基于Arduino智能家居设计

基于Arduino智能家居设计研究

                                             宿城一中  唐亿

摘要：该作品是对一室一厅内智能家居控制进行创新设计。控制板采用Arduino uno r3，处理常见的蓝牙模块、光敏、温湿度、热释红外传感器等采集的数据，更改传统的声光控路灯的声控为检测人的活动，通过程序可以分清有人、无人、睡着、翻身及起床的动作，配合光线的强弱控制相应电器；自动检测家中温湿度及煤气值，启动相应的控制；采用手机APP方式，一方面可以检测家中情况，另一方面可以对家中电器进行单独控制。

关键词：智能家居、Arduin控制、光线、红外传感器、蓝牙模块

近年来，物联网概念早已深入人心，并随着信息技术、传感器技术、通信技术、互联网技术的发展逐渐触及到社会的每一个角落。所谓物联网，就是人们可以通过各种信息传感器，按约定的协议，把任何物品通过物联网域名相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。目前，传感器网络已经广泛应用于军事、安保、环境监测、智能交通、智能家居、工业控制等领域。本项目就是基于物联网技术的一种智能家居的设计。

一、项目起源

在苏教版通用技术必修课《技术与设计1》第一章第三节 “技术的未来”中提到一个案例分析：无线家庭一天的无线生活，大意就是家中所有的的设备都连上了无线网络，通过手机或平板电脑一方面可以监测家中各种情况，另一方面可以控制家中电器等等。结合我校Arduino创客兴趣辅导班的学习，这属于智能小区、智能家居控制的一部分。利用我们在Arduino中学习的知识，经过研究及设计，可以制作并实现其功能。由此，我们构思了这个作品。

二、项目概述

采用开源的Arduino uno作为主控板，利用光敏电阻、温湿传感器、有害气体传感器、人体红外感应模块等传感器监测房间的光线强弱、家中的温度和湿度、有无有害气体泄漏、家中有无人等信息，这些信息一方面可以通过GSM/GPRS模块发送手机上，另一方面可以通过网络扩展板上传到服务器中，并通过手机或网络远程对相应的电器进行控制。因为时间关系，现在本项目远程监测及控制放到后续的改进中实现。目前，仅对一室一厅内智能家居控制进行创新设计，首先监测家中有无人，配合光线亮度监测，如果天黑回到家中，照明灯可以自动打开；如果人离开了或晚上睡着了，打开的电器的电源可以自动关闭；晚上如果人要起床，则夜灯自动开启；家中如果有煤气泄漏则报警；如果监测到温度、湿度偏离正常值，并且家中有人的情况下，则自动启动温度、湿度控制器进行调节，达到预定值时自动关闭。

三、作品功能：

1、手机安装蓝牙app控制软件，可以控制四路继电器的开关，四路继电器可以分别接室内大灯（照明）、夜灯、空调、电视等（根据需要）

2、客厅热释传感器检测人的活动，回到家中，如果光线暗（即天黑），系统自动打开照明灯，其他需要打开什么电器用手机蓝牙或单独的开关

3、如果人走了（或睡着了），则系统自动关闭所有的打开的电器

4、卧室里热释传感器监测，如果人醒了可以自动开启夜灯，睡着自动关闭

5、Mq-2烟雾传感器（模拟煤气）可以检测环境，如果煤气等含量超标，则发出报警声

6、温湿度传感器监测家中温度湿度，如果偏离正常值，并且人在家时，则自动启动空调等

7、1602LCD可以显示当前日期、有害气体含量、温湿度等信息

四、硬件构成

Arduino uno 主控板、蓝牙模块、红外热释传感器、光敏电阻、mq-2烟雾传感器、温湿度传感器、有源蜂鸣器、多路继电器。（图1）

五、软件概述

Arduino编程环境Arduino IDE，是建立在C/C++基础上的，使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境，其实就是基础的C语言，不过把AVR单片机相关的一些参数设置都函数化了，让我们不用去了解它的底层，很容易上手。只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。（图2）

六、作品各功能实现研究

1、Arduino uno主控板（图3）

Arduino是由意大利科技学院的几名教师开发的一款便捷灵活、方便上手的开源电子平台，现在不仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的软件开发平台，更是软硬件开发的趋势。简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，缩短了开发的周期。硬件能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境等，软件即可以利用类似Java、C语言进行编译下载，也可以 借助专门给Arduino编程的流线形图形化软件，无需任何编程背景，只需拉拽选择模块，设定参数，便能轻松地快速地完成编程。因此被广泛应用于物联网、智能家居、机器人、3D打印机等的制作上，已经成为创客们进行创客的得力开发工具。本设计就是采用Arduino uno r3 主控板。

