《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第4期
崔 陽(yáng), 張維華, 白云峰
(哈爾濱理工大學(xué) 電工電子教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中心,,黑龍江 哈爾濱150080)
摘要: 介紹了一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng),利用Arduino作為主控系統(tǒng), 結(jié)合傳感器技術(shù),、GSM通信技術(shù)、語(yǔ)音控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境中的溫濕度、空氣質(zhì)量,、照明設(shè)備、家電設(shè)備等的智能控制,。該系統(tǒng)具有無線控制的功能,,操作方便,成本低,,適合大量推廣使用,。
中圖分類號(hào): TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)04-0123-03
Intellectual home control system based on Arduino
Cui Yang, Zhang Weihua, Bai Yunfeng
Teaching and Training Center of Electrical and Electronics Engineering, Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,,China
Abstract: Introduces the design and implementation of intellectual home control system based on Arduino.The system is controlled by Arduino syetem. Using a combination of sensor technology, GSM communication technology and speech control technology to achieve the intelligent control of environment temperature and humidity, the quality of atmosphere, lighting equipment and household appliances in house. The system is controlled wirelessly, operated easily and at low cost, so it is suitable for popularization.
Key words : Arduino; intellectual home; wireless control

    1984年世界上第一幢智能建筑在美國(guó)康涅迪格州出現(xiàn),。它將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)中進(jìn)行集中的或異地的監(jiān)視,、控制和家庭事務(wù)性管理,,并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)[1]。如今這種建筑正成為都市人青睞的家居體驗(yàn)方式,。
 2003年以來,,海信、清華同方等公司也相繼加入到智能家居行列,,但目前的智能家居系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一明確的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),,許多公司開發(fā)出的產(chǎn)品都是基于自己組建的網(wǎng)絡(luò)和信息交換協(xié)議,很多產(chǎn)品是針對(duì)特定的組網(wǎng)環(huán)境開發(fā)的,,部分核心技術(shù)沒有對(duì)外公布,,技術(shù)復(fù)雜,直接導(dǎo)致了使用范圍的局限性,。由于缺乏對(duì)應(yīng)的第三方產(chǎn)品,,各個(gè)接入設(shè)備之間不能兼容,,互操作性差,不利于產(chǎn)品的擴(kuò)充,。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    以電子系統(tǒng)為核心的家居系統(tǒng)是未來智能家居的發(fā)展趨勢(shì)[2],本文介紹一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng),。建立智能家居控制系統(tǒng),硬件是關(guān)鍵和基礎(chǔ),,它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、控制和反饋的準(zhǔn)確性、節(jié)能性都有直接影響[3],。智能家居控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括Arduino控制器,、傳感系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng),、語(yǔ)音播報(bào)部分和液晶顯示等,。其中,傳感器部分由溫濕度傳感器和氣體傳感器三部分組成,,用以檢測(cè)室內(nèi)溫濕度及有害氣體,。無線控制部分由GSM和無線語(yǔ)音控制模塊兩部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

1.1 Arduino 控制器
     Arduino是一個(gè)開源的單片機(jī)電子設(shè)計(jì)平臺(tái),,硬件部分由Atmel AVR單片機(jī)、I/O接口及相關(guān)電路組成,,軟件部分則包括標(biāo)準(zhǔn)的程序編譯器和程序下載器,,具有使用類似Java和C語(yǔ)言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境[4]。相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī),,Arduino的特點(diǎn)主要包括免費(fèi),、開源的IDE,開源的硬件(包括原理圖和PCB圖),,所有資源都可以免費(fèi)下載,,并且可依需求自己修改,方便與傳感器及各式各樣的電子組件連接,。本系統(tǒng)的主控制器采用 Arduino Mega2560,。Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板,核心是ATmega2560單片機(jī),,同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出),,16路模擬輸入,4路UART接口,,一個(gè)16 MHz晶體振蕩器,,一個(gè)USB口,一個(gè)電源插座,,一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕,??刂瓢逋ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)USB線纜與電腦連接,,便于在線進(jìn)行程序調(diào)試[5],。
1.2 無線語(yǔ)音模塊
  無線語(yǔ)音采用YS V0.7模塊,其核心是LD3320語(yǔ)音識(shí)別專用芯片,如圖2所示,。模塊將LD3320芯片與周圍必要的容阻件集成在一塊PCB上,,將LD3320的芯片管腳通過2×20的排針引出,方便用戶在面包板或者標(biāo)準(zhǔn)DIP40插座等設(shè)備上對(duì)LD3320芯片進(jìn)行快速開發(fā),。模塊主控MCU是51內(nèi)核的單片機(jī)STC90LE52,電源設(shè)計(jì)采用的是LM1117-3.3芯片,,為L(zhǎng)D3320提供3.3 V電壓。將主控MCU的管腳連接到LD3320模塊的排針上,,同時(shí)給LD3320模塊提供合適(4 MHz~48 MHz)的晶振信號(hào),,在主控MCU中編寫程序進(jìn)行LD3320的語(yǔ)音識(shí)別。

