基于乐联网平台的智能家居系统的设计

基于乐联网平台的智能家居系统的设计燕山大学本科生毕业设计（论文）第1章绪论PAGE2基于乐联网平台的智能家居系统PAGE1背景1.1背景介绍智能家居是以家为平台，兼备建筑、自动化，通过网络等信息通信技术实现对家居电器的智能控制，不论距离远近，都能使其能够按照人们的设定工作运行，使家庭更为舒适、安全、高效和节能。智能化与远程控制是智能家居的两大特点。随着网络技术特别是无线网络的发展，网络化智能家居系统可提供遥控、家电控制、照明控制、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和安全。物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。物联网的应用已经很广泛，遍及智能交通、环境保护、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测等领域。智能家居是物联网最生活化的应用之一，如天热它会把温度调低，房间里没人会自动灭掉如此等等。本文设计的是一个以arduino芯片为控制核心的支持物联网的智能家居系统，利用温湿度传感器、烟雾传感器来采集室内的温度、湿度、颗粒度等数据显示在LCD屏幕上，并能通过继电器控制照明灯、空调运行，以Web控制为辅助，来制作一个物联网监控系统，同时通过乐联网提供的物联网传感器平台通过以太网发布到网络。能够以web方式、移动客户端（手机）方式、微信方式实现实时数据的显示和远程控制继电器动作，而且能够定时（或当温湿度和烟雾度超限时）自动推送短信、微信和发送新浪微博，实现故障诊断，提供报警。随着社会的不断发展，环境污染问题也越来越严重，由于目前建筑材料品质不一、劣质燃料、抽烟、通风不良等原因，室内的空气状况往往不如室外，尽管大量的空调系统被应用到室内空间，但往往为了节能，减少了自然通风而利用回风，使室内空气品质（IAQ）进一步恶化，同时出现的舒适性空调仅着眼于热舒适，忽视了空气净化，使人们出现了建筑物综合症、建筑物关联症和化学物资过敏症等病症。在这种情况下，本设计是有实用意义的。此系统旨在实现室内空气温度、湿度、烟雾的预警监测，给人们营造一个健康、舒适、安全的室内环境。直线二级倒立摆实验报告基于乐联网平台的智能家居系统第1章系统总体结构设计2.1系统总体结构介绍远程远程控制实时显示ArduinoUNO控制器（扩展W5100以太网模块）乐联网物联网传感器平台/短信微信新浪微博定时推送报警事件触发推送室内温度室内湿度室内烟雾度通过以太网通信继电器控制3个照明灯空调Web方式移动客户端（手机）方式微信方式图2.1系统整体框图如图2.1所示，以扩展了W5100以太网模块的arduinoUNO控制器为控制核心，能够与乐联网提供的物联网传感器平台通过以太网进行通讯，实现实时显示和远程控制。并且能够控制继电器的动作来控制室内照明灯的两灭和空调的启停，以及实现定时或者报警事件触发推送。基于乐联网平台的智能家居系统第3章系统硬件设计3.1主控模块本设计以扩展了W5100以太网模块的ArduinoUNO为核心控制器，如图3.1所示。图3.1ArduinoUNO

ArduinoUNO是ArduinoUSB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是\o"ATmega328"ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSPheader和一个复位按钮。具有使用类似Java,C语言的IDE集成开发环境。它包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板，另外一个则是ArduinoIDE，计算机中的程序开发环境。在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，Arduino电路板将会执行相应的指令动作。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。对Arduino的编程是利用Arduino编程语言(基于Wiring)和Arduino开发环境(basedonProcessing)来实现的。基于Arduino的项目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件，他们之间进行通信(比如Flash,Processing,MaxMSP)来实现。本设计中Arduino通过温湿度传感器和烟雾传感器采集室内的相关数据来感知室内环境，通过继电器控制照明灯和空调来反馈和影响环境。无线通讯是通过扩展W5100模块来实现的。W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100Mbps以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用W5100可以实现没有操作系统的Internet连接。其内部集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。全硬件TCP/IP协议栈支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程。3.2温湿度采集模块本设计用到的传感器为温湿度传感器DHT22（AM2302湿敏电容数字温湿度模块）和烟雾传感器（MQ烟雾气体传感器），如下图所示。图3.2温湿度传感器图3.3烟雾传感器AM2302湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。本设计通过使用这两个传感器来检测室内的温度、湿度以及颗粒度，将采集到的数据传送到控制器arduino，使继电器做出相应的动作，并实时的显示在LCD显示屏上。3.3显示模块本设计用到的显示模块为Nokia5110液晶屏，如下图所示。图3.4LCD显示屏表1诺基亚5110液晶显示模块的管脚引脚序号引脚名称功能引脚序号引脚名称功能1SDIN串行数据线5RES复位2SCLK串行时钟线6VCC电源正3D/C模式选择7LIGHT背光灯4SCE芯片使能8GND电源地Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符，接口简单，速度快。各个管脚的功能见表1。该显示屏用来实时的显示温湿度传感器和烟雾传感器采集到的室内的相关数据。图示显示的是复位后的内容。基于乐联网平台的智能家居系统PAGE42第4章系统软件设计4.1Arduino开发环境系统软件采用ArduinoIDE开发环境进行设计，调试完成后下载到Arduino控制器中运行。系统程序运用C++语言编写，结合一些主要函数来实现各个模块对应的功能。图4.1Ardiono程序编辑画面4.2乐联网介绍乐联网免费提供一个云端管理系统，可以完成数据显示、存储、分析、报警、分享等功能，室内传感器采集到的相关数据可以通过乐联网提供的物联网传感器平台通过以太网发布到网络。1、相关功能介绍（1）显示：可以通过任何可以上网的终端（PC，手机等）实时观察传感器设备；（2）存储：每个传感器免费保存10000条信息，可以在系统中查看或者通过excel格式导出；（3）分析：通过历史曲线，柱状图等功能，可以完成对数据的基本分析；（4）报警：每个传感器数据超出正常值范围或者掉线都可以通过短信或邮件的方式进行报警；（5）分享：可以绑定微博账户，随时与微博上面的朋友分享设备情况。2、云平台的编辑图4.2“