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低成本、多功能的智能家居系统的原型设计和实现

摘要：已经提出了许多智能家居系统，但是在高成本，低功能性，难以令人满意可靠地使用且无法开发的方面仍存在一些限制。因此，该研究项目的目的是设计和开发一种智能家居系统的原型，该系统成本低，具有用户友好的界面，并且通过使用硬件和软件的集成系统而可扩展且可靠。使用了像Arduino Uno，伺服电动机，温度传感器，运动传感器和电池的硬件开发智能家居系统的原型。该软件包括Arduino集成开发环境（IDE），用于在硬件中编译代码并在 Android手机上使用MIT App Inventor将手机与硬件连接起来。 此外，为了使原型设计更专业，还使用Sweet Home 3D软件。

该系统已经在之前的工作中进行了评估，并向六位专家展示了所获得的一些关于原型的反馈。原型的测试表明该系统是一个集成的，实用的且易于使用的，并且任何新设备都可以很容易地安装到系统中。该研究项目的目标已成功实现。然而，原型需要进一步的开发，包括电源可靠性，使用其他无线技术，如Wi-Fi和ZigBee，以及跨平台应用程序与iOS等不同操作系统一起使用，以便人们通过MIT App Inventor使用Apple设备。

关键词：智能家居；安卓应用程序；Arduino Uno；安全性；家电；蓝牙

1引言

随着技术的进步，现代社会的生活方式发生了巨大变化，简单房屋的理念和概念已经变成了智能家居。智能住宅是一个简单的房子，利用现代技术开发，利用这项技术的优势为个人提供更多服务。技术的进步促进了个人及其财产的安全^[1]。

智能住宅的概念涉及三个基本特征。 首先，通过传感器网络监控是非常重要的，以获取有关房屋及其居民的信息或数据。 其次，机制控制设备之间通信的使用，以允许自动化和远程访问。 最后，诸如智能电话和计算机之类的用户界面允许用户指定偏好以及向人们呈现关于这些偏好的信息^[2]。

智能住宅是一个拥有复杂系统的房子，通过它可以控制房屋中的某些东西，如灯，门，窗，它可以通过使用传感器合理化能耗和其他功能。 基本上，在房屋中使用该技术最重要的好处之一是为人们，特别是残疾人和老年人提供服务^[3]。智能住宅近年来已经出现并广泛传播，因为人们希望能够完全舒适地生活，并节省用于日常家庭责任的时间^[4]。

智能住宅几十年来一直是科幻小说的梦想，但自20世纪初广泛引入房屋电源和技术的迅速发展后，它才成为现实^[5]。有几个研究和商业版本的智能家居系统被引入和建造，但其中大多数是关于安全系统^[6]。到目前为止，智能住宅系统已经包含了许多不同的技术，并且市场上已经提供了超过10年的商品^[7]。尽管近年来工业领域迅速发展，但还没有公司将智能住宅作为一种流行技术引入。这是由于几个原因造成的，例如成本高，安装和使用困难，功能较少，而且没有定制^[8]。

因此，在设计智能住宅系统时应考虑某些因素^[1]。首先，该系统必须价格低廉且价格合理，这有助于人们购买它。其次，智能住宅的系统应该是可扩展的，以便可以容易地将任何新设备安装到系统中。最后，应在主机端提供用户友好的界面，以便可以控制和监控设备，以便任何人都可以轻松使用它^[9]。如今，移动电话不仅用于拨打电话或向人们发送消息。 随着技术的不断快速发展，移动设备的使用已经发生了变化。智能手机在我们的生活中可以用于不同的目的，因为它们具有不同的操作系统，其中一些运行Android，另一些运行Apple的iOS ^[9]。智能手机可以通过Wi-Fi和蓝牙等无线技术将数据从手机传输到另一台设备。 智能家居技术是近年来智能手机应用发展起来最重要的方面之一^[10]。事实上，先进的技术可用于开发智能住宅的概念，以提供更多的舒适性和安全性^[11]。

