基于Arduino與OneNET云平臺的簡易智能家居系統(tǒng)設(shè)計

陳凱旋 周世恒 陳濤 池政煒 林心怡

摘 要：隨著信息時代的發(fā)展和人民日益增長的美好生活的需要，智能家居系統(tǒng)的設(shè)計越來越受到廣泛關(guān)注。文中設(shè)計基于Arduino與OneNET云平臺的簡易智能家居系統(tǒng)，以Arduino Sensor Sheild V2.0為主控模塊，利用WiFi無線模塊ESP8266將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，可以實時監(jiān)測智能家居環(huán)境，并能通過手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。該系統(tǒng)成本低廉，搭建方便，具有數(shù)據(jù)可視化、網(wǎng)絡(luò)化等特點，為實現(xiàn)智能家居生活提供了一種簡易的解決方案。

關(guān)鍵詞：Arduino;傳感器;智能家居;ESP8266;OneNET;遠(yuǎn)程操控

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

目前，智能家居的研究主要以搭載STM32芯片[1]的硬件設(shè)備為中心控制器。同時，智能家居云平臺大都建立在 YeeLink云[2]上，而對于基于OneNET云平臺[3]的研究仍然相對較少。考慮到成本和操作簡易程度等方面的因素，本文以Arduino單片機(jī)[4]為中心控制器設(shè)計系統(tǒng)，將OneNET作為數(shù)據(jù)處理平臺，該程序能夠跨平臺運(yùn)行，具有較好的開放性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文智能家居系統(tǒng)以Arduino Sensor Sheild V2.0單片機(jī)為主控模塊，各類傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，在單片機(jī)中處理數(shù)據(jù)后經(jīng)ESP8266無線模塊發(fā)送至OneNET云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以Android的智能手機(jī)作為APP的展現(xiàn)平臺。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要包括四個部分。

（1）數(shù)據(jù)采集。該部分主要依靠各類傳感器（如溫濕度傳感器、煙霧傳感器等）采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c之相連的單片機(jī)中。

（2）云平臺數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時向OneNET傳輸數(shù)據(jù)，在云平臺中可以控制已經(jīng)搭載的模塊。

（3）APP。手機(jī)通過與無線模塊ESP8266相連，接收到網(wǎng)站傳來的數(shù)據(jù)，將其顯示在APP上。

（4）指令執(zhí)行。在接收到指令數(shù)據(jù)時對傳感器或相應(yīng)的模塊進(jìn)行操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Arduino Sensor Sheild V2.0

Arduino Sensor Shield V2.0專用傳感器擴(kuò)展板集市面上各種擴(kuò)展板優(yōu)點于一體，采用PCB沉金工藝加工，主板不僅將全部數(shù)字與模擬接口以舵機(jī)線序形式擴(kuò)展出來，還特設(shè)藍(lán)牙模塊通信接口、SD卡模塊通信接口、APC220無線射頻模塊通信接口，以及RB URF V1.1超聲波傳感器接口，獨立擴(kuò)出，更加易用方便。在本文系統(tǒng)中作為中心處理器，連接LED、繼電器模塊、煙霧傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器、ESP8266、LCD顯示模塊。各類傳感器實時采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)將處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET云平臺上處理，由其返回控制信號從而控制相應(yīng)的傳感器或其他模塊。

2.2 溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器上電后要等待1 s，以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令[5]。庫文件中擁有非常完善的函數(shù)控制塊，可以非常方便地采集到當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度信息，免去了手動解析的麻煩，并且修改起來也非常方便。

2.3 紅外傳感器

本文系統(tǒng)選用HC-SR501熱釋電紅外傳感器，采用可重復(fù)觸發(fā)的工作方式（即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑哂懈袘?yīng)封鎖時間等特點[6]。當(dāng)感應(yīng)到有人經(jīng)過時向單片機(jī)傳輸信號，再由單片機(jī)控制蜂鳴器報警。

2.4 煙霧傳感器MQ-2

MQ-2型煙霧傳感器是多種氣體探測器，探測范圍極其廣泛，具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點[7]。在本文系統(tǒng)中，MQ-2煙霧傳感器主要用于測量各種氣體的總閾值，當(dāng)有害氣體達(dá)到一定濃度時才會進(jìn)行蜂鳴報警。

2.5 繼電器模塊和LED燈

繼電器模塊的作用是傳遞信號或同時控制多個電路，也可直接控制小容量電動機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件[8]。

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光[9]。

這兩個模塊都可以在手機(jī)APP上進(jìn)行控制，由OneNET網(wǎng)站發(fā)送控制指令，單片機(jī)在接收到數(shù)據(jù)以后，經(jīng)過解析，判斷控制信號，從而控制這兩個模塊。在家用的情況下，用手機(jī)遠(yuǎn)程控制這些小型模塊非常方便。

2.6 ESP8266

ESP8266是由上海樂鑫信息科技有限公司開發(fā)的集成無線芯片，支持二次開發(fā)，具有超高的性價比。目前多家廠商在做ESP8266芯片的開發(fā)與服務(wù)工作，且其服務(wù)已經(jīng)較為全面，利于開發(fā)者以較低的成本開發(fā)出個性的智能產(chǎn)品，因價格較低、性能穩(wěn)定等受到較大關(guān)注[10]。該芯片可工作于AP模式、Station模式以及混合模式，本文系統(tǒng)中利用AT指令進(jìn)行控制，使用ESP8266的Station模式，ESP8266模塊連接到由接入點建立的WiFi網(wǎng)絡(luò)，用于向OneNET云平臺傳輸、接收數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程

