基于 Arduino 與 OneNET 云平臺的簡易智能家居系統(tǒng)設(shè)計

時間：2021-12-02 22:15:22

關(guān)鍵字： Arduino 傳感器智能家居 ESP8266 OneNET 遠(yuǎn)程操控

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[導(dǎo)讀]摘要：隨著信息時代的發(fā)展和人民日益增長的美好生活的需要，智能家居系統(tǒng)的設(shè)計越來越受到廣泛關(guān)注。文中設(shè)計基于 Arduino 與 OneNET 云平臺的簡易智能家居系統(tǒng)，以 Arduino Sensor Sheild V2.0 為主控模塊，利用WiFi 無線模塊 ESP8266 將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至 OneNET 中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，可以實(shí)時監(jiān)測智能家居環(huán)境，并能通過手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。該系統(tǒng)成本低廉，搭建方便，具有數(shù)據(jù)可視化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)智能家居生活提供了一種簡易的解決方案。

引言

目前，智能家居的研究主要以搭載 STM32 芯片 [1] 的硬件設(shè)備為中心控制器。同時，智能家居云平臺大都建立在YeeLink 云 [2] 上，而對于基于 OneNET 云平臺 [3] 的研究仍然相對較少?？紤]到成本和操作簡易程度等方面的因素，本文以 Arduino 單片機(jī) [4] 為中心控制器設(shè)計系統(tǒng)，將 OneNET 作為數(shù)據(jù)處理平臺，該程序能夠跨平臺運(yùn)行，具有較好的開放性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文智能家居系統(tǒng)以 Arduino Sensor Sheild V2.0 單片機(jī)為主控模塊，各類傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，在單片機(jī)中處理數(shù)據(jù)后經(jīng)ESP8266 無線模塊發(fā)送至OneNET 云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以 Android 的智能手機(jī)作為 APP 的展現(xiàn)平臺。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 簡易智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括四個部分。

(1) 數(shù)據(jù)采集。該部分主要依靠各類傳感器（如溫濕度傳感器、煙霧傳感器等）采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c之相連的單片機(jī)中。

(2)云平臺數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時向 OneNET傳輸數(shù)據(jù)，在云平臺中可以控制已經(jīng)搭載的模塊。

(3)APP。手機(jī)通過與無線模塊 ESP8266 相連，接收到網(wǎng)站傳來的數(shù)據(jù)，將其顯示在 APP 上。

(4)指令執(zhí)行。在接收到指令數(shù)據(jù)時對傳感器或相應(yīng)的模塊進(jìn)行操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Arduino Sensor SheildV2.0

Arduino Sensor Shield V2.0 專用傳感器擴(kuò)展板集市面上各種擴(kuò)展板優(yōu)點(diǎn)于一體，采用 PCB 沉金工藝加工，主板不僅將全部數(shù)字與模擬接口以舵機(jī)線序形式擴(kuò)展出來，還特設(shè)藍(lán)牙模塊通信接口、SD 卡模塊通信接口、APC220 無線射頻模塊通信接口，以及 RB URF V1.1 超聲波傳感器接口，獨(dú)立擴(kuò)出，更加易用方便。在本文系統(tǒng)中作為中心處理器，連接LED、繼電器模塊、煙霧傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器、ESP8266、LCD 顯示模塊。各類傳感器實(shí)時采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)將處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?OneNET 云平臺上處理，由其返回控制信號從而控制相應(yīng)的傳感器或其他模塊。

2.2 溫濕度傳感器 DHT11

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器上電后要等待 1 s，以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令 [5]。庫文件中擁有非常完善的函數(shù)控制塊，可以非常方便地采集到當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度信息，免去了手動解析的麻煩，并且修改起來也非常方便。

2.3 紅外傳感器

本文系統(tǒng)選用 HC-SR501 熱釋電紅外傳感器，采用可重復(fù)觸發(fā)的工作方式（即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑?，具有感?yīng)封鎖時間等特點(diǎn) [6]。當(dāng)感應(yīng)到有人經(jīng)過時向單片機(jī)傳輸信號，再由單片機(jī)控制蜂鳴器報警。

2.4 煙霧傳感器 MQ-2

MQ-2 型煙霧傳感器是多種氣體探測器，探測范圍極其廣泛，具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn) [7]。在本文系統(tǒng)中，MQ-2 煙霧傳感器主要用于測量各種氣體的總閾值，當(dāng)有害氣體達(dá)到一定濃度時才會進(jìn)行蜂鳴報警。

2.5 繼電器模塊和 LED 燈

繼電器模塊的作用是傳遞信號或同時控制多個電路，也可直接控制小容量電動機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件 [8]。

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光 [9]。

這兩個模塊都可以在手機(jī)APP 上進(jìn)行控制，由 OneNET 網(wǎng)站發(fā)送控制指令，單片機(jī)在接收到數(shù)據(jù)以后，經(jīng)過解析，判斷控制信號，從而控制這兩個模塊。在家用的情況下，用手機(jī)遠(yuǎn)程控制這些小型模塊非常方便。

2.6 ESP8266

ESP8266是由上海樂鑫信息科技有限公司開發(fā)的集成無線芯片，支持二次開發(fā)，具有超高的性價比。目前多家廠商在做 ESP8266 芯片的開發(fā)與服務(wù)工作，且其服務(wù)已經(jīng)較為全面，利于開發(fā)者以較低的成本開發(fā)出個性的智能產(chǎn)品，因價格較低、性能穩(wěn)定等受到較大關(guān)注 [10]。該芯片可工作于 AP 模式、Station 模式以及混合模式，本文系統(tǒng)中利用 AT指令進(jìn)行控制，使用 ESP8266的 Station模式，ESP8266模塊連接到由接入點(diǎn)建立的WiFi網(wǎng)絡(luò)，用于向OneNET云平臺傳輸、接收數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程

Arduino Sensor Sheild V2.0 通過串口發(fā)送 AT 指令來控制ESP8266 WiFi 模塊的各項操作。模塊在開機(jī)啟動后自動搜索附近網(wǎng)絡(luò)，搜索到對應(yīng)的在程序中定義過名稱和密碼的網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)行連接，連接上 WiFi 后，與 OneNET 網(wǎng)站進(jìn)行TCP 連接，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包及 JSON 數(shù)據(jù)格式化后發(fā)送至 OneNET 網(wǎng)站。OneNET 網(wǎng)站將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，且添加了發(fā)送控制指令的功能，單片機(jī)接收到控制指令的同時控制模塊進(jìn)行響應(yīng)。系統(tǒng)初始化如圖 2 所示。