基于Arduino的智能家居控制设计.docx
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基于Arduino的智能家居控制设计
基于Arduino的智能家居控制系统设计
基于Arduino的智能家居控制系统设计
摘要
近年来，伴随着智能手机的发展智能家居也快速升级，使用智能手机控制家电逐渐成为潮流，市场需求强烈，本文介绍了一种基于Arduino的智能化家居控制系统设计方案。
本系统采用模块化设计，以ArduinoUNO为核心控制板，通过EDR蓝牙协议连接模块，实现了智能开关和电器外围电路的灯光提示等功能。
本毕业设计基于易安卓平台进行了Android手机客户端的软件程序设计与开发。
简单、高效、交互友好的Android客户端与ArduinoUNO核心板进行连接，形成了功能完善、扩展性强的智能家居控制系统。
ArduinoUNO核心板主要进行控制信号与数据的发送和接收以及控制连接的各个功能模块等功能。
本设计改善了传统家用电器等需要手动地进行接触式控制的弊端，具有高效传输、操作简单、可靠性强等优点。
本设计所采用的控制方式提高了家庭的舒适性和友好性，为实现便捷高质量的生活提供了解决途径。
关键字：
智能家居；Arduino；易安卓；EDR蓝牙协议
AdesignofanintelligenthomecontrolsystembasedonArduino
Abstract
Inrecentyears,withthedevelopmentofsmartphones,smarthomeisalsorapidlyupgraded.Usingsmartphonestocontrolhomeapplianceshasgraduallybecomeatrendwithstrongmarketdemand.ThispaperintroducesadesignschemeofsmarthomecontrolsystembasedonArduino.Thesystemadoptsmodulardesign,takesArduinounoasthecorecontrolboard,connectsthemodulethroughEDRBluetoothprotocol,andrealizesthefunctionsofintelligentswitchandlightpromptintheperipheralcircuitofelectricalappliances.ThegraduationprojectisbasedontheE4AforAndroidmobileclientsoftwaredesignanddevelopment.Thesimple,efficientandinteractiveAndroidclientisconnectedwithArduinounocoreboard,formingasmarthomecontrolsystemwithperfectfunctionsandstrongexpansibility.Arduinounocoreboardismainlyusedforsendingandreceivingcontrolsignalsanddataaswellasvariousfunctionalmodulesofcontrolconnection.Thedesignimprovesthedisadvantagesoftraditionalhouseholdappliances,suchasmanualcontactcontrol,andhastheadvantagesofhigh-efficiencytransmission,simpleoperationandstrongreliability.Thecontrolmethodadoptedinthisdesignimprovesthecomfortandfriendlinessofthefamily,andprovidesasolutionfortherealizationofconvenientandhigh-qualitylife.
Keywords：
Intelligenthomefurnishing;Arduino;E4A;EDRBluetoothprotocol
一、引言
（一）课题的背景
1.课题的来源
Arduino板既便宜又容易开发，许多创客都利用它来实现自己的设想，在最近的疫情期间甚至有人使用它结合风机造出了低成本的呼吸机，价格不足140元。