Arduino Sensor Sheild V2.0通過串口發(fā)送AT指令來控制ESP8266 WiFi模塊的各項操作。模塊在開機(jī)啟動后自動搜索附近網(wǎng)絡(luò)，搜索到對應(yīng)的在程序中定義過名稱和密碼的網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)行連接，連接上WiFi后，與OneNET網(wǎng)站進(jìn)行TCP連接，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包及JSON數(shù)據(jù)格式化后發(fā)送至OneNET網(wǎng)站。OneNET網(wǎng)站將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，且添加了發(fā)送控制指令的功能，單片機(jī)接收到控制指令的同時控制模塊進(jìn)行響應(yīng)。系統(tǒng)初始化如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)流程

（1）使用DHT11溫濕度傳感器的庫，讀取溫濕度值。

int chk = DHT11.read（DHT11PIN）;//讀取溫濕度值

//串口調(diào)試DHT11輸出信息

DebugSerial.print（"Read sensor："）;

switch （chk）

{

case DHTLIB_OK：

DebugSerial.println（"OK"）;

break;

case DHTLIB_ERROR_CHECKSUM：

DebugSerial.println（"Checksum error"）;

break;

case DHTLIB_ERROR_TIMEOUT：

DebugSerial.println（"Time out error"）;

break;

default：

DebugSerial.println（"Unknown error"）;

break;

}

（2）使用定時器庫監(jiān)控AT指令發(fā)送和獲取返回數(shù)據(jù)的時間。

（3）使用OneNET提供的庫，合成POST請求的HTTP頭。

packet.setHostAddress（OneNETServer）;

packet.setDevId（device_id_temp）;//device_id

packet.setAccessKey（API_VALUE_temp）;//API_KEY

packet.createCmdPacket（POST，TYPE_DATAPOINT，p）;

（4）使用庫，合成需要的JSON數(shù)據(jù)流。

StaticJsonBuffer<200> jsonBuffer;

JsonObject&value = jsonBuffer.createObject（）;

value["value"] = thisData;

JsonObject&id_datapoints = jsonBuffer.createObject（）;

id_datapoints["id"] = sensor_id_temp;

JsonArray&datapoints = id_datapoints.createNestedArray（“datapoints”）;

datapoints.add（value）;

JsonObject&myJson = jsonBuffer.createObject（）;

JsonArray&datastreams = myJson.createNestedArray（“datastreams”）;

datastreams.add（id_datapoints）;

char p[200];

int num = myJson.printTo（p，sizeof（p））;

（5）使用ESP8266連接路由器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNET服務(wù)器。

if （sendCommand（"AT＼r＼n"，"OK"，1000，10） == Success）;

else ESP8266_ERROR（5）;

clrEsp8266RxBuffer（）;

if （sendCommand（"AT+CWMODE=1＼r＼n"，"OK"，3000，10） == Success）;

else ESP8266_ERROR（7）;

clrEsp8266RxBuffer（）;

char cmd[50];

strcpy（cmd，"AT+CWJAP=＼""）;

strcat（cmd，ssid）;

strcat（cmd，"＼"，＼""）;

strcat（cmd，password）;

strcat（cmd，"＼"＼r＼n"）;

if （sendCommand（cmd，“OK”，20000，10） == Success）;

else ESP8266_ERROR（8）;

clrEsp8266RxBuffer（）;

傳感器數(shù)據(jù)上傳流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

首先將單片機(jī)與PC機(jī)用數(shù)據(jù)線相連，然后打開手機(jī)熱點，設(shè)定好熱點名稱與密碼，連接成功后，在程序中設(shè)定延遲500 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)，因此單片機(jī)每500 ms更新一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，同時APP同步更新數(shù)據(jù)。將LED與繼電器開關(guān)打向OFF，由于網(wǎng)絡(luò)的傳輸造成一定的時間延遲（約為3 s），單片機(jī)上的LED燈熄滅且繼電器紅燈亮起表示已經(jīng)關(guān)閉。同樣，打開開關(guān)，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)上的LED燈亮起，且繼電器上的綠燈亮起表示繼電器已經(jīng)打開。開關(guān)關(guān)閉如圖4所示，LED燈和繼電器關(guān)閉如圖5所示，開關(guān)打開如圖6所示，LED燈和繼電器開啟如圖7所示。

連接至Arduino主控模塊的各類硬件外設(shè)如圖8所示，從左到右分別是MQ-2煙霧傳感器，ESP8266，DHT11溫濕度傳感器、人體紅外傳感器。

5 結(jié) 語

從實驗的測試結(jié)果來看，本文所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控室內(nèi)的各項指標(biāo)，并且能夠通過紅外傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器等獲取數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)紸PP上。用戶可以通過APP上可視化的數(shù)據(jù)查看室內(nèi)狀況。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)查詢方便，具有一定的可擴(kuò)展性，可以實現(xiàn)基本的智能家居環(huán)境監(jiān)測功能和簡單的控制功能。

參 考 文 獻(xiàn)

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