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一种基于ARDUINO的智能家居系统开发设计.docx

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.60M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    一种基于 arduino 的智能家居系统开发设计 摘 要：随着物联网技术的高速发展，本文提出了一种基于 arduino 系列芯片的智能家居系统设计 方案。本方案以智能家居控制芯片为核心，包含了多种智能家居产品，集本地控制、环境感应两种种控 制方式，适合家庭使用以及相关教学实验开发。 关键词：智能家居 arduino 本地控制 环境感应 ０引言 随着科学技术的发展，人类的生活水平有着明显的提高，人们越来越重视居住的舒适性、实用性、功 能性和智能性。智能家居系统是以生活环境为基础，融合了通信、网络、计算机、自动控制等现代技术 形成的集功能性、服务性、管理性为一体的舒适、安全、便利、环保的智能系统 [1]。智能家居系统致力于服 务居住者，为其提供舒适的、人性化的、更加科学的居住环境，提高居住者的家居生活质量的同时，并实 现环保节能的居住理念。为了探讨这个理念，本设计研制了一种基于 arduino 的智能家居系统的功能模型。 １ 智能家居系统简介 1.1 智能家居系统整体设计 本文基于 arduino uno 芯片，设计了一个智能家居系统的模型，该系统由小夜灯控制模块、智能晾衣 杆、室内智能照明系统、温湿度调节系统、火灾及易燃气体检测系统等分系统组成。智能家居系统的功能 树如图 1 所示。 1.2 分系统功能介绍 图１ 系统功能说明图 小夜灯控制分系统：该分系统能在夜间利用光电管模块感知主人的行为变化，当感知到主人要下床的 动作后，打开地面 LED 灯提供照明，为主人提供一个合适亮度的照明，既可以方便主人起夜，防止主人摔 倒，又不影响他人休息； 智能晾衣杆分系统：当下雨的时候，智能晾衣杆分系统能通过雨滴传感器，感知到天气变化，自动驱 动舵机转动收回晾衣杆。
    智能照明分系统：利用光敏传感器检测室内外的光线强度，当室内较暗时，开启智能照明系统；并且 根据光线亮暗度，会自动调节室内照明灯的工作功率，以达到节能的目的。另外，可以通过按键切换到睡 眠状态，关闭智能照明系统，开启小夜灯功能。 温湿度调节分系统：利用多点分布的 DHT11 温湿度传感器，实时检测室内的温湿度值，当室内湿度低 于设置标准值时，开启空气加湿器，提高室内空气湿度，当室内温度（湿度）高于设置标准值时，进行通 风操作。系统可以通过按键设置温湿度标准值调节； 火灾及易燃气体检测分系统：利用烟雾传感器检测空气中易燃气体或燃烧后的固体小颗粒。一旦发现 易燃气体和燃烧后的固体小颗粒超标，立即产生报警。提示主人留意火灾或煤气泄漏问题。 ２ 智能家居系统的硬件平台设计 智能家居系统的硬件部分包括 arduino uno 主控板、DHT11 模块、5V/12V/24V 继电器模块、风扇模块、 舵机模块、雨滴传感器模块、超声波雾化器、蜂鸣器模块、光电管模块、光敏电阻模块、LCD1602 显示模块、 小灯珠及 LED 灯。系统分析图如２所示。硬件设计主要以温湿度调节分系统所用到的模块为例进行叙述。 。 2.1 Arduino uno 主 控 板 图 2 系统硬件说明图 本设计中的智能家居系统的控制芯片是基于 Arduino 芯片设计的处理器核心是 ATmega328，同时具有 14 路数字输入/输出口（其中 6 路可作为 PWM 输出），6 路模拟输入，一个 16MHz 晶体振荡器，一个 USB 口， 一个电源插座，一个 ICSP header 和一个复位按钮。uno 已经发布到第三版，与前两版相比有以下区别：一 个在 AREF 处增加了两个管脚 SDA 和 SCL，支持 I2C 接口；另一个就是增加 IOREF 和一个预留管脚，将来扩 展板将能兼容 5V 和 3.3V 核心板。改进了复位电路设计 USB 接口芯片由 ATmega16U2 替代了 ATmega8U2。 ATmega328 包括了片上 32KB Flash，其中 0.5KB 用于 Bootloader。同时还有 2KB SRAM 和 1KB EEPROM。除 此之外，有些引脚有特定功能 TWI 接口（SDA A4 和 SCL A5）：支持通信接口（兼容 I2C 总线）。[2]电路图 3 如下。
    2.2 温湿度传感器模块 图 3 芯片引脚电路 本设计采用的是温湿度传感器是 DHT11 数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿 度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保它的可靠性与长期稳定性。传感 器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机和连接。每个 DHT11 传感器 都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信 号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。DHT11 为 4 针单排引脚 封装。四个引脚分别为 VDD，连接 3V 到 5.5V 供电都可;data 引脚，用于串行数据传输；NC 引脚，将他悬 空即可；最后一位为 GND 引脚。接地。由于超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20 米以上，所以 本系统就采用了 DHT11 作为温湿度采集元件。 2.3 继电器模块 图 4 DHT11 应用电路 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通 常应用于自动控制电路中，是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调 节、安全保护、转换电路等作用。 电磁式继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。继电器工作时，当在输入回路端加上电压，线 圈中就会流过电流，线圈产生电磁效应，衔铁受到电磁力吸引，克服弹簧的拉力，吸向铁芯，衔铁的动触 点与静触点（常开触点）吸合，输出电路导通。当输入回路断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在 弹簧的拉力下，返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）分离。这样吸合、释放，完成输 出回路的导通和断开。继电器控制电路如图 5 所示。
