arduino的智慧家居控制系统的设计
【摘 要】本课题设计一套基于Arduino单片机的智慧家居控制系统，它由环境数据采集系统、arduino控制平台和电脑及手机客户端三部分组成。数据采集主要是通过光照度、温度传感器对室内光照强度和温度参数进行检测。Arduino控制平台采用了台湾修平科技大学推出的改进版Arduino Nano，借助OLED实时显示光照强度和温度参数，并根据光照度和温度的设定分别对LED灯和风扇的进行控制。在客户端设计了两种控制方案，一是采用VB软件编写的上位机监控软件通过串口对LED灯进行控制，二是利用AppInventor2软件编写的移动手机客户端APP对风扇进行控制。
目录
一、绪论 1
（一）智能家居的发展 1
（二）智能家居的研究意义 2
二、系统总体设计方案 4
（一）系统框图 4
（二）系统工作原理说明 4
三、系统硬件设计 6
（一）单片机的选择 6
1、Arduino简介 6
2、Arduino各版本性能比较 7
（二）温度检测模块设计 10
（三）光照度检测模块设计 11
（四）OLED显示模块设计 12
（五）LED灯模块设计 13
（六）风扇模块设计 14
（七）按键模块设计 15
（八）蓝牙模块设计 15
四、软件系统设计 17
（一）Arduino程序设计 17
1、Arduino单片机编程环境介绍 17
2、Arduino总体程序流程图 19
（二）PC端VB程序设计 21
1、用户界面设计 21
2、后台程序设计 22
（三）安卓手机端程序设计 23
1、APP Inventor编程软件简介 23
2、APP Inventor组件设计 24
3、APP Inventor逻辑设计 25
五、实物制作及功能演示 29
（一）实物制作 29
（二）实物调试 29
1、光控系统功能调试 29
2、
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温控系统功能调试 31
五、结论 35
致谢 36
参考文献 37
附录1：电路原理图 38
附录2：ArduinoNano（1）照度控制程序 39
附录3：ArduinoNano（2）温度控制程序 42
附录4：Vb电脑端程序 46
附录5：手机端程序 52
一、绪论
（一）智能家居的发展
随着微电子技术、互联网技术以及新的无线技术的进一步发展，智能家居产业的技术瓶颈已经打破，使“物联”的理论有了实践的可能，进一步带动了智能家居和智能控制的发展。物联网IOT，顾名思义可以让万物与万物之间，利用网络全部结合在一起。在物联网下，计算机、冰箱、洒水器都变的有生命，冰箱坏了会传简讯给你；天气干燥，洒水器会多喷几次水；出门前提醒你瓦斯还没关，任何你可以想到的运用以及物品，都可以结合。物联网带来更方便的生活与安全。
所谓物联网IOT(Internet of Things，IOT)乃是透过各种信息感测设备(sensors)实时感知物理世界的状态，并传输至因特网以实现智慧化识别、定位、跟踪、监控和管理。如果以人体形容，物联网的每一个端点就像是神经末梢，持续将感应的信息透过神经网络汇流到神经中枢，最后在大脑进行分析、判断，决定最佳的响应方式。物联网信息传导过程中也会有类似反射神经般作用，能够在信息传输中途就实时响应，以快速反应环境变动、减轻网络传输与运算负担。物联网其相对应者即是因特网，以往因特网所着重者乃是人与人以及人与物的联络；但物联网引领划时代网络应用服务新境界，随着无所不在(ubiquitous)通讯网络、以及讯息交换与传递技术方法之推陈出新，在任何地方与任何时间之物与物间之通讯，带给了资通讯技术一个崭新的维度(dimension)，这亦即是「物联网」的概念起源。而又在人人、人物、物物的连结倍速增加与大幅延展之后，建构出了一个全新的动态网络；佐以各种储存、运算、自动化控制等智慧化技术，为人类社会带来划时代的网络应用服务新境界，美国研究机构Forrester预测：IOT物联网产值到了2020年，将是目前因特网相关产业产值的30倍。现今物联网之建置发展已成为各国资通讯产业重要议题，国际间有关物联网之竞争亦日趋激烈。美国、欧盟、日本等都将物联网作为国家重点战略领域之一；中国则公告三网融合新政策，强调整合广播电视网、电信网与因特网之策略后，工信部正式发布「物联网十二五发展规划」，将超高频和微波RFID(Radio Frequency Identification，RFID)标签、智能传感器等领域列为支持重点，并将在九大领域如智慧工业、智慧农业、智慧物流、智慧交通、智能电网、智能环保、智能安防、智慧医疗、智慧家居等展开示范工程，力争实现物联网规模化应用。
