基于Arduino 的智能家居控制系统设计

熊力维

引言

随着经济和技术水平的提高，以及近年来自动化控制技术、网络通信技术，以及计算机技术的迅猛发展，除工业各领域实现智能化和自动化，在家居生活方面，对智能化和自动化的要求也逐渐提高。尤其在智慧城市和物联网技术逐渐兴起的今天，智能家居控制系统能够实现实时监控和控制生活环境，为人们营造更为舒适和安全的环境，提高生活质量的同时，增加了安全可靠性，同时节约时间和资金成本。设计、普及和推广智能家居控制系统显得尤为必要。

一、系统总体设计方案

（一）中央处理系统

Arduino开发板，有其独特的开源性，能够较为便利地进行硬件的二次开发，通过接入其他电子元器件，如输入信号的各种传感器，通信模块，用来显示的模块，输出控制设备，以及其他外围设备，实现客户需要达到的控制要求。本设计的控制核心采用Arduino开发板。它是基于一种Simple I/O平台，可开放原始代码，同时采用类似于C/C++或Java 的语言开发环境，可快速掌握Flash、Processing和Arduino语言[1]，实现各种创新的作品，尤其是近几年又推出了一种可视化的设计手段，可以在硬件开发之前使用仿真手段进行验证，使得开发的门槛降低。因此，笔者选择Arduino开发板，配合其各种扩展板、传感器，能够很好的实现智能家居的设计开发。

图1 Arduino主板实物图

（二）智能家居系统

本设计将一系列传感器分别安置在房间的各个角落，例如用烟雾、火焰传感器与温控器来检测厨房烧菜时的情况，用温湿度传感器来检测卫生间的渗水情况，用气体、雨滴传感器检测外部的天气情况，并据此考虑房间的通风问题，光照传感器用来检测采光情况，并据此考虑窗帘是否关闭，屋内是否需要开灯等等。将采集到的数据汇总后，由Arduino处理器进行运算处理，然后驱动执行机构运作，如电动机负责窗帘的动作，LED灯负责照明，蜂鸣器负责报警。这些传感器全天候地根据周围环境的变化实时采集数据，反馈给中央控制系统，改变执行机构的运行状态，从而形成一个闭环的控制系统[2]。

图2 智能家居构想示意图

（三）总体设计方案

总体设计以Arduino开发板作为控制器，即中央控制系统，通过各种传感器、检测模块实现采集、检测周围环境的变化和用户的动作，经由无线的方式发送给系统，系统处理之后，驱动各执行机构发出响应。为了更好地改善用户的体验，我们将收集的数据传送至用户终端，并在终端控制系统上设置语音执行模块，以方便用户发送指令。

图3 系统设计方案

二、硬件设计部分

该系统的硬件部分除了Arduino控制器之外，还采用了一些传感器和执行部件。

图4 硬件部分仿真效果

（一）光照传感器

光照传感器的功能是光照强度的检测，将检测到的光照强度值转化成电压值。本设计中，该传感器的作用是用于检测外界光线强度，然后发送信号给中央控制器，以决定是否需要点亮屋内的LED灯以及驱动电机控制窗帘的打开与关闭。

（二）温湿度传感器

温湿度检测采用温湿度一体化传感器，更节约成本，它包括检测模块探头和数字化处理电路两部分，探头利用数字集成传感器制作，数字化处理电路，可将检测到的模拟量数据转换成对应的标准模拟信号，如0～10V电压信号或4～20mA电流信号等，实现温度和相对湿度的数据采集。本控制系统的设计中，这类传感器主要安置在厨房、卫生间的环境中，用于检测厨房做饭时的温湿度和卫生间使用时的温湿度变化，如果出现异常则驱动蜂鸣器发出报警信号。

（三）火焰传感器

火焰传感器，通过红外线来接收检测火焰亮度，转化成电平信号，火焰大，亮度高，转化成高电平，火焰低，亮度低，转化成低电平。中央处理器通过输入端采集此高低电平信号，再经程序执行和处理。本设计中用来检测厨房烧菜时火焰过大的异常情况。

（四）烟雾传感器

烟雾传感器即烟感报警器，俗语烟雾报警器，通过空气中烟雾的浓度来判定现场环境的安全性。当空气中烟雾浓度大于标准值时，烟感报警器发出报警，提醒用户房间烟雾浓度超标，其被各种消防报警系统广泛运用，该传感器除了厨房以外，还可以安置在客厅，卧室等其他房间。

（五）伺服电机

执行机构采用定位精准的伺服电机，用来控制窗帘开关的速度，将电压或电流信号转换成转矩和转速，即把电信号转换成电动机转子上的角位移或角速度输出，从而驱动被控制对象。由于伺服电机转子转速能够实时受控输入信号，并及时作出反应，将其作为执行元件，具有线性度高、滞后时间常数短等特性。

（六）LED灯

LED指示灯即发光二极管，将电能转换成光能，属于一种固态半导体器件。本设计利用Arduino 开发板的 PWM脉宽调制功能，通过控制半导体器件的通断，输出占空比可变的脉冲波形的原理[3]，改变逆变电路输出电压的大小和输出频率，从而使LED灯的亮度能够自动调节，对用户的视力起到保护作用。

图5 PWM原理图

（七）蜂鸣器

蜂鸣器常用于洗衣机、复印机、定时器、汽车电子设备、报警装置等，将电信号转换成声音信号，是一种一体化结构的电子讯响器，在本设计中用于传感器收集到异常信号时的报警装置。

三、软件设计部分

在进行硬件的连接之后，软件工作的主要内容是读取各个传感器的信号，送入Arduino进行算法处理，然后根据处理的结果控制执行结构产生响应。笔者在正式的硬件方案实施之前，先采用Proteus软件进行硬件的仿真，并结合最新的可视化设计手段，如图6所示，设计流程清晰，并能调用传感器自带的函数（俗称“方法”）进行设计[4]，屏蔽了接口上的诸多细节，使得软件的开发效率更高。

图6 可视化设计

在以上可视化设计中展示了部分软件设计，包括调用温湿度传感器的方法readTemperatue()和readHumidity()函数读取当前环境的温度和湿度模拟值，将其转换为相应的数字信号，同时用光照传感器中的readLuminance()方法读取当前的光照强度，将上述传感器获得的数值分别保存在变量t、h和Lux中，然后将获取的参数与用户预先设定的阈值做比较，一旦超过阈值，将蜂鸣器置位ON，LED灯置位ON，控制电动机正转带动窗帘打开。如果读取的数值没有超过用户设定的阈值，则将蜂鸣器设为OFF，LED灯设为OFF，电动机反转带动窗帘关闭，直至相应的限位停止运行。用户可以随时改变阈值来修改执行机构的执行条件，达到适合用户的要求为止。

四、展望

此控制系统以Arduino为核心，接入各种传感检测装置，充分采集环境的各种变量，设计方案相对简单，能够满足大多人群需求，如果有更高智能控制的要求，可以进行个性化的定制设计。例如，想要知道当前房间中有多少人，可增加红外传感器，通过检测人体体温信号感知当前房间里活动的人员数量等等。

随着现代新兴技术的飞速发展，智能家居控制将占据越来越大的市场，将基于Android控制的系统，在其终端开发成APP，便于用户随时监控并操作，甚至加入语音识别功能，AI学习功能等，根据用户个人喜好，满足用户工作和生活上的需求。