基于Arduino的移動式智能家居系統設計

盧才林 馮博 刁鵬

合肥工業大學 安徽 合肥 230009

引言

隨著計算機技術、網絡技術、傳感檢測技術等諸多技術的快速發展，傳統的家電行業正在發生變革[1]，除了傳統的開關控制外，現在出現了紅外遙控，語音控制、WiFi無線網絡控制、甚至是現在和今后熱點的物聯網控制等多種控制方法。但是這幾種控制方式中，語音控制不適用于長距離控制，WiFi無線網絡控制與物聯網控制等需要構建一個網絡環境等，紅外遙控現在應用較普遍，但需要每種家電對應的遙控器，且使用紅外線控制不能有障礙物阻擋。總之現有控制方法移動性差，不便于整個家庭使用[2]。因此研究一款能夠滿足人們需求的智能家居系統，對智能家居實際研究方向具有重要意義[3]。

針對上述問題，本文提出了一種移動式智能家居控制系統。該系統采用Arduino控制智能家居控制平臺的移動、外接傳感器感知室內環境。同時，搭載Android系統的控制器和相關部件使便捷控制智能家電及紅外控制類家電成為可能。由于系統的可移動性，用戶可以控制家庭中任意位置的電器，系統上搭載室內環境檢測的傳感器，在系統可移動的情況下，用戶可以更清楚地了解住所各個部分的環境狀況。

1 系統架構

1.1 機械設計

本文設計的系統由底板、驅動輪、馬達、Arduino UNO、電源等部分組成，模型如圖1所示，底盤直徑為300mm，隔板與底板均采用亞克力板，降低重量增加結構強度，相應隔板間用銅柱剛性連接，Arduino UNO和電源分別布置在中間隔層，為布線方便，各隔層板上設置有若干走線孔。為平衡重心，設置四個萬向輪。

1.2 功能模塊

本系統的從功能上可以劃分為3大模塊：行進模塊、室內環境檢測模塊和家居控制模塊。

行進模塊，用于整個裝置移動，在行進的過程中可實現轉向、避障等功能。配合室內環境檢測模塊檢測家庭環境；配合搭載的智能家居控制模塊控制家電。

室內環境檢測模塊，利用傳感器檢測室內溫濕度、氣體濃度等指標。檢測項目數值超出設定閾值時，會進行警報，提示居民注意室內環境信息。

家居控制模塊，對多款智能家居電器和一些紅外遙控的非智能家電進行控制。

2 系統硬件設計

家居控制系統由兩個控制中心組成，實行多控制中心控制實現控制互不干擾。其移動式平臺采用硬件式結構，以Arduino為控制核心控制其進行移動，Arduino同時也作為室內環境檢測模塊的控制核心。家居控制模塊以裝載了Android系統的平板電腦作為控制核心控制集成式家居控制器。

2.1 移動控制平臺

移動控制平臺以Arduino UNO為控制核心。Arduino UNO本身封裝使用RISC結構的8位單片機、存儲器和其他外圍設備，Arduino UNO有20個I/O引腳，且有6個引腳有A/D轉換與PWM等特性，具有高速運行處理能力，且具有串口等通訊接口，滿足我們設備的使用需求[4-6]。設計Arduino UNO作為行進模塊的核心，同時將前行與轉向兩者分離。設置超聲波測距傳感器，防止在行進時與障礙物相撞。此外，以Arduino為控制核心的移動控制平臺可擴展性很強，用戶可在Arduino UNO拓展紅外控制模塊、語音控制模塊等。

2.2 室內環境檢測模塊

Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境。該系統的室內環境檢測模塊以Arduino UNO為控制核心，溫濕度傳感器和煙霧傳感器分別與Arduino UNO相連。傳感器將檢測到的數據送入Arduino UNO，通過外設LCD顯示項目檢測數據，超出檢測數值閾值是蜂鳴器發出警報。

2.2.1 溫濕度檢測。室內溫濕度檢測采用DHT11數字溫濕度傳感器。該復合傳感器應用專門的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，將檢測到的溫濕度模擬量信號轉化為數字量輸出。該傳感器內部包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連，有利于提高產品長期穩定性和可靠性[7]。

溫濕度檢測功能分4個方面來體現，分別是溫度上下限值警報，濕度上下限值警報。

溫度上限值警報即將DHT11與Arduino開發板相連接，使DHT11采集到的溫度信息發送給Arduino開發板，與設定的門限值上限比較，超出限定數值即發出警報。溫度下限值警報與溫度上限值警報原理相同。DHT11不能利用單一數值進行比較，因此在Arduino內部需同時設置溫度上下門限值，超出任意閾值即發出警報。

濕度上下限警報與溫度上下限警報原理相同。一般設置上限警報值為最大允許值的90%，下限警報值為0或允許值的10%。

2.2.2 室內空氣質量檢測模塊。室內空氣質量檢測采用MQ-2煙霧傳感器，這種電阻傳感器對不同種類、濃度的氣體有不同的電阻值，因此通過一定的電路就可將電導率的變化轉換成與該氣體濃度相對應的電信號輸出。