物联网可分为三个阶层，即感知层(Device)，网络层(Connect)，及应用层(Manage)，如图1所示。感知层针对不同的场景进行感知与监控，具有感测、辨识及通讯能力的设备，例如RFID(Radio Frequency Identification, RFID)标签及读写器、GPS(Global Positioning System, GPS)、图像处理器、温度、湿度、红外线、亮度、压力、音量等各式传感器；网络层将感知层收集到的数据传输至因特网，并建构在无线通信网络上；应用层则将物联网与行业间的专业进行技术融合，并根据不同的需求开发出相应的应用软件。应用层物联网实例如智能远程医疗健康照护、智能交通、智能家庭、物流管理应用系统、智能污染监控，及智能电网、智慧电表等。
图1 物联网三个阶层架构示意图
（二）智能家居的研究意义
在《物联网“十二五”发展规划》中，将智能家居列入9大重点领域应用示范工程，为智能家居的发展带来了二次革命。智能家居系统是未来家庭的发展趋势，目前智能家居系统的控制方案与实现的功能都很多，但是通常都需要设计者具备较强的专业知识，其通用扩展性和创新性也不强。随着Ａrduino开源平台的推出，与之相配套传感器模块的大量出现，以及智能手机等智能化手持设备的广泛普及应用，人们很容易就能搭建一个基于Ａrduino、具有个性化的智能家居平台。
本课题设计一个基于Arduino单片机的模拟智能家居系统，利用光照度、温度传感器对室内光照强度和温度等参数进行检测，借助OLED进行实时的显示，并根据光照度和温度的设定分别实现对LED灯和风扇的智能控制。该系统不但可以通过串口在电脑PC采用VB界面进行光照的控制，还可以通过蓝牙采用手机APP进行温度的控制。
本课题采用了Arduino平台，它开源，容易上手，设计中采用模块化的思想，设计方案原理简单、硬件稳定性高、扩展性强。在客户端采用了两种设计方案。一是在PC机上使用VB2010编写了控制界面，VB是一种被公认为最简单、最高效的编程方法，VB提供可视化开发环境，利用VB丰富的控件组，像拼搭积木一样编程程序，省去了写代码的麻烦，这样可以使设计者把更多的精力放在程序功能的实现上。二是采用了AppInventor2在线开发环境设计手机控制界面，AI2由美国麻省理工学院媒体实验室开发的Android编程软件，它同样也是开源的，只要使用浏览器，透过拼图式的云端开发环境，不用撰写任何程序代码就能轻松设计出各种创意有趣的App。
目录
一、绪论 1
（一）智能家居的发展 1
（二）智能家居的研究意义 2
二、系统总体设计方案 4
（一）系统框图 4
（二）系统工作原理说明 4
三、系统硬件设计 6
（一）单片机的选择 6
1、Arduino简介 6
2、Arduino各版本性能比较 7
（二）温度检测模块设计 10
（三）光照度检测模块设计 11
（四）OLED显示模块设计 12
（五）LED灯模块设计 13
（六）风扇模块设计 14
（七）按键模块设计 15
（八）蓝牙模块设计 15
四、软件系统设计 17
（一）Arduino程序设计 17
1、Arduino单片机编程环境介绍 17
2、Arduino总体程序流程图 19
（二）PC端VB程序设计 21
1、用户界面设计 21
2、后台程序设计 22
（三）安卓手机端程序设计 23
1、APP Inventor编程软件简介 23
2、APP Inventor组件设计 24
3、APP Inventor逻辑设计 25
五、实物制作及功能演示 29
（一）实物制作 29
（二）实物调试 29
1、光控系统功能调试 29
2、
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
温控系统功能调试 31
五、结论 35
致谢 36
参考文献 37
附录1：电路原理图 38
附录2：ArduinoNano（1）照度控制程序 39
附录3：ArduinoNano（2）温度控制程序 42
附录4：Vb电脑端程序 46
附录5：手机端程序 52
一、绪论
（一）智能家居的发展
随着微电子技术、互联网技术以及新的无线技术的进一步发展，智能家居产业的技术瓶颈已经打破，使“物联”的理论有了实践的可能，进一步带动了智能家居和智能控制的发展。物联网IOT，顾名思义可以让万物与万物之间，利用网络全部结合在一起。在物联网下，计算机、冰箱、洒水器都变的有生命，冰箱坏了会传简讯给你；天气干燥，洒水器会多喷几次水；出门前提醒你瓦斯还没关，任何你可以想到的运用以及物品，都可以结合。物联网带来更方便的生活与安全。
