基于Arduino智能家居控制系統

(四川輕化工大學物理與電子工程學院，四川宜賓 644005)

0 引言

隨著科技的不斷發展，智能家居已經在我們生活的品質中起到關鍵作用，智能家居的興起的趨勢已勢不可擋。物聯網就是把世界上的萬物連接到一起的形式，是由互聯網為基礎延伸的一種網絡，其將不同模塊得到的熱度、光亮、氣味、電壓值等信息通過網絡傳輸到需要的人與物上，從而實現對外界事物大感知。科技的快速發展使我們的生活水平得以飛躍，智能家居的聲影已經逐漸進入人們的生活中，小到智能控制的插線板，大到機器人管家，智能家居控制系統發展變得豐富多樣化。這個領域剛興起不久，就得到人們的一致好評，使得智能家居控制系統發展得迅速。網絡的發展，使得網絡控制、語音控制、隔空控制變為可能，智能家居使我們的生活水平及質量得到了飛的智悅，也使得智能家居更加的人性化與普及化。

1 智能家居控制硬件設計

網絡的控制需要客戶端和控制端處于網絡暢通才能運行控制指令，需要搭載服務器，對控制端傳過來的數據及客戶端發來的數據指令進行交互，這樣才能滿足使智能家居達到需要的要求。該設計通過Blinker的網絡服務器平臺，使用ESP8266模塊掛載到服務器，通過客戶端進入相應的軟件來對掛載到網絡服務器上的控制端進行指令控制，服務器把客戶端發來的控制指令通過網絡傳輸到ESP8266網絡模塊。ESP8266交互式的返回交互信息，并對接收到數據通過串口發送數據到Arduino系統板，此時Arduino通過對網絡傳輸而得到的數據進行解析。對解析的數據進行判斷，從而執行相應的操作。其硬件組成部分如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.1 Arduino嵌入式系統

整個家居的自動控制都是Arduino DUE板完成，對接收到的各種模塊數據、指令等進行處理，完成相應的控制要求。

1.2 溫濕度測量

溫濕度硬件電路使用的SHT30數字型的溫濕度傳感器，采用IIC通信方式對得到的溫濕度數據進行傳輸。濕度測量的范圍在0～199% RH，精度為±3% RH；溫度測量的范圍在-40 ℃～125 ℃，精度在±0.3 ℃。該傳感器已經滿足了正常家居的使用范圍。

1.3 TFT_1.44顯示屏

顯示器使用的TFT屏，因其可以獨立地對各個像素點進行控制，優越的反應速度及可視的角度達到了130度，是高端產品必備的部件。TFT_1.44顯示屏模塊采用SPI通信方式，與IIC相比SPI的速度更快。

1.4 網絡模塊

使用ESP8266網絡傳感器，其工作電壓為3.3 V，網絡工作頻率范圍在2.412～2.484 GHz，因其模塊有豐富的硬件接口，可支持UART、GPIO、IIC、ADC等，在各種場合都非常的適用。

1.5 氣體檢測

氣體無色無味，人的各種器官很難辨別出來，當一些有害氣體泄露，無一不危害到人的生命，所以為系統設計增加了氣體檢測傳感器。氣體檢測使用MQ-2煙霧傳感器，其特點在于有非常高的靈敏度、穩定性高、使用壽命長，兼顧煙霧、甲烷、液化氣等可燃氣體的檢測，適合家居的使用場景。

1.6 測距模塊

一般情況下，人最大能承受的36 V的電壓，而家用是220 V的交流電對人來說萬一觸電，傷害是巨大的，所以在人生安全的情況下，為系統設計手揮即關的功能，避免由觸碰而觸電的風險。該設計使用GP2D12紅外線測距傳感器完成手揮動距離，其具有結構簡單、易于小型化、成本低、抗干擾強等優點，易于家居的使用。

1.7 人體檢測

當室內沒有人，都外出了，屋內的錢財、物品沒人看管，無疑不會讓外出的人心存顧慮。或者當你在熟睡的時候，小偷入室盜竊，對錢財和人都是一種威脅。由此在該系統增添HC-SR501人體紅外感應傳感器，其傳感器可調的監測范圍適合家居報警功能的使用。

2 系統的設計及實現

要實現智能終端的控制，軟件部分就要分為兩個部分：一塊是上位機手機的設計；另一塊則是下位機及受控系統。而受控系統的設計又分為兩個部件，由Arduino DUE硬件完成自動控制的操作和ESP8266網絡傳感器完成網絡的數據交互。Arduino DUE主要的功能是對IO端口連接的傳感器獲取的數據進行處理和對ESP8266在網上獲取到的日期和時間，用TFT進行顯示。由ESP8266網絡模塊通過上位機得來的控制指令解析后通過串口傳送，Arduino DUE控制部分接收到串口信息后完成相應的控制。ESP8266網絡模塊的主要功能是連接到互聯網，從網絡獲取時間日期，并且把手機控制端通過網絡發來的數據進行解析，然后傳送給Arduino DUE，從而完成整個控制。

