基于AVR的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 偉，王宜懷

(1.咸陽師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 咸陽 712000;

2.蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

0 引 言

智能家居[1]是以住宅為平臺(tái)，利用RFID、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、綜合布線、自動(dòng)控制及安防等技術(shù)將家庭環(huán)境有關(guān)的設(shè)備集成于一體的智能化家居控制系統(tǒng)。相比普通家居，智能家居提高了居住環(huán)境的安全性，增強(qiáng)了居住環(huán)境的智能性，符合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)者認(rèn)知的進(jìn)一步提高，智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用已趨于成熟。

1 系統(tǒng)總體框架

基于AVR的智能家居系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)家庭用電情況、光照情況和溫濕度數(shù)據(jù)，進(jìn)行無線電源、燈光、空調(diào)等智能化電源控制，支持自動(dòng)、手動(dòng)、定時(shí)等多模式智能化用電管理，能監(jiān)測(cè)室內(nèi)煙霧濃度，進(jìn)行防災(zāi)報(bào)警。當(dāng)有警情出現(xiàn)時(shí)，如用電過載、火災(zāi)等，智能家居終端智能斷電，并能在手機(jī)端進(jìn)行報(bào)警提示。該智能家居系統(tǒng)分為四個(gè)部分，即傳感器層、主控層、執(zhí)行層和移動(dòng)終端，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

(1)傳感層。

傳感層主要由各種感知器件組成(如圖1傳感層部分)，主要用于對(duì)家庭環(huán)境有關(guān)參數(shù)的感知或探測(cè)，如環(huán)境的溫濕度、光照、煙霧濃度及用電器功率等。

(2)主控層。

主控層主要由AVR核心板[2]及接口擴(kuò)展板組成，用于對(duì)傳感層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，進(jìn)而向執(zhí)行層發(fā)送控制指令。

(3)執(zhí)行器層。

主要由繼電器、燈帶和風(fēng)扇組成，用于執(zhí)行核心板送來的指令，以響應(yīng)相關(guān)操作。

(4)移動(dòng)終端。

主要由智能手機(jī)及智能家居管理APP構(gòu)成，智能家居管理APP可以接收AVR核心板發(fā)來的報(bào)警信息，用戶也可通過APP進(jìn)而控制智能家居系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制家居的目的。該部分通過WiFi模塊與AVR板進(jìn)行鏈接，按照TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[3]收發(fā)信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 AVR核心板

AVR核心板分析判定光照傳感器、智能插座、溫濕度傳感器和煙霧傳感器采集的數(shù)據(jù)，并控制WiFi模塊[4]將判定結(jié)果傳輸給移動(dòng)終端，它是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的核心部分。本次開發(fā)AVR核心板選用DFRobot Leonardo & xbee R3(見圖2)，Arduino Leonardo[5]是Arduino最新推出的低成本Arduino控制器，具有20個(gè)數(shù)字輸入輸出口，7個(gè)PWM口以及12個(gè)模擬輸入口。使用了一片Atmega32u4[6]來實(shí)現(xiàn)USB通信以及控制，降低了Leonardo的成本。它具有開發(fā)成本低、通用性強(qiáng)、方便開發(fā)及支持USB連接燒錄等特點(diǎn)。

2.2 光照傳感器

用于檢測(cè)當(dāng)前光照強(qiáng)度，并將光照度信息傳給核心板，選用YwRobot[7]光照傳感器，其具有Arduino開發(fā)平臺(tái)專用模塊；通過光敏電阻探測(cè)光照強(qiáng)度，反應(yīng)靈敏，能滿足選型的功能需求。

2.3 溫濕度傳感器

用于檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳給核心板，選用DFRobot的DHT11[8]數(shù)字溫濕度傳感器。其產(chǎn)品具有連接方便，單線制串行接口；兼容Arduino開發(fā)平臺(tái)；同時(shí)測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度數(shù)據(jù)，滿足選型的功能需求。

2.4 煙霧傳感器

檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境空氣中的煙霧的含量，并將數(shù)據(jù)傳給核心板，選用Puzzle-Gas Sensor(MQ-2)[9]易燃?xì)怏w、煙霧傳感器。其產(chǎn)品為4腳PH2.0封裝，通過4P排線直插核心板；可測(cè)量環(huán)境的易燃?xì)怏w、煙霧數(shù)據(jù)；采用模擬量(電壓)輸出，靈敏度可以通過電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，氣體的濃度越高，輸出的電壓越高；兼容Arduino開發(fā)平臺(tái)等特點(diǎn)。

2.5 智能插座

用于檢測(cè)室內(nèi)的用電情況，通過RS485轉(zhuǎn)TTl模塊向核心板提供室內(nèi)用電量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，選用力創(chuàng)的86型面板式計(jì)量插座LCDG-MB113-10[10]。其具有檢測(cè)用電器(負(fù)載)的電量、電流、電壓、功率等信息，停電后保留電能累計(jì)值；內(nèi)帶485通訊[11]功能，支持MODBUS-RTU[12]通訊等特點(diǎn)。

