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基于蓝牙的智能手机家居自动化系统
1Sukhen Das 2Sanjoy Ganguly 3Souvik Ghosh 4Rishiraj Sarker
5Debaparna Sengupta
电气工程系
印度理工学院，Rajarhat
加尔各答-700156，印度
1d.sukhen93@gmail.com 2 sanjoyganguly007@gmail.com 3souvikg75@gmail.com 4sarker.rishiraj88@gmail.com
5imdebaparna@gmail.com
摘要
本文介绍了一种基于arduino(微控制器)和android应用的可靠、紧凑、快速、低成本的智能家居自动化系统。蓝牙芯片已与Arduino一起使用，从而不在使用个人计算机(PC)。在设计的系统中加入了各种设备，如电灯、直流伺服电机等，以证明所提出的智能家居系统的可行性、可靠性和快速运行，整个系统经过测试，运行良好，实现了开关功能、伺服电机位置控制、直流电机速度控制和光强控制(通过电压调节)等操作。
关键词：Arduino；蓝牙模块；家庭自动化；PWM；智能手机
- 引言
随着移动设备(智能手机)的发展，其需求日益增长，由于其多维功能和最先进的技术，对移动应用在日常生活中的需求也越来越大。由于现今的一代人很忙，个人有时会忘记关掉各种家用电器，或者不确定这些设备是开着还是关着。有时，个人也需要打开很少的设备，如空调，少量的灯等。为了回家后马上就能有一个舒适愉快的气氛，身体残障人士也可以通过语音识别系统来控制这些设备，在智能手机、Android应用和相关技术的出现后，现在可以在家庭自动化系统中实现所有理想的功能。
一种基于互联网的家庭自动化系统，其重点是控制家庭电子设备，而不管有人是在家里还是在房子外面，并且文中使用的器具和设备可互换。自动化是目前的趋势，设备自动控制。到目前为止，家庭自动化系统的日常操作主要集中在远程或近距离打开或关闭不同设备的基本任务上，技术进步使研究人员和开发人员能够使用蓝牙或Wi-Fi技术连接家庭自动化系统中的不同设备。在早期，家庭自动化系统是通过电话机和电话网远程控制的。最初，PC机和电话网都是为家庭自动化系统而开发的，DTMF(双音多频)信号从发送方电话(DTMF类型)通过电话线发送到接收电话(DTMF类型)，并在系统中包含了一个开关钩检测器、一个环形检测器和一个PC，系统与PC机之间的接口是通过插入PC机扩展槽的I/O接口卡实现的。软件部分采用TurboBasic和汇编语言编写，通过密码交叉检查，在本系统中引入了身份验证[1]。在后期阶段，PC机已被专门为家庭自动化系统设计的电子控制电路所取代；控制电路的各个组成部分是：一个微控制器和不同的逻辑控制装置。在这个升级版的系统中，除了环形检测器之外，还包括一个环计数器和一个通过码检测器。该控制电路能够有效地驱动和控制不同的家用电器[2]。在后期阶段，少部分研究人员开发出基于无线局域网的家庭自动化系统，它可以传输视频数据，并可以利用TCP/IP技术，灵活地控制各种设备，同时使用DTMF技术的防盗报警系统，有了这个附加功能，用户可以通过自己的网站访问网络，查看自己的家庭和家庭状况。随着移动技术的发明，研究人员产生了一个有趣的想法，即在家庭自动化领域使用移动技术。他们开发了一个基于SMS(短消息服务)技术的家庭自动化系统，它使用GSM调制解调器。调制解调器是家庭自动化系统和用户之间的接口。这个调制解调器通过短信交换信息，在调制解调器和各种传感器和执行器之间加入了一个微控制器，以精确和快速地控制系统[3]。在此基础上，开发了基于遥控器的家庭自动化控制系统，但这些技术各有优缺点。