1.3 GSM模塊
    目前,,國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始使用的GSM 模塊有Falcom 的A2D系列,、Wavecome 的WMO2 系列、西門子的MC39i系列,、愛立信的DM10/DM20 系列,、中興的ZXGM18 系列等,這些模塊的功能,、用法差別不大[6],。本設(shè)計(jì)GSM控制部分采用MC39i模塊,MC39i是西門子公司推出的新一代雙頻 GSM/GPRS通信模塊的無鉛產(chǎn)品,,其簡(jiǎn)潔的封裝是很多應(yīng)用系統(tǒng)中無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案,,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、語(yǔ)音,、SMS和FAX各個(gè)方面的應(yīng)用,,且功耗低,為用戶提供了永遠(yuǎn)在線,、高速度,、更簡(jiǎn)單的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信接入手段,通過獨(dú)特的40腳的連接器(ZIF)實(shí)現(xiàn)電源連接,、指令,、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)及控制信號(hào)的雙向傳輸,。GSM是具有電話報(bào)警功能的監(jiān)控系統(tǒng),,系統(tǒng)利用GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)房屋進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的房屋內(nèi)有危害情況時(shí),,通過GSM模塊給用戶發(fā)送短信告知用戶,。同時(shí)可以利用GSM模塊對(duì)電器進(jìn)行控制,。
1.4 傳感器模塊
1.4.1 溫濕度傳感模塊

    溫濕度傳感系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感模塊,外形及原理圖如圖3所示,。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,,采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件,,可與高性能單片機(jī)相連接,達(dá)到檢測(cè)環(huán)境溫濕度的目的,,具有品質(zhì)卓越,、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng),、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn),。

1.4.2 氣體傳感模塊
    氣體傳感系統(tǒng)采用MQ-2氣體傳感模塊,原理圖如圖4所示,。MQ-2傳感器是基于QM-NG1探頭的氣體傳感器,,采用MQ-2型氣敏元件,可以迅速,、靈敏地檢測(cè)到空氣中的煙霧以及甲烷氣體,。通過3P傳感器連接線直接插接到Arduino傳感器擴(kuò)展板上,結(jié)合蜂鳴器模塊與繼電器模塊,,實(shí)現(xiàn)煙霧報(bào)警,、甲烷泄露報(bào)警和自動(dòng)煙霧排風(fēng)等功能。

1.5 液晶顯示模塊
    液晶顯示采用LCD1602B模塊,。LCD1602B字符型液晶模塊是一種用5×7點(diǎn)陣圖形顯示字符的液晶顯示器,,根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個(gè)字、2行16個(gè)字,、2行20個(gè)字等,。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    利用溫濕度傳感模塊、氣體傳感模塊對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè),,將采集量和設(shè)定的預(yù)設(shè)置進(jìn)行比較,,并將檢測(cè)結(jié)果反饋到Arduino中央控制器,從而控制風(fēng)扇,、排氣扇等家電設(shè)備,,自動(dòng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié);利用語(yǔ)音控制模塊對(duì)Arduino中央控制器發(fā)送命令,,實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的無線語(yǔ)音控制,;通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信控制家電功能;利用液晶模塊顯示出各部分信息,,通過語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行外部通信,。通過以上系統(tǒng)之間的聯(lián)系與通信,,實(shí)現(xiàn)整套家居的智能控制系統(tǒng)。
    系統(tǒng)軟件采用Arduino IDE 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì),,調(diào)試完成后下載到Arduino Mega2560 控制器中運(yùn)行,。系統(tǒng)程序運(yùn)用C語(yǔ)言編寫,結(jié)合一些主要函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的功能,。程序由系統(tǒng)主程序,、初始化子程序,、語(yǔ)音控制子程序,、GSM控制子程序、傳感器檢測(cè)子程序等模塊組成,,系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示,。

 

 

3 系統(tǒng)的功能
    (1)語(yǔ)音YS V0.7模塊通過對(duì)照識(shí)別人語(yǔ)言中的敏感詞,經(jīng)過藍(lán)牙向Arduino中央控制發(fā)出特定字符,,中央控制器通過處理接收到的字符,,控制外部模塊。
    (2)將已準(zhǔn)備好的電話卡,,插入GSM模塊的卡槽里,,當(dāng)成功識(shí)別所插入的卡后,指示燈會(huì)有規(guī)律地閃爍,。這時(shí),,通過手機(jī)向GSM模塊發(fā)送帶有特殊符號(hào)的短信,模塊會(huì)自動(dòng)識(shí)別字符從而控制繼電器的工作,。如:向GSM發(fā)送“on”,,則GSM控制繼電器,打開開關(guān);發(fā)送“off”則關(guān)閉開關(guān),。
    (3)DHT11溫濕度傳感模塊,,通過不斷地對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè),將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制器,,中央控制器處理得到數(shù)據(jù)后,,將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602B液晶顯示模塊上。實(shí)時(shí)將溫度與設(shè)定溫度閾值進(jìn)行比較,,超過閾值時(shí),,自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇,調(diào)節(jié)溫度,。
    (4)將MQ-2氣體傳感模塊直接插接到Arduino傳感器擴(kuò)展板上,。當(dāng)檢測(cè)到的有害氣體達(dá)到設(shè)定閾值后,蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲,,同時(shí)Arduino控制引腳的電平,,形成電位差使排氣扇開始工作,。
    經(jīng)過試驗(yàn)證明,基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,。采用無線模塊,,溫濕度、危險(xiǎn)氣體等采集感應(yīng)模塊,,液晶及語(yǔ)音輸出設(shè)備等主要的功能性部件,,構(gòu)建了一套智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)具有語(yǔ)音及GSM短信控制家電,、煙霧防火報(bào)警等功能,,采用液晶顯示及語(yǔ)音播報(bào)反映環(huán)境溫濕度及自動(dòng)判斷外部環(huán)境、自動(dòng)處理異情的功能,;采用無線模塊起到無線控制功能,,方便操作,適用于現(xiàn)代家居小區(qū),,更適合行動(dòng)不便的老人家庭,,具有巨大的推廣使用價(jià)值和開發(fā)潛力。
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