2.6 WiFi模塊

WiFi模塊的主要功能是與手機(jī)進(jìn)行無線通信，實(shí)時(shí)傳輸通信數(shù)據(jù)，選用itead arduino ESP8266 wee wifi[13]模塊。其產(chǎn)品兼容AVR核心板，支持WiFi無線數(shù)傳通信，支持TTL串口通信，支持通過AT指令[14]調(diào)試，滿足選型的功能需求；支持Arduino開發(fā)，廠家提供開發(fā)例程；接口兼容AVR核心板XBEE[15]插座，無需另做接口；配套Android應(yīng)用，開放的源碼，適合用戶二次開發(fā)。

此外，用到的硬件設(shè)備還有RS485[16]轉(zhuǎn)TTl模塊、開關(guān)繼電器及接口擴(kuò)展板等。

3 采集模塊通信協(xié)議的定義

3.1 系統(tǒng)參數(shù)寄存器定義

(1)表1為系統(tǒng)配置參數(shù)寄存器地址和通訊數(shù)據(jù)，讀寄存器的功能碼為03H，寫寄存器的功能碼為10H，具體含義見表1。

表1 系統(tǒng)配置參數(shù)寄存器地址和通訊數(shù)據(jù)

(2)電能量寄存器地址和通訊數(shù)據(jù)見表2，讀寄存器的功能碼為03H，寫寄存器的功能碼為10H，脈沖當(dāng)量為3 200 imp/KWh,即讀取的數(shù)據(jù)值除以3 200為用電度數(shù)；配置電量底數(shù)時(shí)的計(jì)算為：4字節(jié)配置數(shù)據(jù)=需配置的電度數(shù)*3 200；清除用電度數(shù),功能碼為10H,寫入的數(shù)據(jù)為全0,寫寄存器的所有信息必須按表3格式寫入。

表2 電能量寄存器地址和通訊數(shù)據(jù)

表3 寫寄存器數(shù)據(jù)格式

3.2 通訊協(xié)議說明

(1)讀多路寄存器(功能碼03，即0x03)。

起始地址：0000H～0050H，超過范圍命令無效。

數(shù)據(jù)長度：0001H～0020H，最多可一次讀取32個(gè)連續(xù)寄存器。

起始地址+數(shù)據(jù)長度：1～0051H，超過范圍命令無效。

(2)寫多路寄存器(功能碼10，即0x10)。

起始地址：0004H～0037H，超過范圍命令無效。

寄存器數(shù)量：0001～0010H，最多可一次設(shè)置16個(gè)連續(xù)寄存器。

起始地址+寫寄存器數(shù)量：0001H～0038H,超過范圍命令無效。

(3)讀開關(guān)量輸出(功能碼01，即0x01)。

起始地址：0000H～0007H，超過范圍命令無效。

數(shù)據(jù)長度：0001H～0008H，最多可一次讀取8個(gè)連續(xù)開關(guān)狀態(tài)。

起始地址+數(shù)據(jù)長度:1H～8H，超過范圍命令無效。

(4)寫單路寄存器(功能碼05，即0x05)。

起始地址：0000H～0007H，超過范圍命令無效。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)選用的Arduino IDE，在此開發(fā)環(huán)境下完成了對(duì)傳感器模塊、WIFI模塊、智能插座等模塊函數(shù)的定義與設(shè)計(jì)。

4.1 Arduino IDE開發(fā)軟件

Arduino是一款便捷靈活、方便使用的開源電子原型平臺(tái)，它具有跨平臺(tái)、簡潔及開源等特點(diǎn)。Arduino通過各種傳感器來感知環(huán)境，進(jìn)而通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來調(diào)節(jié)或控制環(huán)境參數(shù)。用Arduino編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，可燒錄進(jìn)微控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器的編程操作。

4.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

該部分主要對(duì)溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器及智能開關(guān)等模塊的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)溫濕度傳感器采集的溫度超過了預(yù)設(shè)的閾值后，核心板會(huì)向執(zhí)行層的空調(diào)發(fā)送打開空調(diào)的命令以啟動(dòng)空調(diào)；當(dāng)煙霧傳感器探測(cè)的煙霧環(huán)境異常時(shí)，AVR核心板則通過WIFI模塊在TCP協(xié)議下向通信模塊APP發(fā)出報(bào)警信息，以提示用戶進(jìn)行安全應(yīng)急處理；各模塊的主要流程見圖3。

部分函數(shù)代碼如下：

void LightIntensity_Threshold(uint8_t LightIntensity_H ,uint8_t LightIntensity_L) //光照強(qiáng)度閾值設(shè)置函數(shù)

{

LightIntensity_Value_Threshold=(LightIntensity_H<<8)|LightIntensity_L;//光照強(qiáng)度閾值設(shè)置