远程控制系统的主要缺点是操作范围小，不能从外部控制。DTMF及以流动电话为基础的系统则消除了这个问题，但是因为基于现代DTMF的系统需要两部移动电话(一部用于呼叫，一部用于接听)，而且每一次通话都将由服务提供商向个人收取电话费，因而增加了成本。该系统的另一个缺点是：没有关于设备当前状态的反馈(设备当前是否打开/关闭)。因此，用户在进行任何状态更改之前，必须确定设备的确切状态。在蓝牙技术等出现后，Wi-Fi技术取代了旧技术，占领了家庭自动化系统的市场，这两种技术完全消除了原有系统的弊端。与基于Wi-Fi的系统相比，蓝牙技术具有成本效益，因为它离线工作。但是，如果我们把蓝牙技术结合起来，控制各种设备的操作范围很广(范围很多)，但它是有限的，即不能从世界各地控制系统。与此形成对比的是，基于互联网的系统是多功能的，可以控制任何我们想要的形式。自动化已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。随着科技的进步，人们的需求已不仅仅局限于打开或关闭某些设备的基本任务，而且还广泛地分布在各种设备的精确、平滑和快速的控制和调控上，无论是远程的还是近距离的，于是提出了一种基于蓝牙的手机家庭自动化系统[4]。提出了一种通过继电器和I/O端口连接不同设备的Arduino蓝牙板。手机必须与蓝牙模块无线连接。还讨论了密码交叉检查，以防止未经授权的用户。基于Arduino且使用ip连接的微型web服务器的家庭自动化系统，用于对不同设备的监控(仅限开关控制)[5]。智能家居是一个非常有希望和有趣的领域，它为我们提供了各种好处，例如增加舒适、更安全和更有保障、更有效地利用能源和其他资源；从而大大节省了电力。
本研究的应用领域非常有用，为老年人和残疾人的特殊需要提供了有力的帮助和支持手段，将在未来得到广泛的应用。利用以太网屏蔽技术和Wi-Fi技术，设计并实现了一套基于arduino的家庭自动化系统，并配备了语音激活系统，为老年人和残疾人服务[6]。本文讨论了一种基于蓝牙无线技术和手机的家庭自动化系统，使用户能够监控和控制各种接入网络的设备(仅限开关控制)[7]。一种利用智能手机、android应用程序和嵌入式微web服务器的智能家庭控制和监控系统，具有ip连接性，可以远程访问和控制各种设备和设备[8]。该项目使用REST(代表性状态传输)、完整的Web服务和Arduino以太网。本文讨论了一种基于智能手机的分布式控制系统体系结构和一个三层体系结构CORBA
(CommonObjectRequestBrokerArchitecture)操作系统[9]。基于iCloud的家庭自动化系统已经开发出来，用于各种家用电器的精确监测和控制(开关控制)[10]，
并提出了一种基于eca的家庭自动化系统[11]。其他自动化领域，如先进的交通通道、公共场所证券等也已被提出[12]。虽然它不在我们的范围之内，但它给了我们一个关于当前自动化沉浸领域的想法。我们实现的系统能够控制智能手机的灯开关、伺服电机位置和直流电机的速度，但该系统相对于以前构建的系统而言，新的改进是采用智能手机和蓝牙技术进行光强控制，借助Android应用和蓝牙技术我们能够平稳地增加或降低LED的电压。这样，我们就可以根据自己的需要来控制光的强度。这是一个额外的特性，除了传统的开/关控制光(手动或自动地LDR)，设计的家庭自动化系统允许用户在Android应用程序的帮助下，控制着通过蓝牙网络连接的不同设备。本课题的系统设计、硬件实现和总结在随后的章节和参考文献中进行了讨论。
- 系统设计
图 Arduino UNO
图1显示了一个Arduino Uno微控制器，它有14个数字输入/输出引脚(其中6个引脚为PWM输出)，其中hc-05蓝牙模块则用于无线通讯，该蓝牙模块包含6个引脚-VCC，GND，TX，RX，KEY和LED，蓝牙模块可以工作在两种模式：主模式和从模式。
蓝牙模块在建立连接后，无论选择何种模式，都可以发送和接收数据。该模块有“1234”的工厂设置引脚，用于将模块与电话通过ardudid应用程序配对使用。Ardudid是一个简单的工具，通过HC-05蓝牙串行模块从Android手机控制Arduino Uno。
Arduino微控制器最大的优点是它易于使用。由于Arduino与5V调节器，一个软件燃烧器，一个微控制器，一个振荡器，串行通信接口，许多LED和连接头的完整封装，设计人员不必担心编程或任何其他接口的连接。设计人员只需将Arduino插入计算机的USB端口，就可以在计算机和Arduino之间建立连接，编写程序并上传或存储在Arduino中。
