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智能家居环境检测系统


  王翔 邓士岳 张如浩 卢雨 周文杰
  【摘 要】由大数据分析得出,现阶段国内家庭天然气事故依旧属于高发状态,家庭安全、健康隐患不容忽视,对比国内外研究现状,中国在家庭安全防护方面所采取的防护措施要远弱于国外家庭。为此,我们设计出了基于Arduino的一个智能家居检测设备,其可以实现实时检测家中PM2.5、甲醛、燃气的浓度,以及温湿度等数据,这将刷新人们对家庭安全的观念,并且可以有效预防燃气泄漏事故,减少危险系数,保障人身以及财产安全等。
  【关键词】Arduino;家庭安全;检测
  Arduino作为一家开源的硬件与软件公司,其旗下的各类开发板都拥有大量的资料与示例,可以方便的用于构建数字设备和交互式对象,可以感知和控制物理和数字世界中的对象。笔者根据开源硬件Arduino Uno R3自行设计Atmega328p的最小系统板,并整合各类外部设备,避免杜邦线等不可靠连接,使作品更加简洁、可靠。
  一、系统硬件设计
  本作品是以电子系统为核心的智能家居系统,要建立智能家居系统硬件是关键和基础,它对整个系统的稳定性、 控制和反馈的准确性、 节能性都有直接影响。本作品控制部分为Atmega328p单片机,其他外部设备包含I2C协议的OLED显示模块,MQ-2气体传感器模块,Sharp GP2Y10 空气质量传感器模块,ESP8266无线WIFI模块,以及DHT22温湿度传感器模块。
  (一)Arduino控制器
  控制器部分采用Atmel公司的Atmega328p单片机作为控制核心。这款单片机是高性能8位AVR RISC微控制器,拥有32KB的程序储存空间,I2C协议数字通讯接口,有6通道10位A/D转换,烧写bootloader后可兼容Arduino IDE。本作品程序可通过ICSP接口实现下载程序,精简了系统,使系统更加稳定可靠[1]。电源采用AMS1117线性电源,保证了单片机与其他外设的高质量供电[2]。原理图与PCB如下所示:
  (二)温湿度传感器模块
  DHT22是一款已校准、单总线数字信号输出温湿度传感器,它拥有特殊的数字模块信息采集技术和温湿度传感技术,能够确保产品具有极高的稳定性与精准度。该传感器中集成了电阻式感湿元器件和NTC测温元器件,从而达到检测环境温度、湿度的目的,其品质卓越,响应快速,抗干扰能力强,性价比高等特点。
  (三)氣体传感器模块
  气体传感器模块我们选用MQ-2模块,该模块可用于气体泄漏检测(家庭和工业)。适用于检测H2,LPG,CH4,CO,酒精,烟雾或丙烷。由于其高灵敏度和快速响应时间,测量时间短。传感器的灵敏度可通过电位计调节。当单片机检测到气体浓度过高时,将会通过控制继电器关闭阀门,或开启排风扇并远程报警等应急措施。
  (四)空气质量检测模块
  空气质量检测模块我们采用了夏普光学粉尘传感器(Sharp GP2Y10),其原理是将红外发光二极管和光敏三极管对角布置在这个装置中,检测空气中尘埃的反射光,从而检测空气质量的好坏。该传感器具有非常低的电流消耗,且输出的模拟电压正比于测量粉尘浓度,具有灵敏度0.5v/0.1mg/m3的高灵敏度。
  (五)OLED显示模块
  OLED显示模块我们采用I2C协议的模块,I2C协议具有连接线少、可以实现多设备运行等优点。我们采用128X64像素大小的模块,可以显示中英文、数字,以及简单的LOGO。OLED具有自发光特性,无需背光源,功耗低,对比度无穷大等特点。
  (六)ESP8266模块
  ESP8266是一款低功耗、高度集成的WIFI芯片,其内置超低功耗Tensilica L106 32位RISC处理器,CPU 时钟速度最高可达160 MHz,支持实时操作系统(RTOS)和Wi-Fi协议栈,可将高达80%的处理能力留给应用编程和开发。它是专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计,通过多项专有技术实现了超低功耗。ESP8266具有的省电模式适用于各种低功耗应用场景[3]。在其刷入NodeMCU固件之后,更是可以兼容Arduino IDE,降低了开发成本,缩短了开发周期。模块如图所示。
  二、系统的软件设计
  利用DHT22温湿度传感器模块、空气质量检测模块,以及气体检测模块采集环境的各项指标,并将数据传入单片机与预设值进行对比,并根据对比结果通过I/O口控制其他外设采取应急措施,同时,将采集到的数据通过TXD引脚输出给ESP8266,ESP8266再将数据通过UDP或TCP协议推送至用户。
  本系统采用Arduino IDE编程、下载,系统采用C语言编写,通过调用库函数来实现各个模块的功能,程序由系统主程序、初始化子程序、各个模块子程序、数据处理程序与数据传输程序组成。程序流程图如下。
  三、系统功能
  经过实践证明,本系统运行稳定,得益于低功耗的单片机以及传感器,系统耗能极低。采用了无线传输、温湿度监测、危险气体检测、空气质量检测以及显示等主要功能性模块构建了一套智能家居环境监测系统。系统具有环境检测、消息推送、异常情况自动处理等功能,操作简单、节能环保,适用于现代家庭安全防护,具有巨大的推广使用价值与开发潜力。
  【参考文献】
  [1]蔡睿妍. Arduino的原理及应用[J].电子电力技术, 2012,(16)
  [2]郑晓庆.多路输出DC-DC电路设计[J].国外电子测量技术,2012,(9)
  [3]范兴隆. ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2016,(9)
 
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