对于一般的开发者DIY爱好者来说再适合不过，智能家居又是近几年非常热门也是之后大趋势的一个方向，所以我就想为什么不能把两者合二为一呢，于是便有了此次的课题基于Arduino的智能家居控制系统设计。
2.研究的目的及其意义
虽然智能家居在我们的视野中出现了很长一段时间，但长期以来，智能家居的形成并没有真正意义上的雏形。
从1984年开始，智能方面信息开始逐步应用和融入到建设设备中，最先开始实现这项技术的是联合技术公司，这项技术应用在了城市地标中，具体位置在康涅狄格州哈特福德，取得了空前的成果。
通过此次开发，智能家居的开发才算正式起步，真正的融入到现代生活。
经历了这么多年的发展壮大，智能家居的相关功能逐步发展提高，越来越完善，所应用的场所也越来越广泛，得到了大家的认可。
因此，这也增添了新的商机，加大了对智能家居系列产品的研发，进一步提高了技术水平，相比以往推出了更了产品，使人们的选择性大大提高，产品种类也愈加丰富。
所以，此研究内容，具有非常重要的现实意义。
智能家居的控制是极其重要的环节。
其发展在于设计的预期目标，还有开发商的心理状态，合同在当今的时代不能太过为重，还是要做消费者内心所需要的产品，这样才能考虑解决方案在智能方面的发展，考虑在解决方案方面提供琐碎的智能家居解决手段。
对于智能家居来说，因为它存在有较高科技含量的控制系统，所以它区别于普通的商品交易，准确的说是一个复杂的系统工程，它关联到很低技术方面的人，比如说信息、芯片、机械等领域，所有的这些构成智能家居的核心也就是控制系统，最终目的是实现便捷生活。
想要拥有一个优秀的控制系统，这可不是一个简单的事，需要有准确的发展思路，要以简单、便捷、好用为原则，来方便人们的生活习惯，这是最重要的，要有大量的技术手段来达成。
随着人们生活水平的不断提高，生活节奏的加快，人们不断的对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全和便利，因此从市场需求的角度来说，智能家居必然是前景广阔[1]。
因此设计一个符合国家国情和规范的集远程控制和本地智能家居的控制系统具有很强的实用性和迫切性[2]。
总的来说，智能家居的“心脏”就是控制系统，它的好坏直接关系着智能家居所达到的水平，影响这个行业的最终发展。
目前来看，要想实现智能家居的跨越式发展，将系统集成起来是关键所在，需要有简单的特性和符合市场需求，集成系统将发展成为“绿色”系统。
在中国，它不仅是智能家居产品，更是家居实现自动化的解决手段。
上世纪90年代末，中国的智能社区正在成长。
通过研究发现，中国的智能住宅起源于北京、上海、浙江等发达地区，并通过逐年发展，正在向内陆进军。
伴随着信息通信技术的快速发展，家庭信息网络技术委员会应运而生，相关产品的开发成为国家重点研发计划，发展前景广阔。
与此同时我们也应该认识到，智能家居的发展国外要领先于国内，国家标准尚未制定成体系。
目前，我国一些较为成熟的智能家居方案：
海尔E-Home、EHome数字家庭，正在集中力量对技术进行开发，来满足市场需求，简化使用方式，降低成本，通过不懈努力，智能家居技术得到迅猛发展。
他们主要采取的是无线网络连接的方式，并且一点带面为手段以互联网+模式进行连接将智能管理充分积极，并且将社区网格化管理加入。
可以智能延伸到社区活动室的原居民的具体方面，建立安全便捷、高端舒适、满足个性化的家居空间。
随着逐年发展，越来越多的机构和生产者将智能家居的安全性作为重点进行开发，使其安全信能大大提高，真正融入到了市场之中。
这是一种互动，并能够控制通过网络传输和交换的各项制度，协议，信息和内容的独立模块单元的智能家居平台的能力。
人们生活中越来越离不开电器，现代网络技术，智能生活的概念发展日益流行，电子方面的技术正在跨越式发展，随着对家电的要求逐步提高，普通的机械化已经脱离人们的需要。
家电智能控制有诸多好处，可以提供与外界沟通的手段，节约时间、降低成本，方便人们的生活，因此智能系统有着广阔的发展空间。
随着自动化和网络设备的稳定发展有很大的提高。
便捷化、自动化、智能化是家电发展的三大目标，智能家居技术也逐步向高效率、高操作性、高安全性发展。
目前，各种智能化技术已经出现，可应用于家用设备，如恒温保湿器、空气过滤器等，虽然目前技术发展较为迅速，但是还存在一定的问题急需解决。
3.国内发展概况
与西方发达国家相比，中国起步较晚[3]。
1994年智能家居设备首次从美国等发达国家进口。
它的发展历程不长，真正进入消费者的视野中是从21世纪开始，中国才有相关业务的公司，通过研究中国在智能家居产业方面的发展可以分为以下几个阶段：
