基于Arduino的移动式智能家居系统设计

卢才林 冯博 刁鹏

合肥工业大学 安徽 合肥 230009

引言

随着计算机技术、网络技术、传感检测技术等诸多技术的快速发展，传统的家电行业正在发生变革[1]，除了传统的开关控制外，现在出现了红外遥控，语音控制、WiFi无线网络控制、甚至是现在和今后热点的物联网控制等多种控制方法。但是这几种控制方式中，语音控制不适用于长距离控制，WiFi无线网络控制与物联网控制等需要构建一个网络环境等，红外遥控现在应用较普遍，但需要每种家电对应的遥控器，且使用红外线控制不能有障碍物阻挡。总之现有控制方法移动性差，不便于整个家庭使用[2]。因此研究一款能够满足人们需求的智能家居系统，对智能家居实际研究方向具有重要意义[3]。

针对上述问题，本文提出了一种移动式智能家居控制系统。该系统采用Arduino控制智能家居控制平台的移动、外接传感器感知室内环境。同时，搭载Android系统的控制器和相关部件使便捷控制智能家电及红外控制类家电成为可能。由于系统的可移动性，用户可以控制家庭中任意位置的电器，系统上搭载室内环境检测的传感器，在系统可移动的情况下，用户可以更清楚地了解住所各个部分的环境状况。

1 系统架构

1.1 机械设计

本文设计的系统由底板、驱动轮、马达、Arduino UNO、电源等部分组成，模型如图1所示，底盘直径为300mm，隔板与底板均采用亚克力板，降低重量增加结构强度，相应隔板间用铜柱刚性连接，Arduino UNO和电源分别布置在中间隔层，为布线方便，各隔层板上设置有若干走线孔。为平衡重心，设置四个万向轮。

1.2 功能模块

本系统的从功能上可以划分为3大模块：行进模块、室内环境检测模块和家居控制模块。

行进模块，用于整个装置移动，在行进的过程中可实现转向、避障等功能。配合室内环境检测模块检测家庭环境；配合搭载的智能家居控制模块控制家电。

室内环境检测模块，利用传感器检测室内温湿度、气体浓度等指标。检测项目数值超出设定阈值时，会进行警报，提示居民注意室内环境信息。

家居控制模块，对多款智能家居电器和一些红外遥控的非智能家电进行控制。

2 系统硬件设计

家居控制系统由两个控制中心组成，实行多控制中心控制实现控制互不干扰。其移动式平台采用硬件式结构，以Arduino为控制核心控制其进行移动，Arduino同时也作为室内环境检测模块的控制核心。家居控制模块以装载了Android系统的平板电脑作为控制核心控制集成式家居控制器。

2.1 移动控制平台

移动控制平台以Arduino UNO为控制核心。Arduino UNO本身封装使用RISC结构的8位单片机、存储器和其他外围设备，Arduino UNO有20个I/O引脚，且有6个引脚有A/D转换与PWM等特性，具有高速运行处理能力，且具有串口等通讯接口，满足我们设备的使用需求[4-6]。设计Arduino UNO作为行进模块的核心，同时将前行与转向两者分离。设置超声波测距传感器，防止在行进时与障碍物相撞。此外，以Arduino为控制核心的移动控制平台可扩展性很强，用户可在Arduino UNO拓展红外控制模块、语音控制模块等。

2.2 室内环境检测模块

Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境。该系统的室内环境检测模块以Arduino UNO为控制核心，温湿度传感器和烟雾传感器分别与Arduino UNO相连。传感器将检测到的数据送入Arduino UNO，通过外设LCD显示项目检测数据，超出检测数值阈值是蜂鸣器发出警报。

2.2.1 温湿度检测。室内温湿度检测采用DHT11数字温湿度传感器。该复合传感器应用专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，将检测到的温湿度模拟量信号转化为数字量输出。该传感器内部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，有利于提高产品长期稳定性和可靠性[7]。

温湿度检测功能分4个方面来体现，分别是温度上下限值警报，湿度上下限值警报。

温度上限值警报即将DHT11与Arduino开发板相连接，使DHT11采集到的温度信息发送给Arduino开发板，与设定的门限值上限比较，超出限定数值即发出警报。温度下限值警报与温度上限值警报原理相同。DHT11不能利用单一数值进行比较，因此在Arduino内部需同时设置温度上下门限值，超出任意阈值即发出警报。

湿度上下限警报与温度上下限警报原理相同。一般设置上限警报值为最大允许值的90%，下限警报值为0或允许值的10%。

2.2.2 室内空气质量检测模块。室内空气质量检测采用MQ-2烟雾传感器，这种电阻传感器对不同种类、浓度的气体有不同的电阻值，因此通过一定的电路就可将电导率的变化转换成与该气体浓度相对应的电信号输出。

