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基于蓝牙技术的智能家居自动化系统

Muhammad Asadullah, IEEE Student Member, Khalil Ullah, IEEE Member
Department of Electrical Engineering
National University of Computer and Emerging Sciences
Peshawar, Pakistan

摘要：本文介绍了一种低成本，用户友好的遥控器智能家居自动化系统，采用Arduino板，蓝牙模块，智能手机，超声波传感器和湿度传感器。 在建议的系统中使用智能手机应用程序，该系统允许用户使用蓝牙技术控制多达18台设备，包括家用电器和传感器。 如今，大多数传统的家庭自动化系统是为特殊用途而设计的，而所提出的系统是一种通用的家庭自动化系统。 这可以很容易地在现有的家庭实施。 建议的系统具有比常规家庭自动化系统更多的功能，例如用于水位检测的超声波传感器和用于自动植物灌溉系统的土壤湿度传感器。 本文还介绍了系统的硬件和软件结构，未来的工作和范围。 所提出的家庭自动化系统的原型在硬件上实施和测试，并给出了确切的和预期的结果。

关键词：家庭自动化； 手机； Arduino； 蓝牙； 家用电器；

1.介绍

家庭自动化系统是利用信息技术和控制系统来减少人力劳动。 技术的快速发展影响着我们使用智能手机遥控家用电器。 自动化设备有能力使用经验，勤奋和最低的错误率[1]。 家庭自动化系统的想法对于研究人员和家用电器公司来说是一个重要问题。 自动化系统不仅有助于减少人力，而且还可节省时间和精力[2-3]。 早期的家庭自动化系统被用于节省劳动力的机器，但现在其主要目标是为老年人和残疾人提供设施，以执行他们日常的日常工作，并远程控制家用电器。 联盟商业智能（ABI）的研究[4]报告称， 2012年期间在美国（美国）安装了近150万台家用自动电器，增长率为45.2％。 在基于无线的家庭自动化系统中， ZigBee [5]， Z-Wave [6]，全球移动系统[GSM][7]，通用分组无线业务[GPRS] [8]，红外[9] ，无线保真（Wi-Fi） [10-11]和蓝牙[12]等，每种技术都有其优缺点。基于蓝牙的无线家庭自动化系统可以低成本实施，并且易于安装在现有的家庭中[13]。 一项研究工作证明，蓝牙系统比无线和GSM系统。

根据蓝牙设备的类型，蓝牙技术能够在10米至100米的物理范围内串行传输高达3 Mbps的数据。所提出的方法提出了使用蓝牙技术的强大，低成本和用户友好的家庭自动化系统的设计和实施。 所提出的方法的设计基于Arduino板，蓝牙模块，传感器和智能手机应用。 蓝牙模块HC-06与Arduino板连接，家用电器通过继电器与Arduino板连接。 智能手机应用程序用于智能手机和蓝牙模块之间的串行通信，蓝牙模块与Arduino板进一步连接。 提出的方法不仅能够远程控制设备，还能够监视传感器。 如今大多数传统的家庭自动化系统都是为老年人，残疾人或任何特殊用途而设计的。 该方法不仅适用于老年人和残疾人，而且还提供了一种通用的家庭自动化系统，可以在现有家庭中轻松实施。 超声波传感器用于水位检测，土壤湿度传感器用于自动灌溉系统，为用户提供更多便利和便利。下一节将讨论相关工作。 在第三节中，介绍了整个系统的描述。 第四节描述了硬件架构，第五节描述了拟议工作的软件架构。 结果和分析在第六节中突出显示。 最后第七节描述了结论和未来的工作。

下一节将讨论相关工作。 在第三节中，介绍了整个系统的描述。 第四节描述了硬件架构，第五节描述了拟议工作的软件架构。 结果和分析在第六节中突出显示。 最后第七节描述了结论和未来的工作。

2.相关工作

已经研究了几种遥控家庭自动化系统。 R.Piyare和M.Tazil的研究工作[14]提供了完整的功能，通过ArduinoBT和使用蓝牙技术的手机之间的无线通信来远程控制家用电器。 Arduino BT板与家用电器连接，并由Symbian OS手机应用程序控制。Symbian OS手机只能支持python语言脚本，并且该系统无法支持基于Java的应用程序，现在大多数智能手机应用程序都是用Java开发的。 同样，另一项研究介绍了使用蓝牙和Android应用的家庭自动化系统。 但是，这仅适用于4灯，控制超过4灯并不可行家电[15]。在另一项研究工作[16]中，针对残疾人和老年人推出了基于XBee的家庭自动化系统。 XBee收发器用于主控制板和遥控设备之间的无线通信。