①萌芽阶段：
整个行业还处于了解产品和初识概念的阶段。
国内还没有专业的智能家居制造商，只有部分美国的概念产品由个别制造商销售[4]，实际效果更倾向于“家居自动化”[5]。
②徘徊阶段：
这一阶段，大量企业开始建设智能家居。
虽然在功能上取得了一定程度的“智能”，但多数厂家盲目夸大自己的实际作用，使得用户的体验很差，许多厂家在这一时期就已经死亡[6]。
③一体化发展阶段：
近些年来随着物联网的研究逐步成熟，商业化应用愈来愈广，这也就促成了网络可以与电视，电脑，冰箱等家用电器的深度结合，为智能家居的发展提供了有利的条件。
并且生产与研发可以形成固定的模式，可以加大生产的规模，因为生产的产品逐渐增多，价格也就逐步降低，老百姓购买起来也就愈加方便。
（二）本课题研究的内容
本次系统设计的核心是ArduinoUNO，利用蓝牙协议，远程检测并通Android客户端的室内家居的智能控制。
基于出发方向，方便有效生活的目标主要是改善传统家庭背后的现有控制模式和不方便使用。
智能遥控设计是为了取代传统的手动机械控制装置而设计的，它拥有效率较高、成本较低、便于使用等优点，也进一步提高了家庭的舒适性和便利性。
是制作出一款，能够利用来Arduino远程控制家电开关的智能家居系统，并且有APP方便进行控制。
本次设计的内容：
①Arduino上安装蓝牙模块；②基于易安卓的APP操作界面；③基于Arduino对继电器进行操作（开启或关闭）。
本次设计解决的关键问题为:
①如何在确保数据安全保障的情况下、通过蓝牙对设备进行控制；②方便友好的APP界面；③四个继电器实现分开控制。
二、系统总体设计方案
（一）系统组成
系统的结构组成示意图如图2.1。
系统总共由五大部分所组成：
分别是APP客户端、核心模块、检测模块、灯光模块和外围电路。
各部分组成如下：
①APP客户端是安卓客户端，是通过易安卓软件编写的；
②蓝牙模块是基于BluetoothSpecificationV2.0带EDR蓝牙协议的数传模块；
③核心模块是ArduinoUNO单片机；
④控制模块由四个继电器组成，分别能单独开关控制四个家电；
⑤外围电路较为简单，通过发光二极管和其他元器组成。
图2.1系统结构图
（二）硬件模块
1.蓝牙模块
蓝牙通信功能的实现采用的是HC-05蓝牙串口模式的通信模块，附带EDR蓝牙协议，基于BluetoothSpecificationV2.0模式无线工作频段是2.4GHzISM，调制方式采用的是GFSK[7]。
模块极限发射功率为4dBm，接收灵敏度可达到-85dBm，板载PCB天线，最远可覆盖10米距离通信[8]。
模块采用类似邮票孔的封装方式，模块大小为27mm×13mm×2mm，采用这种安装方式可以方便用户使用，可自定义安装内容，装备有LED灯，通过这种方式可以观察蓝牙的连接状态是打开还是关闭。
为方便用户根据需要灵活使用，模块采用CSR的BC417芯片，支持AT指令[9]，可随时更改各项参数。
表2.1为蓝牙继电器的接线表。
表2.1蓝牙继电器接线表
序号
主控板
模块
备注
1
数字IO-2
蓝牙-TX
2
数字IO-3
蓝牙-RX
2
数字IO-4
继电器模块1-IN
3
数字IO-5
继电器模块2-IN
4
数字IO-6
继电器模块3-IN
5
数字IO-7
继电器模块4-IN
13
5V
-
所有模块接入转接板VCC和GND
14
GND
-
图2.2HC-05原理图
2.控制模块
控制模块是由四个光耦隔离高低电平触发组成。
该系列继电器模块，为保证稳定的性能，使用光耦方式进行隔离[10]，隔离效果大大提高，同时可以实现高低电平信号触发。
仅需5mA电流即可驱动控制能力为10A的继电器吸合，模块采用优质功率继电器，小型封装光耦，大功率高耐压三极管，红蓝信号指示灯，PCB板材，性能稳定是它最大的特点。
表2.2为该系列继电器的参数表,本次选用的是工作电压为5V的继电器。
表2.2继电器参数表
工作电压
5V
12V
24V
静态电流
5mA
MAX电流
190mA
80mA
50mA
触发电压
低:
0
低:
0
低:
0
高:
5V
高:
12V
高:
24V
触发电流
2-4mA
MAX负载
AC250V/10A,DC30V/10A
3.核心模块
UNO是开放原始代码，便于理解，可以搭配按钮、指示灯等多种电子元件使用。
同时可以在多个平台进行使用，不发生冲突，而且使用方便，代码更新换代快，符合当今社会发展要求。
采用Arduino项目不仅可以涵盖Arduino，也能实现PC程序的通信，由国外团队研发。