MQ-2烟雾传感器的应用范围极广，在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。在本文所述的家居控制系统中用于测量室内空气液化气和一氧化碳等气体的含量，这些气体在空气中的浓度超出一定数值则可能会对人体产生危害，如二氧化碳浓度过高时则会引发头晕等症状。在该室内环境检测模块中设置这些气体浓度的阈值，MQ-2对相应气体的浓度检测数值超出阈值时，Arduino会向蜂鸣器发送警报信号，提示居民注意[8]。

MQ-2测量空气质量时，只需在Arduino的程序中设置烟雾的门限值。当室内烟雾浓度升高时，MQ-2检测烟雾浓度，并将检测数据传输到Arduino中与门限值进行比较，当检测数值超出阈值会触发警报。

3 系统实现

3.1 行进模块

行进模块实现整个系统的移动性能，可由用户控制系统移动。在日常家居生活中，因障碍物导致家电控制困难，此时通常需要人们走近家电进行操控。而该系统则可借助移动模块，使用户控制平台移动，对整个家庭中的电器设备实现操控。由于平台的可移动性，室内环境检测模块能更为完整地检测家庭环境，使用户能更清楚地了解家庭中各部分的环境。

3.2 室内环境检测模块调试

室内环境检测模块检测室内温湿度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度等指标。

3.2.1 温湿度传感器调试。Arduino UNO具有功能强大的串口通信接口，可以通过Arduino IDE（IDE是计算机中的程序开发环境，可以在Windows、Macintosh OS（Mac OS）、Linux三大主流操作系统上运行）进行程序的编纂，通过通用串行总线将程序烧录进Arduino UNO[9]，连接好与DHT11的电路，打开电源即可执行相应的程序。调试步骤如下：①使用Arduino IDE进行开发板的选型，选择Arduino UNO；②在Arduino IDE中编程，定义DHT11引脚状态；③在Arduino IDE中编纂程序，设置上下门限值；④对DHT11中程序校验成功后烧录进Arduino UNO。

DHT11数字温湿度传感器的VCC引脚为该传感器供电，与Arduino UNO的5V电源相连；Data引脚用于传感器与微控制器之间的通信，与Arduino UNO的数字引脚2相连；NC引脚不连接；GND为接地引脚，连接Arduino UNO的GND引脚。

此传感器测得的此时环境温度在24.00℃左右，测得的环境湿度在44.00%左右，DHT11温湿度传感器的采样周期为1秒即每秒读取一次环境温湿度的值。DHT11温湿度传感器的温湿度测试结果如图2中所示。

3.2.2 烟雾传感器调试。MQ-2烟雾传感器的调试原理与上述DHT11的调试原理相同。MQ-2烟雾传感器的VCC引脚为模块供电，连接到Arduino UNO的5V电源输出；GND接地引脚连接到Arduino UNO的GND引脚；DO引脚提供可燃气体存在的数字表示，连接到Arduino UNO的数字引脚3；AO引脚提供与烟气浓度成比例的模拟输出电压，连接到Arduino UNO的模拟引脚A0。

此传感器测得的此时空气质量AD值在466上下波动，平板电脑上显示的空气质量测试结果如图3所示。因为对于烟雾浓度的检测未达到设定值，如图2所示绿灯亮起，蜂鸣器也未发出警报。

3.3 家居控制模块调试

智能家居控制模块采用用途较广的Android系统，将装有Android系统的移动设备和家居控制平台构成功能齐全的系统，同时利用无线连技术对家庭内部的家电进行有效控制。

该智能家居控制模块功能表现为：①该智能家居控制模块作为智能家居控制的核心控制智能家电；②控制器通过万能遥控器操控非智能红外控制家电；③家居控制模块的无线网络与装有Android系统的手机相连，使用户可以使用手机远程控制智能家电。

4 结束语

本文提出了一种基于Arduino的移动式智能家居系统，设计了各个机构的具体功能。系统通过模块化设计使得智能家居控制成为可能。系统由两个控制中心（Arduino和Android 系统）配合实现。以Arduino为控制核心控制系统可进行定向循迹和避障式移动，同时利用外接的各种传感器实时采集家居各处的环境信息，及时反馈给Arduino，Arduino再将检测到的数据传入Android系统通过无线连接技术控制智能家电改善室内环境，用户也可以通过手机等设备对家中智能家电进行远程控制。该系统设计旨在满足一般家庭的使用需求。由于Arduino的开放性，该平台易拓展超声波避障、语音控制、手机蓝牙控制和红外遥控等多种功能。此外，该系统硬件设备简单可靠，成本较低。对研究智能家居控制及物联网等具有重要的参考意义。