基于Android的智能家居环境控制系统设计

蔺丽莉

（北京信息职业技术学院 北京 100015）

伴随着人工智能技术的快速发展，人们对智能化家居生活的需求越来越高。为满足人们对高品质生活的追求，智能化、舒适化的家居环境成为当今人工智能研究的热点。智能化家居环境控制系统首先能够实时监测环境温湿度数据，并且还能够根据业主对居住环境的个性化需求自动调节温度、湿度环境变量，最重要的是操作简单，可以满足不同职业和年龄的用户使用。

本研究设计出一种基于Arduino平台的智能家居环境控制系统。基于以上的控制要求，为保证居住环境的适宜度，其采用智能温湿度控制系统来控制室内温湿度，适宜的温度可保证室内住户的舒适度，足够的湿度可保证人们身体的健康度。

一、系统方案

本设计使用Arduino UNO开发板作为主控板来实现自动调节室内的温度和湿度两个功能。因此，根据上述控制要求，本研究制定了如图1所示的系统设计方案。其系统大致可分为三个部分：输入部分即数字温湿度模块、主控制部分即Arduino、输入部分即驱动部分和显示部分。整个系统的工作流程为：首先，利用温湿度传感器检测室内的温度与湿度值，将采集得到的信息输入到主控制器上。主控制器一方面将温湿度传感器检测信息发送到液晶显示屏实时显示输出，另一方面进行信号处理，即根据用户预先设计的温湿度值完成数据对比。其次，当用户不满足设定好的标准值时，其可以通过控制电路自动启动驱动装置工作进行调节，利用直流电机驱动风扇运转降低室内的温度，利用加热芯片加热升高室内的温度，利用加湿器增加室内的湿度，以达到预设的温度、湿度值，保持室内环境的舒适度。[1]该系统设计原理图如图1所示。

图1 基于Android的智能家居环境控制系统设计原理图

二、系统硬件构成及电路设计

（一）微处理器的选择

微控制器是控制系统的核心。本系统采用Bluno主控板，Bluno是一款相当于集成了蓝牙4.0通信模块的Arduino UNO开发板。UNO是一块基与开放原始代码的Simple i/o平台。其具有使用类似java，C语言的开发环境，可以快速使用Arduino语言与Flash或Processing等软件做出互动。Arduino可以使用开发完成的电子元件，如Switch或Sensors或其他控制器、L ED、步进电机或其他输出装置。Arduino也可以独立运作成为一个可以跟软件沟通的平台。例如，flash processing Max/MSP VVVV 或其他互动软件，Arduino开发IDE界面基于开放原始码原则，可以让人们免费下载使用开发出更多令人惊奇的互动作品。该装置同样使用了更强大的ATmega16U2替代8U2，或者说是之前版本的FTDI版。它允许更快地转换速度和更大内存，使得UNO R3版本在Linux或者Mac下不需要安装任何驱动程序。Bluno主控板具有14 路数字输入输出，6 路模拟输入，1 路UART接口，非常适合小型的输入输出接口控制的对象。相比基于无线智能家居等控制系统，其更适合居民家庭应用。[2]

（二）智能温湿度控制系统主要硬件构成

该系统的硬件构成如下表1所示。

表1 智能温湿度控制系统主要硬件构成

1. IO传感器扩展板 V7.1

该装置增加连接元器件的扩展板主要用于增加连接口数量，对需要连接多种传感器/舵机/其他元器件的设备，使用时方便扩展。其把Arduino的端口扩展成3P接口，直插3P传感器模块，14个数字口（6个PWM口），6个模拟口。IO扩展板的最大好处之一是大大扩展了控制板上仅限的几个电源接口和GND接口。如果连接多个传感器时，就不用担心会出现电源接口不够的情况。引脚定义如下图2所示。

图2 引脚图

2. DHT11 温湿度传感器

本设计采用DHT11温湿度传感器，用于检测周围环境的温度和湿度。其湿度测量范围20%～95%，湿度误差+5%～-5%；温度测量范围0°～50°误差+2°～-5°；工作电压在3.3～5V DC之间供电；信号传输形式是数字输出。

3. DC可调稳压电源板（3A）

其使用时，扩展板为该模块供电，调节电位器，输出电压就可以在1.25～30V调整，为负载供电。另外，如果当设备需要3～35V供电而手里没有对应的电源时，用这个模块就可以方便地把电压调整到所需电压，为人们解决困扰。该系统工作电压测试：做项目时可以使用本模块调试出各种电压，以便测试系统工作电压的范围。

图3 设计图

4. 5V带光耦隔离继电器模块

该模块带有光耦隔离，触发可靠、稳定，并且配有电源和继电器动作指示灯。该灯吸合亮，断开不亮。当信号输入端有高电平信号时，公共端与常开端会导通继电器可以直接控制各种设备和负载。

5. 液晶显示模块选择

本系统采用LCD1602液晶屏模块。该液晶显示模块是专门用于显示字母、数字元、符号等的点阵型显示模块。其采用了带背光电源控制的RGB的背光灯，不仅可以设置是否连接背光电源，还可以使显示屏显示出蓝、绿、灰三种颜色。液晶显示模块与微控制器通过I2C方式通信[3]，详细电路设计图如图3所示。

三、结束语

基于Arduino平台的智能家居环境控制系统不但实现了实时监控家居环境温度和湿度参数，而且能够根据用户需求自动调控室内的温湿度，满足了人们对智能家居的需求，有效改善室内环境的舒适度。本设计特别是采用Arduino UNO开发板作为主控板，使整个设计具有结构简单、低成本、温湿度参数设置方便、易扩展等优点，更适合居民家庭应用。其能够较好地实现智能家居远程控制，对其他智能家居设计具有一定的借鉴价值。