基于物联网的智能家居系统研究.docxVIP

?

?

基于物联网的智能家居系统研究

?

?

褚世文靳士博庞华天凌宸张燕

摘要：近年来，物联网技术逐渐发展，在智能家居系统中得到了越来越多的应用，其集成化程度却始终略显不足。该文从两个基本角度即照明与安全角度人手，通过单片机间相互通信及在云端进行信息统计，建立了一个操作简易、学习曲线平缓的智能家居系统，使得用户既可以让系统自主运行，也可以在移动端或PC端控制系统内的所有智能家具。

关键词：智能家居;单片机;ARDUINOUNO;模块系統

：TP212：A

：1009-3044（2020）22-0193-05

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

近年来，智能家居正在以其智能化、直观化、便捷化的优势被千家万户所接受。但在传统的智能家居系统中，组件与组件之间的、系统与用户之间的联系都稍显不足。应用物联网技术，使得用户能够用一台终端去控制家中的多个智能家居，才是智能家居发展的方向。

因此，本文设计了一种基于物联网技术，兼顾照明和安全两大重要需求的智能家居系统。在解决使用者基本需求的基础上，考虑到许多现有智能家居由于系统差异等原因，不能简单同时控制的痛点，利用ARDUINOUNO与云计算技术搭建了本系统，使用户的痛点得以解决。

系统结构如图1所示，以ARDUINOUNO为核心，WIFI为主要通信媒介，依靠多种传感器和两部分的执行机构来组成系统。接下来会依次介绍各部分的设计。

1照明部分

1.1灯具部分

1.1.1系统组成

智能家居系统中的智能灯具部分组成如图2所示，主要分为传感部分、控制部分与执行部分。传感部分主要由红外模块HC-SR501与光敏电阻传感器构成，用于监控是否有人活动以及室内光强的变化;控制部分采用ARDUINOUNO版本，在兼顾体积的同时提供足够的算力;执行部分则由单路12V电器与LED灯带构成，用于接收控制部分的信号并执行调节光强的任务。在三个部分中用到的模块与设计，以下将做详细介绍。

1.1.2传感部分

传感部分的第一个模块是HC-SR501人体感应模块，其基于红外线技术进行检测，使用LHI778探头，功耗较低，适合用于单片机系统;同时HC-SR501还可以通过改装获得自动光敏控制与温度变化补偿功能，检测更为精确，符合家庭使用“小空间、高精度”的需求。第二个模块是光敏电阻传感器模块，此次选用的是采用了LM393双路差动比较器的传感模块，通过电路设计，使其不仅能够通过DO端与继电器相连组成光控开关，还可以通过AO端与ARDUINOUNO相连，测量具体环境光强。

HC-SR501的结构如图3所示，输出为3.3V/OV的TTL信号，所以将其out端连接到ARDUINOUNO的digital部分接口，并将所连接口设置为in模式即可获取HC-SR501的识别结果。同时在模块中可以通过L/H焊盘部分的通断来选择模块为可重复触发模式抑或不可重复触发模式。因为在家庭场景使用时，只要有人在使用范围内，就应当始终保持灯的开启状态。故可重复触发模式，也即在感应输出高电平后的一段时间内，只要检测到人体便会自动后延一段时间高电平输出，直到人体离开感应范围后才会变为低电平的模式更加符合需求。所以将三个焊盘中的下两个断开，上两个短接。然后将温度补偿电阻接到图3中的RT位置，以弥补因为温差而导致的检测范围变化。

光敏电阻传感器的结构如图4所示。此处在三线制与四线制两个版本中选择了四线制版本，理由如1.1部分所述，四线制比三线制多出了AO输出，可以在使用DO输出做自动光控开关的同时，给ARDUINOUNO提供具体环境光强数值。而后可以根据光强数值做出具体调节。

1.1.3控制部分

控制部分主体采用了ARDUINOUNO开发板。ARDUINOUNO是基于ATmega328P的ARDUINO开发板，拥有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用于PWM输出）、6个模拟输入引脚，在需要连接多个传感器与模块的情况下保证了有足够的引脚供使用。同时ARDUINOUNO自带可自恢复保险丝，对于输入电压的允许范围也较为宽容，这对于可能产生电压不稳等情况的家庭场景使用是十分有利的，可以增强整个系统的鲁棒性。

控制部分负责计算及指令发出任务，其工作流程如图5所示。首先由HC-SR501进行人体检测，若检测到范围内的人体活动则将TTL信号传回ARDUINOUNO，开始进行适宜方案计算，图6展示了适宜方案计算的整体流程。所谓适宜方案计算是指，以2017年修订的《健康住宅评价标准》（图7）[1]中提出的对健康住宅光环境的照度值的建议作为基准值，调用光敏传感模块得到测量值，计算测量值与基准值之间的偏差，最后交由执行部分进行调节。同时，为了照顾不同人群对于照度的不同需求，系统也实现了对于照度等数值的自我调节。使用者可以交由系统进行自动调节