Serial.print("Set LightIntensity_Threshold Ok!");

}

uint16_t Get_LightIntensity() //光照獲取函數(shù)

{

return analogRead(Light_sensor_pin);

}

uint16_t Get_Smoke_Ad_Value() //煙霧傳感器AD值獲取函數(shù)

{

return analogRead(Smoke_sensor_pin);

}

void TH_Threshold(uint8_t Temperatur,uint8_t Humidity)// 溫濕度閾值設(shè)置函數(shù)

{

Temperature_Threshold=Temperatur; //獲取溫度

Humidity_Threshold=Humidity; //獲取濕度

Serial.print("Set TH_Threshold Ok! ");

}

4.3 Arduino IDE下連接核心板

(1)將AVR核心板通過USB線與PC機(jī)相連,在設(shè)備管理器里查看AVR核心板使用的COM口。

(2)IDE與AVR核心板通過USB_SERIAL連接。

(3)點(diǎn)擊“工具”-->“端口”-->選擇AVR核心板使用的COM口“COM10(Arduino leonardo)”，使用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況而定。

(4)點(diǎn)擊“工具”-->“板：”-->選擇“Arduino leonardo”。

5 系統(tǒng)測(cè)試

將各功能模塊與AVR開發(fā)板相連，結(jié)合智能家居管理APP和硬件底層固件，對(duì)各個(gè)模塊的性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)硬件端燒錄好固件程序，手機(jī)端安裝智能家居管理APP，系統(tǒng)加電測(cè)試各模塊的性能，智能家居實(shí)物連接如圖4所示。

5.1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)加電后，各硬件模塊工作正常，將手機(jī)與AVR核心板連接，啟動(dòng)智能家居管理系統(tǒng)APP，監(jiān)測(cè)到的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)如圖5所示。

5.2 險(xiǎn)情報(bào)警測(cè)試

通過向室內(nèi)釋放甲烷氣體測(cè)試煙霧險(xiǎn)情報(bào)警功能，當(dāng)釋放甲烷氣體數(shù)秒后，煙霧報(bào)警器發(fā)出風(fēng)鳴聲，并通過通信模塊向智能家居管理系統(tǒng)發(fā)送室內(nèi)險(xiǎn)情信息。

5.3 系統(tǒng)丟包率測(cè)試

在智能家居系統(tǒng)中選取連接8個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)為時(shí)，對(duì)其在0 m～30 m有障礙環(huán)境和無障礙環(huán)境下的丟包率進(jìn)行測(cè)試(見圖6)。從圖可知，隨著傳輸距離的增加，丟包率逐步上升，無障礙環(huán)境下當(dāng)無線傳輸距離為30米時(shí)丟包率為0.173%，有障礙環(huán)境下當(dāng)無線傳輸距離為30米時(shí)丟包率為0.41%，無障礙及有障礙環(huán)境下丟包率均小于5‰，可以滿足無障礙及有障礙環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的無線傳輸要求。

5.4 網(wǎng)絡(luò)速率對(duì)比測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在1～11范圍內(nèi)，分別對(duì)智能家居系統(tǒng)在WiFi和Zigbee無線傳輸模式下的傳輸速率進(jìn)行了測(cè)試。圖7為WiFi模式下的傳輸速率，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率逐步降低，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到11時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率降低為10.84 Mbps，其最高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率則達(dá)到了11 Mbps；而Zigbee模式的傳輸速率在190～205 Kbps之間，傳輸速率明顯低于WiFi無線傳輸模式(見圖8)。

經(jīng)測(cè)試，智能家居系統(tǒng)各模塊運(yùn)行正常，均達(dá)到了預(yù)期效果。通過智能家居系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與控制，當(dāng)環(huán)境參數(shù)達(dá)到了設(shè)定的閾值時(shí)，智能家居系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備改善環(huán)境相關(guān)參數(shù)。當(dāng)室內(nèi)有警情發(fā)生時(shí)，其通過WiFi模塊向用戶終端發(fā)送報(bào)警信息。

6 結(jié)束語

智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用，必將提高家庭居住的智能化水平，采用智能設(shè)備，降低了設(shè)備能耗。同時(shí)，智能設(shè)備的警情發(fā)送功能降低了居住環(huán)境的不安全事故發(fā)生的概率，提高了居住環(huán)境的安全性。在30 m范圍內(nèi)，對(duì)智能家居系統(tǒng)連接11個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)對(duì)其在有障礙及無障礙的丟包率進(jìn)行測(cè)試，丟包率均低于5‰；且基于WiFi無線模塊的傳輸方式平均傳輸速率達(dá)到了10.91 Mbps，是基于Zigbee無線模塊傳輸方式的約55.94倍，滿足了家庭環(huán)境下節(jié)點(diǎn)設(shè)備不多、覆蓋范圍不大時(shí)對(duì)智能家居高效、可靠管理的需要。