已经研究了几种遥控家庭自动化系统。R.Piyare和M.Tazil的研究工作[14]提供了完整的功能，通过ArduinoBT和使用蓝牙技术的手机之间的无线通信来远程控制家用电器。 Arduino BT板与家用电器连接，并由Symbian OS手机应用程序控制。 Symbian OS手机只能支持python语言脚本，并且该系统无法支持基于Java的应用程序，现在大多数智能手机应用程序都是用Java开发的。 同样，另一项研究介绍了使用蓝牙和Android应用的家庭自动化系统。 但是，这仅适用于4灯，控制超过4灯并不可行家电[15]。 在另一项研究工作[16]中，针对残疾人和老年人推出了基于XBee的家庭自动化系统。 XBee收发器用于主控制板和遥控设备之间的无线通信。

还研究了家庭监控和自动化系统，它由Arduino Uno和Digilent chipKTT实施。尽管这个系统被称为低成本系统，但它比蓝牙家庭自动化系统[17]昂贵得多。 低成本和无线控制的自动化系统由研究人员设计[18]。在[20]中，介绍了不同家庭自动化系统的概况。 作者强调了诸如蓝牙，ZigBee，GSM和EnOcean等不同技术的优缺点。 基于蓝牙的自动化系统成本低廉，使用户能够控制蓝牙网络范围内的设备。

图1 系统框图

3.系统描述

所提出的系统具有两个主要部分硬件和软件。 硬件部分包括三个主要硬件组件智能手机，Arduino板和蓝牙模块。 软件部分由Arduino集成开发组成。

环境（IDE）和蓝牙 应用程序之间用于无线通信智能手机和Arduino板。 这种方法也使用超声波和土壤湿度传感器，为用户提供更多便利和便利。 图1示出了所提出的家庭自动化系统的框图，并且流程图在图2中示出。

图2 系统总流程图

4.硬件架构

拟议的家庭自动化系统包含三个硬件组件智能手机，Arduino板和蓝牙模块。 智能手机用于使用智能手机应用程序和蓝牙技术与Arduino板进行通信。 在这项研究工作中，蓝牙模块HC 06和Arduino Uno用于硬件实现。

4.1 Arduino Uno

Arduino Uno是基于ATmega328P处理器的开源硬件和微控制器板。 它有14个数字输入/输出和6个模拟输入引脚，工作在5伏和16MHz石英晶体频率。 它具有32 KB闪存，2 Kb SRAM和1 KB EEPROM。

4.2 蓝牙模块HC-06

蓝牙模块HC-O6用于Arduino Uno和智能手机之间的无线通信。 HC-O6是一款从设备，可以在3.6至6伏的电压下工作。 它有6个引脚：状态，RXD，TXD，GND，VCC和EN。 对于串行通信，将蓝牙模块HC-O6的TXD引脚与Arduino Uno的RX（引脚0）连接，将RXD引脚连接到Arduino Uno的TX（引脚1）。 Adriano和蓝牙（BT）模块的连接图如图3所示。

图3 Arduino和BT模块的连接图

4.3 超声波测距传感器HC-SR04

超声波传感器HC-SRO4具有发射器和接收器。 它使用声纳来计算物理物体的距离。 它具有极好的2厘米到400厘米（13英尺）高精度的物体检测范围。 超声波传感器通过发射超声波来计算物体的距离，然后检测其反射波。 超声波传感器的工作原理如图4所示。

图4 Arduino和BT模块的连接图

Ping是以34O m / s的速度传输的输入超声波，Echo是用于确定距离的传感器的反射输出。 表1给出了超声波传感器HC SRO4参数规范及其限制。

在建议的工作中，使用超声波传感器来测量水箱内的水位。 它测量从水箱顶部到水位的距离，并通过蓝牙给出关于智能手机应用的报告技术。 首次使用浮板来提高水位检测的准确性，并取得比传统水位指示器更好的结果。 还会引入一个死区，以在罐装满时自动关闭水泵。

