效預防燃氣泄漏事故，減少危險系數，保障人身以及財產安全等。

【關鍵詞】Arduino；家庭安全；檢測

Arduino作為一家開源的硬件與軟件公司，其旗下的各類開發板都擁有大量的資料與示例，可以方便的用于構建數字設備和交互式對象，可以感知和控制物理和數字世界中的對象。筆者根據開源硬件Arduino Uno R3自行設計Atmega328p的最小系統板，并整合各類外部設備，避免杜邦線等不可靠連接，使作品更加簡潔、可靠。

一、系統硬件設計

本作品是以電子系統為核心的智能家居系統，要建立智能家居系統硬件是關鍵和基礎，它對整個系統的穩定性、 控制和反饋的準確性、 節能性都有直接影響。本作品控制部分為Atmega328p單片機，其他外部設備包含I2C協議的OLED顯示模塊，MQ-2氣體傳感器模塊，Sharp GP2Y10 空氣質量傳感器模塊，ESP8266無線WIFI模塊，以及DHT22溫濕度傳感器模塊。

（一）Arduino控制器

控制器部分采用Atmel公司的Atmega328p單片機作為控制核心。這款單片機是高性能8位AVR RISC微控制器，擁有32KB的程序儲存空間，I2C協議數字通訊接口，有6通道10位A/D轉換，燒寫bootloader后可兼容Arduino IDE。本作品程序可通過ICSP接口實現下載程序，精簡了系統，使系統更加穩定可靠[1]。電源采用AMS1117線性電源，保證了單片機與其他外設的高質量供電[2]。原理圖與PCB如下所示：

（二）溫濕度傳感器模塊

DHT22是一款已校準、單總線數字信號輸出溫濕度傳感器，它擁有特殊的數字模塊信息采集技術和溫濕度傳感技術，能夠確保產品具有極高的穩定性與精準度。該傳感器中集成了電阻式感濕元器件和NTC測溫元器件，從而達到檢測環境溫度、濕度的目的，其品質卓越，響應快速，抗干擾能力強，性價比高等特點。

（三）氣體傳感器模塊

氣體傳感器模塊我們選用MQ-2模塊，該模塊可用于氣體泄漏檢測（家庭和工業）。適用于檢測H2，LPG，CH4，CO，酒精，煙霧或丙烷。由于其高靈敏度和快速響應時間，測量時間短。傳感器的靈敏度可通過電位計調節。當單片機檢測到氣體濃度過高時，將會通過控制繼電器關閉閥門，或開啟排風扇并遠程報警等應急措施。

（四）空氣質量檢測模塊

空氣質量檢測模塊我們采用了夏普光學粉塵傳感器（Sharp GP2Y10），其原理是將紅外發光二極管和光敏三極管對角布置在這個裝置中，檢測空氣中塵埃的反射光，從而檢測空氣質量的好壞。該傳感器具有非常低的電流消耗，且輸出的模擬電壓正比于測量粉塵濃度，具有靈敏度0.5v/0.1mg/m3的高靈敏度。

（五）OLED顯示模塊

OLED顯示模塊我們采用I2C協議的模塊，I2C協議具有連接線少、可以實現多設備運行等優點。我們采用128X64像素大小的模塊，可以顯示中英文、數字，以及簡單的LOGO。OLED具有自發光特性，無需背光源，功耗低，對比度無窮大等特點。

（六）ESP8266模塊

ESP8266是一款低功耗、高度集成的WIFI芯片，其內置超低功耗Tensilica L106 32位RISC處理器，CPU 時鐘速度最高可達160 MHz，支持實時操作系統（RTOS）和Wi-Fi協議棧，可將高達80%的處理能力留給應用編程和開發。它是專為移動設備、可穿戴電子產品和物聯網應用而設計，通過多項專有技術實現了超低功耗。ESP8266具有的省電模式適用于各種低功耗應用場景[3]。在其刷入NodeMCU固件之后，更是可以兼容Arduino IDE，降低了開發成本，縮短了開發周期。模塊如圖所示。

二、系統的軟件設計

利用DHT22溫濕度傳感器模塊、空氣質量檢測模塊，以及氣體檢測模塊采集環境的各項指標，并將數據傳入單片機與預設值進行對比，并根據對比結果通過I/O口控制其他外設采取應急措施，同時，將采集到的數據通過TXD引腳輸出給ESP8266，ESP8266再將數據通過UDP或TCP協議推送至用戶。

本系統采用Arduino IDE編程、下載，系統采用C語言編寫，通過調用庫函數來實現各個模塊的功能，程序由系統主程序、初始化子程序、各個模塊子程序、數據處理程序與數據傳輸程序組成。程序流程圖如下。

三、系統功能

經過實踐證明，本系統運行穩定，得益于低功耗的單片機以及傳感器，系統耗能極低。采用了無線傳輸、溫濕度監測、危險氣體檢測、空氣質量檢測以及顯示等主要功能性模塊構建了一套智能家居環境監測系統。系統具有環境檢測、消息推送、異常情況自動處理等功能，操作簡單、節能環保，適用于現代家庭安全防護，具有巨大的推廣使用價值與開發潛力。

【參考文獻】

[1]蔡睿妍. Arduino的原理及應用[J].電子電力技術， 2012，（16）

[2]鄭曉慶.多路輸出DC-DC電路設計[J].國外電子測量技術，2012，（9）

[3]范興隆. ESP8266在智能家居監控系統中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2016，（9）