MQ-2煙霧傳感器的應用范圍極廣，在較寬的濃度范圍內對可燃氣體有良好的靈敏度，可用于家庭和工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。在本文所述的家居控制系統中用于測量室內空氣液化氣和一氧化碳等氣體的含量，這些氣體在空氣中的濃度超出一定數值則可能會對人體產生危害，如二氧化碳濃度過高時則會引發頭暈等癥狀。在該室內環境檢測模塊中設置這些氣體濃度的閾值，MQ-2對相應氣體的濃度檢測數值超出閾值時，Arduino會向蜂鳴器發送警報信號，提示居民注意[8]。

MQ-2測量空氣質量時，只需在Arduino的程序中設置煙霧的門限值。當室內煙霧濃度升高時，MQ-2檢測煙霧濃度，并將檢測數據傳輸到Arduino中與門限值進行比較，當檢測數值超出閾值會觸發警報。

3 系統實現

3.1 行進模塊

行進模塊實現整個系統的移動性能，可由用戶控制系統移動。在日常家居生活中，因障礙物導致家電控制困難，此時通常需要人們走近家電進行操控。而該系統則可借助移動模塊，使用戶控制平臺移動，對整個家庭中的電器設備實現操控。由于平臺的可移動性，室內環境檢測模塊能更為完整地檢測家庭環境，使用戶能更清楚地了解家庭中各部分的環境。

3.2 室內環境檢測模塊調試

室內環境檢測模塊檢測室內溫濕度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度等指標。

3.2.1 溫濕度傳感器調試。Arduino UNO具有功能強大的串口通信接口，可以通過Arduino IDE（IDE是計算機中的程序開發環境，可以在Windows、Macintosh OS（Mac OS）、Linux三大主流操作系統上運行）進行程序的編纂，通過通用串行總線將程序燒錄進Arduino UNO[9]，連接好與DHT11的電路，打開電源即可執行相應的程序。調試步驟如下：①使用Arduino IDE進行開發板的選型，選擇Arduino UNO；②在Arduino IDE中編程，定義DHT11引腳狀態；③在Arduino IDE中編纂程序，設置上下門限值；④對DHT11中程序校驗成功后燒錄進Arduino UNO。

DHT11數字溫濕度傳感器的VCC引腳為該傳感器供電，與Arduino UNO的5V電源相連；Data引腳用于傳感器與微控制器之間的通信，與Arduino UNO的數字引腳2相連；NC引腳不連接；GND為接地引腳，連接Arduino UNO的GND引腳。

此傳感器測得的此時環境溫度在24.00℃左右，測得的環境濕度在44.00%左右，DHT11溫濕度傳感器的采樣周期為1秒即每秒讀取一次環境溫濕度的值。DHT11溫濕度傳感器的溫濕度測試結果如圖2中所示。

3.2.2 煙霧傳感器調試。MQ-2煙霧傳感器的調試原理與上述DHT11的調試原理相同。MQ-2煙霧傳感器的VCC引腳為模塊供電，連接到Arduino UNO的5V電源輸出；GND接地引腳連接到Arduino UNO的GND引腳；DO引腳提供可燃氣體存在的數字表示，連接到Arduino UNO的數字引腳3；AO引腳提供與煙氣濃度成比例的模擬輸出電壓，連接到Arduino UNO的模擬引腳A0。

此傳感器測得的此時空氣質量AD值在466上下波動，平板電腦上顯示的空氣質量測試結果如圖3所示。因為對于煙霧濃度的檢測未達到設定值，如圖2所示綠燈亮起，蜂鳴器也未發出警報。

3.3 家居控制模塊調試

智能家居控制模塊采用用途較廣的Android系統，將裝有Android系統的移動設備和家居控制平臺構成功能齊全的系統，同時利用無線連技術對家庭內部的家電進行有效控制。

該智能家居控制模塊功能表現為：①該智能家居控制模塊作為智能家居控制的核心控制智能家電；②控制器通過萬能遙控器操控非智能紅外控制家電；③家居控制模塊的無線網絡與裝有Android系統的手機相連，使用戶可以使用手機遠程控制智能家電。

4 結束語

本文提出了一種基于Arduino的移動式智能家居系統，設計了各個機構的具體功能。系統通過模塊化設計使得智能家居控制成為可能。系統由兩個控制中心（Arduino和Android 系統）配合實現。以Arduino為控制核心控制系統可進行定向循跡和避障式移動，同時利用外接的各種傳感器實時采集家居各處的環境信息，及時反饋給Arduino，Arduino再將檢測到的數據傳入Android系統通過無線連接技術控制智能家電改善室內環境，用戶也可以通過手機等設備對家中智能家電進行遠程控制。該系統設計旨在滿足一般家庭的使用需求。由于Arduino的開放性，該平臺易拓展超聲波避障、語音控制、手機藍牙控制和紅外遙控等多種功能。此外，該系統硬件設備簡單可靠，成本較低。對研究智能家居控制及物聯網等具有重要的參考意義。