开发成员有MassimoBanzi、DavidCuartielles、TomIgoe、GianlucaMartino、DavidMellis和NicholasZambetti等[11]。
该项目经过多年的发展，技术逐渐成熟，已经发展成多型号多控制器，拥有诸多优势。
使用Arduino的人员越来越多，这更加加速了该项目的发展，目前大学里也添加了研究该项目的学科，软件、艺术等门类都开展了课程进行学习。
图2.1Arduinouno原理图
（三）软件设计
1.APP客户端
软件采用安卓系统设计，具有较高的市场占有率和较高的普及率，Android（安卓）其实用英文翻译是机器人的意识，是一种由Linux构成的开源操作系统,面向于手机等便捷设备，在被谷歌收购之后开始逐步发展，平台也越来越复杂，由操作核心系统、中间元件、使用界面和APP等多种元素构成，在手机领域逐渐发展壮大，并且已经进军到平板电脑等多个领域。
具有以下几点优势：
开放性强：
Android平台有很强的开放性，可以允许各类开发商加入，拥有其他系统无法比拟的众多开发者参与，使系统愈发完善，技术更加先进，性能更加成熟。
因此就吸引了更多开发商的目光，人气越来越高，消费者也喜欢用Android平台的产品[12]。
因为里面有着丰富的软件资源，消费者有更多的选择权利，开放性平台有着以上诸多优点，但也有弊端，就是加大了开发商的竞争，性能一般的产品会被迅速淘汰。
硬件丰富：
由于Android平台极大的开放性，导致开发商会设计出各种各样极具特色的产品[13]，可供消费者们选择。
虽然功能上各有千秋，但是其基本功能却不会受到影响，不同产品之间的数据交换，各类软件的兼容都能无差别的满足，这是其他平台所无法比拟的，极大的方便了消费者的需求。
开发方便：
Android平台的诞生，相当于为开发商打开了新世界的大门，没有各类条框、法则的困扰，可以随心所欲的进行研究开发，这就促进了各类软件的出现。
万物都有其两面性，Android平台也是一把双刃剑，无拘无束的环境导致滥竽充数的程序的越来越多，难以管理，这是Android急需解决的问题之一。
2.APP控制流程
如图2.4所示，用户打开安卓手机上的APP应用点击搜索设备，找到设备后点击连接绑定设备进行蓝牙配对，若配对失败在APP上会有提示请重新配对，若配对成功ArduinoUNO板上会有灯光闪烁，APP界面也会同时显示配对成功。
此时用户就可以控制四个继电器的打开与关闭，每打开一个继电器相对应的灯光就会亮起，关闭则会熄灭，每个继电器可以独立操控，非常符合时下家电越来越多的趋势。
图2.4APP控制流程图
三、开发环境及工具介绍
（一）开发环境
1.驱动安装
开发之前首先准备开发环境，安装必需的驱动，首先打开CH341SER的EXE文件，点击安装，安装速度很快，5秒左右就会显示驱动预安装成功，此时再打开设备管理器找到端口，点开发现多了一个名为CH340的端口表明至此驱动安装成功。
图3.1开始安装驱动
图3.2完成驱动安装
图3.3驱动安装完成后找到端口号
2.Arduinoide安装与语法分析
打开名为Arduino的软件，点击上方菜单栏的工具，选择开发板型号，找到本次设计使用的ArduinoUNO选中，在菜单栏下方点击上传便可以把编写的代码写入UNO板中，若成功ArduinoUNO板上会有灯光亮起。
图3.4选择开发版型号
图3.5上传代码
图3.6UNO板led闪烁表示环境安装完成
defineBT_TX定义软串口接口
intrelayx=y;低电平使能
for（inti=4;i<8;i++）//初始化全部灭灯
while（Serial.available（）>0）数据帧格式“rly-第几个继电器-打开1关闭0”，如“rly-2-1”
if（buf[6]=='1'）//如果是打开
if（buf[6]=='0'）//如果是关闭
（二）开发工具
1.易安卓开发平台介绍
E4A全名easyforandroid是2013年发布的一款全中文Android编程语言，专门为企业、站长、开发者、网络公司、各种手持设备等Android系统下的应用开发。
用这种语言编写的Android应用程序代码非常符合中国人的编程思维习惯，而且使用方便。
另外，E4A支持发布和代码共享，可以重用程序模块。
E4A平台可以进行可视化编程，避免了传统ECLIPS需要大量代码且难于理解的问题[14]，并可以加速编写智能家居程序界面的设计过程。
设计界面如图3.7所示。
图3.7APP客户端界面
