張浩華, 佟佳琪

(沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034)

隨著物聯(lián)網(wǎng)以及信息技術的飛速發(fā)展,人們對居住環(huán)境例如它的實用性、舒適性和智能性等要求也隨之不斷提高。因此,智能家居也越來越受大家的喜愛和重視,而智能家居系統(tǒng)就是以提高家庭居住環(huán)境為目的的,它融合了計算機、網(wǎng)絡通信、自動控制等現(xiàn)代科學技術,進而形成的集功能性、智能性、服務性為一體的舒適實用、安全便利、綠色環(huán)保的智能系統(tǒng)[1]。

但是目前市場上的智能家居主要存在2個問題:1)它的關聯(lián)設備相對復雜,用戶不大可能一次性購買所有關聯(lián)設備,就會導致它的成本過高,且缺乏如何配備智能家居的科學指導[2-3];2)智能家居在安裝后的調試與維護也比較復雜。針對以上問題,本文以micro_bit為主控板,并利用傳感器技術以及無線通信技術等設計了一款低功耗,低成本,設計簡單,操作性強等極具性價比的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

本次設計的智能家居系統(tǒng)是以micro_bit為主控板,并由LCD1602液晶顯示屏,DHT11溫濕度傳感器,MQ_2煙霧傳感器,火焰?zhèn)鞲衅?人體紅外釋熱電運動傳感器,Wi-Fi模塊組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過各種傳感器分別監(jiān)測家庭環(huán)境的溫度濕度,可燃氣體的濃度以及火源等,并將各項環(huán)境信息顯示在LCD1602液晶顯示屏上,同時利用無線通信Wi-Fi模塊將采集到的環(huán)境參數(shù)實時傳輸?shù)結eelink網(wǎng)絡平臺[4],來進行遠程實時監(jiān)控,為方便對系統(tǒng)故障進行檢測分析,采用了模塊化的設計,故本系統(tǒng)具有低功耗、低成本、檢測方便簡單、操作性強等特點,具有很好的使用性和實用性[5]。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 system block diagram

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 micro_bit主控板

Micro_bit 是由ARM、 巴克萊、element14、微軟等機構與英國廣播公司(BBC)合作推出的一款基于ARM架構的開源硬件平臺,核心設備是32位ARM Cortex-M0 微處理器,它僅有信用卡的一半大小,搭載了5×5可編程LED點陣,2顆可編程按鍵,加速度計,電子羅盤,溫度計,低功耗藍牙等電子模塊,實物圖如圖2所示,Micro_bit開發(fā)板的功能強大,具有易用性和擴展性良好的特點[6],它可以通過鱷魚夾與各種電子元件互動,支持讀取傳感器數(shù)據(jù),控制舵機與RGB燈帶等,也可以插入擴展板連接各種傳感器, Micro_bit 支持多種代碼及圖形化編程平臺,支持幾乎所有的 PC 和移動設備,具有免安裝驅動,電子模塊集成度高,且?guī)в写诒O(jiān)控功能,方便調試[7]。

圖2 實物圖Fig.2 physical diagram

2.2 溫濕度測量模塊DHT11

圖3 溫濕度測量電路圖Fig.3 Temperature and humidity measurement circuit diagram

DHT11溫濕度測量傳感器應用了專業(yè)的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術,是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器,可確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性[9]。傳感器通過3P數(shù)字線直插micro_bit,其電路圖如圖3所示,程序代碼如圖4所示。單線制串行接口,使系統(tǒng)集成變得簡易快捷[8]。并且該產(chǎn)品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等特點,同時小體積、低功耗,信號傳輸距離可達20 m以上等優(yōu)點,使其滿足智能設備的設計需求。

圖4溫濕度測量程序
Fig.4 TemperatureandHumidityMeasurementProcedure

2.3 煙霧傳感器MQ_2

MQ_2 煙霧傳感器準確來說是一個多種氣體探測器。非常適宜對液化氣、酒精、氫氣、煙霧等家庭的氣體泄漏進行監(jiān)測。MQ-2的探測范圍極其的廣泛,且它屬于二氧化錫半導體氣敏材料。當與煙霧接觸時,如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調至而變化,就會引起表面導電率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息,煙霧的濃度越大,導電率越大,輸出電阻越低,則輸出的模擬信號就越大。進而實現(xiàn)家居環(huán)境的檢測、保護與警示等功能[10]。它具有靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅動電路簡單等優(yōu)點,符合本次設計的要求。

2.4 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其他波長在760～1 100 nm范圍內的光源,探測角度達60°[11]反饋時間為15 μs,對火焰光譜特別靈敏,并且能在-25到85攝氏度下工作,性能穩(wěn)定可靠?？闪罨鹧?zhèn)鞲衅髋c micro_bit 的引腳相連,將火焰的溫度轉化為高低變化的電平信號傳送至微處理器。從而保護居住的安全,防止火災的發(fā)生。

2.5 人體紅外熱釋電運動傳感

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。在這里我們把它作為防盜報警裝置,它的感應角度為110° ,感應距離可達7 m,熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器,當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時,傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū),因人體溫度與環(huán)境溫度有差別,產(chǎn)生ΔT,則有ΔT輸出;若人體進入檢測區(qū)后不動,則溫度沒有變化,傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器檢測人體或者動物的活動傳感。 內部框圖如圖5。

圖5 內部框圖Fig.5 Internal block diagram

2.6 LCD1602顯示模塊

LCD1602液晶模塊,可以顯示2行,每行16個字符。通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制,即可以顯示出圖形。液晶模塊內部已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形,在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值[12]。而且液晶模塊背面的電位器還能調節(jié)液晶顯示器對比度的功能,使用也十分方便簡單。