    图 5 继电器控制电路 2.4 风扇模块 本设计应用到的风扇为 12V 直流风扇。模块的三个引脚分别连接电源线、地线和测速信号输出线；直 流风扇可通过改变 DC 电压或者使用低频 PWM 驱动信号来控制。3 线风扇有一根测速信号输出线，可以检测 风扇转速。用户可通过读取风扇转速值调整风扇转速。 2.5 超声波雾化器 超声波雾化器的工作原理是利用电子高频震荡（振荡频率为 1.7MHz 或 2.4MHz，超过人的听觉范围， 该电子振荡对人体及动物无伤害），通过陶瓷雾化片的高频谐振波，将液态水分子结构打散而产生自然飘 逸的水雾，再通过小风扇把雾从底部吹向出口，使空气湿润并伴生丰富的负氧离子，能清新空气，增进健 康，营造舒适的环境。本次设计应用 24V 继电器开启超声波雾化器，调节空气湿度。[5]超声波雾化器硬件电 路如图 6。
    图 6 超声波雾化器硬件电路 2.6 LCD1602 显示模块 LCD1602 是一种常用的工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。LCD1602 液晶显示的原理 是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出图形。LCD1602 是一种工业字符型 液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了 160 个 不同的点阵字符图形，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值。1602 采用标准的 16 脚接口。硬件 电路结构见图 7 所示。以引脚功能见表 1。 图 7 LCD1602 引脚电路图 表 1 LCD 1602 引脚功能表 3.智能家居系统的软件设计 智能家居系统的设计及制作是基于 ATmega328 单片机开发的，它构建于开放原始码 simple I/O 介面版， 并且具有类似于 Java、C 语言的 Processing/Wiring 开发环境。Arduino IDE 基于 processing IDE 开发。 对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Arduino 语言基于 wiring 语言开发，不需要太多的 单片机基础、编程基础，简单学习后，即快速的进行开发。对于绝大多数模块的使用，可直接调用其标准 的库函数即可。 本次编程主要工作即驱动各模块进行工作。设置判断条件，对当前环境进行判断，达到判断标准，触 发其他模块进行工作。主要模块库文件“dht11.h”，“lcd1602.h”，“Servo.h”等库函数调用即可。 程序即对当前几个环境值进行检测，当满足一定判断条件或情况时，则产生相应的设备开启或关闭， 以调节居住环境达到舒适的状态。电路上电之后，系统会进行初始化，其中包含对各个功能模块的初始化。 然后系统会对要检测的几个环境值进行检测，实现对应的功能。 我们将光电管安装在床头，只要挥手，光电管就可检测到触发信号，打开小夜灯。再次挥手，就可再 次关闭小夜灯。烟雾报警器开始检测环境中 C0、甲烷、煤气等易燃气体，如果气体超标，就会触发系统的
    蜂鸣器报警。当室外下雨时，雨水滴在检测板上，雨滴传感器会反馈一个低电平信号。单片机收到低电平 信号，将控制舵机转角 90 度，收回衣架。检测板中雨水晾干，又恢复高电平状态，晾衣杆将转回至 0 度。 处于晾晒的过程中。温湿度传感器检测开始检测室内温度和湿度，返回两个模拟值，程序当中设定标准值 与其比较，当温度高于此标准值或湿度过高时，会通过继电器去打开排风扇降温或排湿。湿度过低时，将 打开超声波雾化器，增加空气湿度。并通过液晶屏显示室内此时温度湿度情况。最后通过光敏电阻检测的 室外的亮度。根据亮度返回一个模拟值给单片机，单片机根据反馈的模拟值，通过输出 PWM 波来控制室内 照明的亮度。可以适当补光，达到节能的作用。程序流图如 7 所示。温湿度报警器子程序如图 8 所示。 图 7 总程序流程图 图 8 DHT11 程序流程图 4. 功能模型实现图 功能模型插上电源后，所有功能开始工作，此处以温湿度调节功能为例进行简要功能叙述。DHT11 温湿度传感器初始化后，开始检测环境温度与湿度。在程序内已设置好判断标准，温度湿度与相应标准进 行比较，一旦温度过高，芯片会通过继电器，打开直流风扇工作。如图 9。同理，检测到的湿度值与标准进 行判断比较，如果低于判断的湿度标准，即判定空气干燥。控制芯片通过继电器控制超声波雾化器，进行 增湿工作，如图 10。同时 LCD1602 会显示当前的温度值与湿度值。如图 11。
    图 9 直流风扇工作图 图 10 超声波雾化器工作图 图 11 LCD1602 工作状态 5.结束语 本文设计的智能家居是基于 arduino uno 主控板上开发。其包括小夜灯控制模块、智能晾衣杆、室内 智能照明系统、温湿度调节系统、火灾及易燃气体检测系统多个家居功能。同时，配合指纹解锁模块、NRF 通信模块、门禁控制器、网络摄像机等安防产品可组建成更完善的智能家居系统。本系统具有控制方式多 样灵活、模块功能可扩展性强、设备操作简单易行等优点，适合家庭、教学、实验开发等多个领域。 参考文献： [1] 冯凯,董世华.智能家居的由来及其发展趋势[J]. 中国新技术新产品,2010(6):7. [2]程晨. Arduino 开发实战指南[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012. [3]孙良彦，国外湿度传感器发展动态[J]，传感器技术， 1996, 38(5): 2-3 [4]陈启锐.浅析步进电机的工作原理［J］.科技向导,2011(35):101. [5]刘志强，罗庆生。种智能化温度检测系统的设计[J].中国测试技术， 2003，29(3): 95-98
    [6]陈杰,黄鸿.传感器与检测技术［M］.2 版.北京:高等教育出版社,2010.
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