除了传统的文本框和按钮外，还提供了Android兼容的网络模块和传感器模块，可以随意调用，只需将组件拖动到可视化接口以进行编程[15]。
E4A具有与eclipse相同的程序、属性和架构。
每个模块调用的外部图像、音乐、链接等资源将记录在左侧的属性区域，还可以设置每个模块组件的事件位置。
事件列表位于属性区域下方。
通过设置事件，可以执行每个函数在特定时间点应该执行的操作。
2.易安卓程序编写
E4A使用的是android版的电子语言，设置事件的方式是近几年研发出来的，属于移动形式的电子语言。
与其相关属性的开发使用与易语言异曲同工，使用起来非常便捷。
只需要将相关内容放在主要界面，通过双击的方式就可以打开界面进行编程。
可以将各类的属性区域进行设置，发生的每一件事件的时间点都会详细记录下来。
图3.8属性区属性界面图表图3.9属性区工程界面
四、结论
本文研究的内容是以ArduinoUNO为核心，利用蓝牙协议，远程检测并通过Android客户端完成室内家居的智能控制。
经过几个月的学习和研究，我有以下几个设计心得：
①虽然如今智能家居的概念和市场都比较火热，但是竞争非常激烈，每家公司都有自己的优劣，要结合百家之长并不容易，想要在市场上活下来必须要有自己的独家优势。
本次的设计相较于大公司的成熟产品相比算是非常简易的装置，但是开发起来依然非常有难度，从一开始的方案设计，到一步步实现它，总会出现意想不到的错误，很有可能一小段代码没有打对就会导致整个装置无法正常运行，而且我是第一次学习易安卓，有些生疏，所以花了不少时间去看教程。
②arduino板和继电器分在上下两层板的设计有利于硬件散热，效果观察和使用，最后在完成了app上操作开关继电器后可以得出结论本次设计效果不错，功能完整，算是令人满意的较成熟开发产品。
图4.1成品侧视图
图4.2成品俯视图
图4.3打开第一个继电器灯亮起
图4.4打开四个继电器后灯全亮
图4.5连接成功后界面
参考文献
[1]智能小区（下篇）[J].中国住宅设施,2012.
[2]赵全全,黄梓瑜.ZigBee网络的红外遥控技术在智能家居中的应用[J].信息通信,2015.
[3]卢建伟.论智能家居现状与发展前景[J].电子世界,2014.
[4]焦二锋.基于云路由的智能家居系统设计[D].西安电子科技大学,2014.
[5]张淑侠.基于PLC智能家居控制系统设计[J].数码世界,2019.
[6]王耕.基于ArduinoDue智能家居控制系统设计[D].湛江海洋大学,2001.
[7]车驾雄.无线互联网技术及其发展趋势[J].西北大学,2015.
[8]黄剑斌，安妮，郑永超.能电热蚊香系统的设计与开发[J].西北大学,2019.
[9]刘柱.基于ARM的微惯性姿态测量系统平台设计[D].哈尔滨工程大学,2018.
[10]汤书豪.基于FPGA的CAN总线控制器SJA1000软核的设计[A].单片机与嵌入式系统应用,2011.
[11]李岗.神奇的Arduino[J].电子制作,2013.
[12]高红旭.基于Android操作系统的应用研究[D].西安电子科技大学,2011.
[13]余前勇.多传感器信息融合的室内三维定位算法与实现[D].中国矿业大学,2015.
[14]董奎，付彬，谭小兰.基于易安卓的森林资源调查辅助工具开发[J].四川林勘设计,2019.
[15]谢扬，潘子豪.易安卓开发平台可视化界面在智能家居领域的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2015
谢辞
从一开始选题到现在已经过了四五个月，一开始非常迷茫没有方向到逐步确定选题思路再一步步去绞尽脑汁怎么去实现已经记不清找过盛老师几次了，老师每一次都非常耐心，仔细的发现并指出我的问题，有时甚至是老师在上着课中间抽下课时间出来和我讲如何改正，真的非常感动。
虽然非常努力，但是毕竟是第一次写论文很多规矩都不是很懂，老师就首先从开题报告开始讲起，文献怎么引用，篇幅怎么编排，举出当年他的博士硕士论文给我们看，非常震惊，比我们的字数可要多太多了，专业程度也不是我们本科论文可比，不过通过这篇论文我也基本了解了如何写好开题报告，前期该准备些什么。
在做arduino板操作的时候也有很多不明白的地方，老师很愿意分享他的经验，在老师一步步的引导下，从arduino板和继电器组装完成，到开发环境的安装，最后在易安卓上编写控制app，一切都有条不紊的进行着。
稍微遗憾的是因为疫情原因本来想实现wifi
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