2、光线强弱监测（图4）

采用学校楼道间声光控路灯使用的光敏电阻，是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5MΩ。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1KΩ以下。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。光敏电阻的这种特殊性能，在光线监测方面得到极其广泛应用。本设计就是采用光敏电阻和1K电阻串联，根据电阻分压原理，光线越暗，光敏电阻两端的电压越大，光敏电阻的分压值通过Arduin的模拟端口A0读取。因为，Arduino控制器板载工作电压是5V，A/D转换是10位的，2的10次方是1024，因此，从模拟端口读取的值是0-1023（对应0-5V电压），天黑的数值可以根据环境及个人判读，利用程序控制灯的开关。

3、家中有人的监测（图5）

本设计采用一般红外线报警器用的红外热释传感器，是基于红外线技术的自动控制产品，主要是由一种高热电系数的材料，在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10米范围内人的行动。本系统根据需要在客厅控制照明灯及在卧室控制夜灯，所以采用二个传感器。

4、有毒气体的监测（图6）

MQ-2烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当烟雾传感器所处环境中存在可燃气体时，烟雾传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该烟雾传感器气体浓度相对应的输出信号。烟雾浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号越大。本模块的模拟端口可以输出煤气的值，同时数字端口输出低电平，用于有煤气泄漏时进入煤气中断函数处理。具体选取的报警阈值可以实际监测有、无煤气的数值，然后通过传感器板载的电位器进行调整。

5、温湿度监测（图7）

DHT11数字温湿度传感器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，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。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位单片机相连接。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。本系统中通过模块检测的家中的温度、湿度一方面在显示屏上显示，另一方面控制家中空调及加湿机工作。

6、手机蓝牙控制的实现（图8）

蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA板，用于短距离无线通讯，蓝牙支持点对点以及点对多点的通信，以无线方式将家庭或办公室中的各种数据和语音设备连成一个微微网，几个微微网还可以进一步实现互联，形成一个分布式网络，从而在这些连接设备之间实现快捷而方便的通信。本系统采用BT-HC50模块，该模块主从一体，我们使用从机，采用串口的透传模式，可以当无线串口的用。随着通信、网络技术的发展，手机已经成为人们不可缺少的工具。手机有可能取代不少电器的功能，如电视、电脑、遥控器等，本系统设计就是利用手机的蓝牙功能控制所有电器的开、关功能。

7、照明灯自动开启的实现（图9）

继电器是一种电控制器件，一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中有一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁会在电磁力吸引的作用下克服弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。线圈断电后，电磁力消失，衔铁会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样的吸合、释放，从而达到电路的导通、切断的目的，实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“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。本系统中控制灯、空调、电视的开关就是利用多路继电器模块。

照明灯自动开启的实现首先是天暗到一定程度，并且热释传感器检测到有人 ，Arduino控制板相应引脚输出高电平，使控制照明灯的继电器吸合，打开照明灯电源。

8、人走或睡着后自动关闭的实现（图10）

家中无人或睡着后，人体红外热释监测不到不到信号，采用按键消抖的方式，延迟两分钟后再监测一次，如果还处于无人的状态，则控制继电器所有电源。

夜间起床的判断：如果是夜间简单的起床翻身动作（0.5s），时间很短，利用延迟函数，系统不产生动作；当真正起床时（1-2s），则系统自动打开夜灯。

9、1602LCD显示功能的实现

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。Arduino控制板IO口只有20个，为了节省端口，可以采用LCD1602- IIC/I2C/接口转接板，只需2个端口就行了。

七、系统电路图、布线图（图11）

控制板安装在靠门处，方便一进家门就可以从1602中可以了解家中温度、湿度、空气质量等信息。两个热释传感器分别安装在客厅和卧室靠近天花板的墙上中，距地面高度约2米，使其向前下方倾斜，以获得较高的灵敏度，同时调节其检测距离，避开家中宠物（狗、猫）使系统的误操作。

八、创新点：

1、现在智能手机应用很广，本设计首先利用手机的App程序代替传统方式对各种家用电器的开关的控制

2、利用现有的红外热释报警器的原理，检测家中是否有人（处于活动状态）

3、改进声光控的路灯，声音检测换成人的活动，控制的相应灯的亮

4、智能化的设计，如果人离开家了，则3分钟之内，所有打开的电器自动关机，避免人走而电灯还亮着的情况

5、有很多人喜欢在床上看电视、看书，如果睡着了，则2分钟之内自动关闭电视机和夜灯

6、晚上睡觉，如果夜间有事，则夜灯自动打开

7、自动检测家中环境情况（如煤气泄露、温湿度）等，如果超标，则报警并启动相应的控制设备

九、市场前景

本设计是在原家居控制的基础上进行的改造、整合，充分利用先进的单片机软件、硬件技术，初步实现了物联网功能，安装方便，价格便宜。二期后续设计可以所有信息上网，并通过手机远程监测和控制，还可以加入安防功能，使功能更加强大，具有非常广阔的市场前景。

参考文献：

1、Arduino完全实战  [美] 柯博文

2、Arduino社区论坛