Arduino的另一大优势是，Arduino网站是一个设计精良、组织良好和易于使用的工具，可作为该领域的初级设计师的百科全书，它的现成程序库在Arduino软件中存在，为新的设计者提供了关于Arduino语言的语法和编程语言形成的清晰思路。Arduino语言是与C语言相结合形成的高级编程语言，它是一种用户友好的语言，易于理解和使用。此外，Arduino还为设计者提供了使用现成程序的灵活性，从Arduino网站下载这些程序，然后在Arduino内部传输或存储它们，以便根据用户的需要对已经设计和实现的系统进行克隆。在Arduino的编写过程中，可以看到Arduino的一些内置函数使得程序编写非常容易。Arduino的另一个优点是它的自动单元转换能力，这就是为什么，可以说，在调试期间，我们不必担心单元转换。因此，设计师能够在项目的主要部分使用他/她的全部力量，而不必担心附带的问题。
另一个主要优势是社区建设。在互联网上有许多论坛，人们在论坛上讨论和分享他们对Arduino的看法。工程师、爱好者和专业人士正在通过Arduino进行他们的项目，他们可以很容易地从论坛上获得有关一切的帮助。此外，Arduino网站本身也解释了Arduino的每一项功能。
因此，我们可以得出结论，Arduino 的优势在于，设计师只需要专注于他/她的创新思想，剩下的部分将由Arduino 自己来处理。
图 蓝牙模块
图2表示本项目中使用的蓝牙模块的图形。如果模块被设置为从模式，它不能启动到另一个蓝牙设备的连接，但是预定的智能手机可以接受连接。当它处于主模式时，该模块可以启动到其他设备的连接。该模块由背板和蓝牙主板两部分组成。
实现的系统设计为从模式运行。这样，系统就可以直接用智能手机连接到Arduino。因此，智能手机向Arduino发送一组指令，通过该Arduino生成输出信号集，该输出信号组反过来通过驱动器控制不同的设备
图 系统框图
上面图3给出的是实现系统的框图。多个LED连同一个伺服电机和一个直流电机连接到微控制器板的输出端口。这些组件可以通过智能手机进行访问和控制，响应速度快.。采用Arduino技术可以产生各种信号，采用脉宽调制(PWM)技术可以控制LED的强度、直流伺服电机的位置和直流电机的转速。
图 系统操作流程图
图4表示系统运行的流程图。所设计的系统具有密码保护功能。如果用户输入正确有效的密码，则只建立连接，他/她就可以访问系统。
- 硬件测量
为了验证所设计系统的运行和不足，本文开发了系统的硬件实现。
图 5不同硬件组件
(i)Arduino Uno (ii) 蓝牙设备 (iii) 补助马达间接变速装置(iv)直流动机(v) BJT
CIL187 (vi) LEDs (vii) 电阻 (viii) 充电电线 (ix) 面包板
图 Ardudid应用程序预览
图 系统互连
图5、6和7分别代表不同的硬件组件、标准应用程序预览和系统互连。硬件由Arduino UNO AT mega 328和输入输出端口(模拟、数字、电源)、蓝牙模块、USB接口、7~12伏特直流输入端口等组成。本课题采用蓝牙模块与智能手机进行通信。在电阻的帮助下，蓝牙模块被设置为从模式。引脚2、4、7、8、12和13是数字输出端口，而第3、5、6、9、10和11号引脚是PWM输出端口。
4个LED连接到7、8、12和13引脚，并实现了对它们的开关控制。一个LED连接到第9号引脚(PWM O/P端口)，LED的亮度通过Android应用程序进行平滑控制，这是原有基于蓝牙的家庭自动化系统的额外增加。11引脚(PWM O/P端口)与伺服电机的信号I/P连接，借助Android应用程序，可以顺利地控制电机的正反向位置。最后，通过BJT CIL 187将10针(PWM输出)与直流电机连接，实现了平稳的调速控制。设计的系统已成功地进行了测试和运行。
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