2.1 上位機APP部分

上位機的APP軟件(Blinker)通過網絡連接到Blinker平臺，獲取ESP8266網絡模塊通過網絡上傳的數據，同時等待數據的發送。

2.2 下位機部分

整個設計的核心組成就在下位機部分，所有的數據指令，控制指令都在這個部分作用給人或者物上。

2.2.1 Arduino DUE控制系統

Arduino系統會在開機時去判斷ESP8266網絡模塊是否連上網絡，當網絡不通時會在TFT顯示屏上提示連接網絡，當判斷ESP8266網絡模塊已經連上網絡則獲取ESP8266模塊得到的時間等信息。開機過后Arduino一直通過串口檢測ESP8266模塊發送過來的信息，當其中有控制指令則完成相應的控制功能。同時Arduino DUE對自己芯片IO端口掛接的模塊的檢測數據進行解析處理通過TFT顯示屏顯示。

1)整個系統開機需要先獲取時間，首先需要調用“Blinker.h”庫，然后通過相應代碼獲取時間。

//Get the time

time_sec=Blinker.second()

time_m=Blinker.minute()

time_h=Blinker.hour()

time_wday=Blinker.wday()

time_month=Blinker.month()

time_mday=Blinker.mday()

time_year=Blinker.year()

2)獲取溫濕度則調用“ClosedCube_SHT3XD.h”庫，初始化SHT30溫濕度傳感器后，通過相應代碼獲取傳感器的測量值。

//獲取溫濕度

printResult(sht3xd.readTempAndHumidity(REPEATABILITY_HIGH，MODE_POLLING，50))；

3)紅外線測距模塊用于揮手即可開關燈的功能，Arduino DUE通過模擬量輸入端口A0獲取GP2D12測距傳感器的輸出電壓值，然后通過運算處理獲得測距值。在使用時首先應該考慮揮手動作后要延遲一段時間后再測距判斷揮手動作，所以調用控制器運行時間已達到避免一揮手即多次動作的情況。

//手揮開關燈

data=analogRead(A0)

cm=2547.8/((float)data*0.49-10.41)-0.42

if((zz!=0)&&(cm<20)){Blinker.delay(15)

data=analogRead(A0)

cm=2547.8/((float)data*0.49-10.41)-0.42

if(cm<20){

if(millis()/2000!=millis_backup){

millis_backup=millis()/2000

digitalWrite(D2，!digitalRead(D2))；//開關燈控制IO口

4)整個系統開機時，MQ-2傳感器需要>30 s的時間進行加熱后才能得到準確的阻值。該傳感器的阻值R與室內被測的有害氣體的濃度C的數學關系式為：log R=m*logC*n(m，n為常數)。n的值與傳感器靈敏度有關，不僅與傳感器的材料有關，還與氣體種類和室內溫度等有關系。m的值為氣體濃度變化的靈敏度。設置模擬端口A0檢測傳感器輸出的電壓值來判定室內空氣情況。

//氣體檢測

int val=analogRead(A0)；//讀取氣體傳感器輸出電壓值

if(val>500)

digitalWrite(D3，HIGH)；//有害氣體濃度過高觸發報警

else

digitalWrite(D3，LOW)

5)人體紅外感應模塊的輸出方式為開關方式，當人進入其感應范圍則輸出高電平并延時一段時間，當人離開一段時間后則自動跳變到低電平。傳感器上可設置重復或不可重復觸發、感應范圍、延時時間，通過傳感器上的電位器進行相應的調節。把對應的輸出IO口接到Arduino DUE的IO端口D4。當夜晚或者屋內人員離開則對該IO端口進行判斷；當有人闖入則觸發人體紅外感應傳感器，Arduino DUE檢測到后觸發警報，并通過ESP8266網絡模塊傳輸到上位機進行提示。

time_h=Blinker.hour()；//Acquisition hours

if((time_h>0)&&(time_h<5)){//判斷是否是凌晨1～5點

if(digitalRead(D3))//檢測D3端口是否為高電平，為“高”則觸發報警

digitalWrite(D5，HIGH)

if(!digitalRead(D3)){//檢測D3端口是否為低電平，為“低”則關閉報警

digitalWrite(D5，LOW)

2.2.2 ESP8266網絡模塊

在開機運行時，要ESP8266網絡模塊接入網絡，使之能掛接到平臺，所以最開始需要對ESP8266進行相應的配置，則需要將SSID名稱、密碼設置到模式當中。首先配置固定的SSID名稱、密碼及Blinker的個人設備密鑰，然后通過調用Blinker庫把固定的AT指令和Blinker個人用戶的密鑰寫入ESP8266控制器中，然后由Blinker庫函數來控制ESP8266的控制器自動連接WIFI，最后掛接到Blinker服務器平臺。

1)SSID名稱、密碼及密鑰配置

char auth[]="f2b812c58ff2"； // Your Device Secret Key

char ssid[]="wifi"； //Your WiFi network SSID or name

char pswd[]="yupeng123"； //Your WiFi network WPA password or WEP key

2)調用Blinker庫寫入AT指令到控制器

BLINKER_DEBUG.stream(Serial)

Blinker.begin(auth，ssid，pswd)； //Write SSID or key

Blinker.attachData(dataRead)

Blinker.setTimezone(8.0)； //Set time zone

3 結語

該系統設計的主要思想是便利家居生活，提高生活的品質，并以當今生活的發展趨勢設計了該系統。該設計的重要組成部分為上位機和下位機，下位機又分為Arduino DUE控制部分和ESP8266網絡模塊，整個系統的核心就在于此部分的組成。上位機主要負責發送控制指令；而下位機的Arduino DUE各種器件的觸發及各模塊數據的檢測顯示，ESP8266網絡模塊則通過網絡完成下位機Arduino DUE和上位機之間的數據交互傳輸。通過網絡的便利和快速反應等特點，使家居生活更加的方便與智能。