2.7 無線通信模塊

本次設計的無線通信模塊由micro_bit接口板完成主控制器對信息進行采集,同時,運用液晶顯示屏對采集回來的數(shù)據(jù)進行實時顯示,將采集到的環(huán)境信息再經(jīng)過網(wǎng)絡擴展模塊上傳到 Yeelink物聯(lián)網(wǎng)管理平臺,并通過智能手機為操作終端,遠程實時查看環(huán)境信息,實現(xiàn)對家居環(huán)境的遠程監(jiān)測和處理,實現(xiàn)集底端數(shù)據(jù)采集,控制端發(fā)送,云平臺顯示為一體的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[13]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 溫濕度測量主程序設計

圖6 濕度調節(jié)流程Fig.6 Humidity adjustment process

用戶可以在互聯(lián)網(wǎng)上設定家庭的適宜溫濕度,系統(tǒng)啟動后,首先進行室內環(huán)境溫度、濕度的采集數(shù)據(jù)傳送給micro_bit主控板,并將采集的數(shù)據(jù)顯示在 LCD1602液晶屏上,利用Wi-Fi模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)結eelink物聯(lián)網(wǎng)云服務平臺,使管理平臺也可以查看室內溫濕度數(shù)據(jù),并且當室內溫濕度超過設定的異常值時,可啟動空調,風扇,加濕器等設備,將溫度和濕度調節(jié)至合適范圍,并保持最佳狀態(tài)[16]。濕度調節(jié)流程如圖6所示。

3.2 安全防盜主程序設計

安全報警程序主要包含3個方面:有害氣體檢測,火災警報和防盜警報。利用MQ_2對天然氣、液化氣體和煤氣煙霧進行檢測,MQ_2煙霧傳感器能準確的排除掉其他非可燃氣體,將檢測到的數(shù)值顯示在 LCD1602液晶屏上,并與系統(tǒng)設定的閾值進行比較,如果超出系統(tǒng)設定的氣體濃度范圍,則可實現(xiàn)蜂鳴器與Yeelink管理平臺的雙重報警。利用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火焰的溫度然后轉化為高低變化的電平信號傳送至微處理器,當檢測到火焰時接收到的電信號為低電平,反之為高電平[14]。因此當檢測到火焰時接收到的電信號為低電平,就馬上進行報警處理,使得用戶可以做出相關處理,極大降低了安全隱患。當用戶外出,用戶就可以利用人體紅外熱釋電運動傳感檢測是否有人非法入室,當人體紅外熱釋電運動傳感檢測到運動的人時就會在傳感器內形成電信號,并馬上將電信號發(fā)送給Yeelink管理平臺,然后用戶快速做出反應并采取相關措施,例如報警處理,從而達到了遠程監(jiān)控的功能。

3.3 Yeelink網(wǎng)絡平臺設計

圖7 總流程圖Fig.7 General flowchart

Yeelink是對公眾開放的物聯(lián)網(wǎng)公共服務平臺,用戶可以在 Yeelink網(wǎng)站上對傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行接收、存儲和管理,并可以隨時顯示給客戶, Yeelink網(wǎng)站為家庭設備采集到的上傳數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務接口,用戶可利用互聯(lián)網(wǎng)隨時訪問Yeelink管理平臺查看所監(jiān)測的傳感器數(shù)據(jù), 且該平臺為用戶提供了海量的傳感器數(shù)據(jù)存儲空間,對數(shù)據(jù)模塊信息存儲實行監(jiān)測和預警。戶可以通過智能設備上安裝的應用程序,經(jīng)它能夠滿足用戶的一系列要求并且在此基礎上進行一系列的操作[15]。

4 系統(tǒng)性能測試

如今部分家居系統(tǒng)經(jīng)濟成本和維護成本較高,且通用性和實時性不強,限制了產(chǎn)品推廣。本系統(tǒng)的特點是低成本、低功耗,具有較強的通用性和實時性。并且基于micro_bit的智能家居系統(tǒng),通過溫濕度傳感器檢測室內的溫度濕度,煙霧傳感器對天然氣液化氣體以及煤氣煙霧進行檢測,火焰?zhèn)鞲衅鱽硖綔y火源,通過人體紅外熱釋電運動傳感器來進行防盜檢測,而且本系統(tǒng)中還加入了無線通信模塊,使用無線網(wǎng)絡傳輸模塊實時將數(shù)據(jù)輸送到Yeelink管理平臺,即實現(xiàn)了家居住所的遠程實時監(jiān)控,具有較強的可靠性、實用性和推廣性?？偭鞒虉D如圖7所示。

本文分別從軟硬件的設計,傳感器的功能以及無線通信模塊的遠程控制等幾個方面介紹了基于micro_bit的智能家居系統(tǒng),通過溫濕度傳感器等實現(xiàn)了對家居環(huán)境的檢測,通過人體紅外熱釋電運動傳感等保障了家居住宅的安全,極大降低了安全隱患,同時利用無線通信Wi-Fi模塊將采集到的環(huán)境參數(shù)實時傳輸?shù)?Yeelink網(wǎng)絡平臺,實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠程的實時監(jiān)控,大大保障了住宅的安全,并為用戶提供了一個安全便捷、 智能舒適、 節(jié)能環(huán)保的居住環(huán)境。本次設計的智能家居系統(tǒng),具有較強的可靠性,安全性和實用性以及一定的推廣性,之再可以進一步完善并改進。