这项研究背后的想法是通过使用Arduino Uno和手机控制门，窗，灯和电力来实现低成本智能家居设计的合适原型。基本上，这个项目背后的动机是它可以在中东使用，并利用智能手机等现代技术来控制家中的许多设备。人们将在日常生活中从安全性和最小化能耗方面受益于这种原型。

这项研究的主要内容是通过使用Arduino Uno和手机控制门，窗，灯和电来为智能住宅设计合适的原型。它旨在以低成本，用户友好，多功能，可靠的方式在中东使用，并提供更高的安全性并最大限度地降低能耗。

本论文的其余部分安排如下：该领域的文献综述和相关工作见第二部分，后面接着项目要求和设计方法是第三部分，系统实现在第四部分中表示，测试和结果报告在第五部分，最后的结论是在第六部分。

2文献综述和相关工作

智能家居不是科学界的另一个术语，但它仍然远离个人的愿景和野心^[3]。这是因为远程控制在智能家居中的应用仅限于计算机的应用，并且仅限于某些情况下的移动电话。随着电子技术的快速发展，智能家居领域也在不断发展。 已经提出了不同的智能系统，其控制通过蓝牙，网络，SMS等。蓝牙容量很大，并且当前大多数平板电脑，计算机和移动电话间接地降低了系统的成本^[9]。但是，控制仅限于环境，而其他系统不太适合用作低成本解决方案^[1]。

智能家居允许人们控制家用设备，如门、窗、灯等。它还提供家庭安全，并使紧急系统能够被激活。智能住宅的优势不仅仅是指减少人们的努力，还可以减少能源消耗和时间消耗^[12]。智能住宅和安全的主要目标是帮助老年人和残疾人，使他们能够控制家用电器^[13]。通过近年来技术的不断发展，智能住宅已成为现实。技术的快速发展改变了人们的生活方式，也挑战了传统的生活方式。此外,生活水平日益提高，因此个人对住房的要求更高^[14]。

众所周知，智能住宅的概念集中了研究人员和客户的考虑，以协调利用最近的技术。为改进智能住宅的遥控系统做出了重大努力^[14]。这些系统的早期工作主要取决于电话线的使用，例如依赖于使用遥控器和个人计算机的电话的系统^[15]。然而，使用手机作为遥控器的这些类型系统的主要弱点是它们无法与任何客户端接口连接。因此，通信技术的普及使得大多数智能家庭专注于利用无线通信来连接家用电器^[16]。在家庭环境中添加技术可以为可能需要医疗保健的老年人和残疾人提供合适的生活。残疾人和老年人可能很难在没有其他人帮助的情况下完成日常生活活动。在过去，智能住宅的想法主要集中在残疾人和老年人的日常生活中^[17]。随着物联网的出现，智能住宅的研究和实施变得越来越受欢迎^[18]。有助于数据传输，传感和控制的不同无线技术，如Wi-Fi，RFID，ZigBee和蓝牙已被用于在家中嵌入不同级别的智能^[19]。^[18]的研究通过使用没有互联网连接的Android智能手机引入了基于蓝牙的智能家居系统。这些设备通过蓝牙直接相互连接，并通过智能手机进行控制。然而，系统的成本非常昂贵，并且由于使用它的困难，用户无法应对该系统^[18]。

由于近年来对智能住宅的需求急剧增加，因为它们具有安全性、舒适性等各种好处，许多研究人员和公司都试图提供更有效和更优质的系统，以满足个人需求^[20]。一些研究人员提出了智能家居系统，允许人们通过互联网管理他们的房子^[21]。该想法是基于Wi-Fi的家庭控制系统，其利用控制连接的房屋设备的个人计算机。这些系统的缺点是已经使用了个人计算机，这增加了功耗并增加了安装的价格。而且，这些系统需要托管网页，这也增加了系统的成本^[9]。