表1 HC-SR04的规格和限制

4.4 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器用于测量土壤内的含水量。 实际上它们被用于研究，农业和景观灌溉系统等应用。 土壤湿度传感器有三个引脚GND，VCC和模拟（AO）。 为了与Arduino板连接，GND引脚应该接地，VCC为5伏，模拟（AO）与Arduino板的模拟输入引脚连接。 在所提出的方法中，土壤湿度传感器用于自动植物灌溉系统，并且还将水分含量的测量报告传送给智能手机，用户将能够监测来自他的智能手机应用的含水量的值，并且进一步他能够接通并关闭灌溉用水。

5.软件设计

在这项研究工作中，使用了两个软件Arduino集成开发环境（IDE）和蓝牙终端应用程序。

5.1 Arduino IDE

IDE代表集成开发环境，所提议系统的整个编程都是在Arduino IDE工具中完成的。 波特率设置为每秒9600位，用于Arduino板和智能手机之间的串行通信。 Arduino IDE命令“Serial.Avai lable（）”用于从智能手机串行接收数据，“Serial.prin tln（）”命令用于从Arduino板向智能手机串行传输数据。 下面显示了从智能手机接收数据序列的代码。

状态变量用于存储接收字节的值，然后将其与不同条件进行比较并执行特定操作。 下面显示了开启和关闭光源的Arduino IDE代码。

类似的状态变量与不同的条件进行比较来控制更多的设备。

5.2 蓝牙终端应用

名为Bluetooth（BT）的智能手机应用程序简单终端[21]用于智能手机和Arduino板之间的无线通信。 它能够使用蓝牙模块将ASCII数据从智能手机串行传输到Arduino板。 表2给出了ASCII数据及其等同操作。根据所提出的方法，用户将能够使用蓝牙终端应用程序控制最多18个设备和传感器。

表2 ASCII数据与其相等的操作

6.结果

使用Arduino Uno，超声波传感器HC-SR04，土壤湿度传感器，蓝牙模块HC-06和智能手机在硬件上实现建议的家庭自动化系统。 土壤湿度传感器引脚（AO）与Arduino Uno模拟输入引脚AO，蓝牙模块TXD和RXD引脚相连分别与Arduino Uno RX和TX引脚连接，超声波传感器Echo和Trigger引脚分别与Arduino Uno引脚6和7连接，VCC引脚连接5V直流电源。 家用电灯，电动机和风扇通过继电器与Arduino Uno数字输出端口连接。 继电器用于5V至240V的开关电路。 图5显示了具有5V-240V开关电路的家庭自动化系统的示意图。

图5 所提出的系统的原理图，具有5V-240V开关电路

图6和图7演示了开关电路的输入和输出电压波形。 图6显示了继电器的输入和输出电压波形，当输入电压较低（OV）时，继电器输出为OV。 当输入电压高（5V）时，类似的继电器可为家用电器提供240V电源，如图7所示。

图6 5V-240V开关电路的电压波形（输入低电平）

蓝牙终端应用程序安装在智能手机上，智能手机和Arduino Uno之间建立了蓝牙无线连接。 密码保护用于将智能手机与蓝牙模块HC-06配对，仅允许授权用户使用。 图8说明了蓝牙终端应用程序的用户界面。

图7 用户界面蓝牙终端应用程序（输入高）

图8 用户界面Bluetooth终端应用程序

建议的家庭自动化系统在20米范围内进行了测试，并达到了100％的准确度。 所有连接的LED均由智能手机应用程序控制，智能手机还接收水位指示器和土壤湿度的测量报告。

7.总结

在这项研究工作中，提出了一个低成本和用户友好的家庭自动化系统设计。 它比现有的基于蓝牙的传统家庭自动化系统具有更好的性能，它为家庭自动化提供了一种通用方法，它不仅适用于老年人和残疾人，而且还有利于减少人力和传感器节约能源。 对于读者的知识，这是首次在家庭自动化系统中使用超声波传感器和浮板用于水位检测的论文。 另外提出的系统能够在用户智能手机应用上传输传感器的测量报告。 此外，在提出的系统中使用的智能手机应用程能够连接18个家用电器和传感器。 建议的系统在20米范围内进行分析和测试，并达到100％的准确度。

建议的系统只能在短距离范围内控制设备，对于未来的研究工作，建议增加传感器的范围和接口，它应该是一个低成本和用户友好的系统。 此外，家庭自动化系统可以与生物医学（EMG）信号连接。 这对截肢者是有益的，他们将能够利用肌肉的运动来控制电器。

参考文献

【1】K. Mandula, R. Parupalli, C.A. S. Murty, E.Magesh and R. Lunagariya,'Mobile based home automation using Internet of Things(l

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