所谓物联网IOT(Internet of Things，IOT)乃是透过各种信息感测设备(sensors)实时感知物理世界的状态，并传输至因特网以实现智慧化识别、定位、跟踪、监控和管理。如果以人体形容，物联网的每一个端点就像是神经末梢，持续将感应的信息透过神经网络汇流到神经中枢，最后在大脑进行分析、判断，决定最佳的响应方式。物联网信息传导过程中也会有类似反射神经般作用，能够在信息传输中途就实时响应，以快速反应环境变动、减轻网络传输与运算负担。物联网其相对应者即是因特网，以往因特网所着重者乃是人与人以及人与物的联络；但物联网引领划时代网络应用服务新境界，随着无所不在(ubiquitous)通讯网络、以及讯息交换与传递技术方法之推陈出新，在任何地方与任何时间之物与物间之通讯，带给了资通讯技术一个崭新的维度(dimension)，这亦即是「物联网」的概念起源。而又在人人、人物、物物的连结倍速增加与大幅延展之后，建构出了一个全新的动态网络；佐以各种储存、运算、自动化控制等智慧化技术，为人类社会带来划时代的网络应用服务新境界，美国研究机构Forrester预测：IOT物联网产值到了2020年，将是目前因特网相关产业产值的30倍。现今物联网之建置发展已成为各国资通讯产业重要议题，国际间有关物联网之竞争亦日趋激烈。美国、欧盟、日本等都将物联网作为国家重点战略领域之一；中国则公告三网融合新政策，强调整合广播电视网、电信网与因特网之策略后，工信部正式发布「物联网十二五发展规划」，将超高频和微波RFID(Radio Frequency Identification，RFID)标签、智能传感器等领域列为支持重点，并将在九大领域如智慧工业、智慧农业、智慧物流、智慧交通、智能电网、智能环保、智能安防、智慧医疗、智慧家居等展开示范工程，力争实现物联网规模化应用。
物联网可分为三个阶层，即感知层(Device)，网络层(Connect)，及应用层(Manage)，如图1所示。感知层针对不同的场景进行感知与监控，具有感测、辨识及通讯能力的设备，例如RFID(Radio Frequency Identification, RFID)标签及读写器、GPS(Global Positioning System, GPS)、图像处理器、温度、湿度、红外线、亮度、压力、音量等各式传感器；网络层将感知层收集到的数据传输至因特网，并建构在无线通信网络上；应用层则将物联网与行业间的专业进行技术融合，并根据不同的需求开发出相应的应用软件。应用层物联网实例如智能远程医疗健康照护、智能交通、智能家庭、物流管理应用系统、智能污染监控，及智能电网、智慧电表等。
图1 物联网三个阶层架构示意图
（二）智能家居的研究意义
在《物联网“十二五”发展规划》中，将智能家居列入9大重点领域应用示范工程，为智能家居的发展带来了二次革命。智能家居系统是未来家庭的发展趋势，目前智能家居系统的控制方案与实现的功能都很多，但是通常都需要设计者具备较强的专业知识，其通用扩展性和创新性也不强。随着Ａrduino开源平台的推出，与之相配套传感器模块的大量出现，以及智能手机等智能化手持设备的广泛普及应用，人们很容易就能搭建一个基于Ａrduino、具有个性化的智能家居平台。
本课题设计一个基于Arduino单片机的模拟智能家居系统，利用光照度、温度传感器对室内光照强度和温度等参数进行检测，借助OLED进行实时的显示，并根据光照度和温度的设定分别实现对LED灯和风扇的智能控制。该系统不但可以通过串口在电脑PC采用VB界面进行光照的控制，还可以通过蓝牙采用手机APP进行温度的控制。
本课题采用了Arduino平台，它开源，容易上手，设计中采用模块化的思想，设计方案原理简单、硬件稳定性高、扩展性强。在客户端采用了两种设计方案。一是在PC机上使用VB2010编写了控制界面，VB是一种被公认为最简单、最高效的编程方法，VB提供可视化开发环境，利用VB丰富的控件组，像拼搭积木一样编程程序，省去了写代码的麻烦，这样可以使设计者把更多的精力放在程序功能的实现上。二是采用了AppInventor2在线开发环境设计手机控制界面，AI2由美国麻省理工学院媒体实验室开发的Android编程软件，它同样也是开源的，只要使用浏览器，透过拼图式的云端开发环境，不用撰写任何程序代码就能轻松设计出各种创意有趣的App。
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