最近，技术的进步帮助开发人员和研究人员引入智能住宅，为住户提供不同类型的服务，如健康、通信、安全、能源效率^[22]。因此，研究人员提出智能家居将家用设备与智能手机集成在一起。智能手机功能完善，可用于通过Wi-Fi和蓝牙等自组织网络连接到任何其他设备^[23]。有几个智能房子提供使用智能手机来监控门、窗、灯、电等，并通过使用移动界面控制它们^[21]。然而，它们尚未在中东广泛使用。该文献综述的重点是介绍智能住宅系统以及其他相关工作的先前工作。

A.之前的工作

智能家居是研究人员花费时间和金钱来介绍和开发它的最重要的想法之一。智能家居系统近几十年来不断增加，因为先进技术被用于设计智能家居，如智能手机和传感器^[23]。它们是智能住宅中使用的一些最重要的技术。研究人员和开发人员已经提出了几种类型的智能住宅，例如使用基于Android的智能手机的智能住宅，使用Arduino Yun Board的智能住宅系统，以及智能家居监控和控制家中的不同设备。然而，在设计智能房屋方面仍然存在一些限制，例如高成本，难以使用，不能定制，以及功能较少^[9]。以下是对以前的一些作品的解释。

Piyare ^[24]通过利用具有互联网协议（IP）的嵌入式微网络服务器，利用基于Android的智能手机远程访问和控制设备，提出了智能住宅系统。与类似系统相比，该系统不需要专用服务器PC，并且它提供了一种新颖的通信协议，用于控制和监视具有更多功能的房屋环境，例如电源插头，灯开关和温度传感器。该系统的组件是基于Arduino以太网，硬件接口模块和基于Android的智能手机的微控制器服务器。该系统的主要思想不是在高端集成昂贵的组件，如现代个人计算机，而是允许房主利用Wi-Fi网络远程控制和监控连接的设备。该系统的优点在于，当没有提供Wi-Fi连接时，可以利用诸如3G或4G的移动蜂窝网络来访问系统。然而，该系统的缺点是支持Java的智能手机只能用于控制系统。这意味着不能使用支持目标C和C或C 的其他智能手机，例如iPhone。此外，系统的成本很高^[24]。

Al-thobaiti等在^[25]中提出了一个智能房子来监控和控制房子里的不同设备。该系统由两个主要的硬件组件组成：PC计算机，用于通过USB电缆连接到Arduino Uno，并且Arduino Uno微控制器价格低廉，灵活，提供各种数字和模拟输入，易于使用。在该提出的系统中，操作模式被设计为两种模式。第一种模式使用手动自动模式，通过Wi-Fi使用移动电话帮助用户控制和监控房屋。第二种模式是自动模式，其中可以自动访问微控制器而无需用户的决定，但用户只能监视系统。在自动模式下，操作两个系统，即温度控制和光控制。TMP36温度传感器用于温度控制系统以量化环境温度。然而，利用光传感器来检查房屋中的灯。因此，该系统用于节省电力，因为它对于人们减少能量消耗是必要的。该系统的缺点是使用移动电话和计算机，这可能会增加系统的成本^[25]。

rol，Y等人在^[26]中，通过使用基于PIC16F84A微控制器的远程控制系统，提出了智能家居系统。该系统的主要目的是通过使用移动电话来控制电力。该系统的想法是，当用户输入引脚编号时，控制器（基于PIC单片机的远程控制电路）将检查已输入的引脚编号。 如果引脚编号正确，控制器将通过电话线或移动电话控制设备。该系统的好处是未经授权的个人不能使用该系统。然而，系统的使用过于复杂，用户必须记住使用系统的引脚号^[26]。

在^[27]中已经提出了使用Arduino微控制器，传感器和连接到互联网的接口的智能家居。 传感器用于测量光强度，并控制门窗（锁定/解锁）。该系统的主要组件是计算机，磁门开关，Arduino微控制器和传感器。磁门开关和光敏电阻连接到Arduino的模拟输入，可通过USB进行编程。该系统的缺点是使用可能增加系统成本的计算机。此外，他没有在工作中提供有关该系统实施的详细信息^[27]。

Sriskanthan等人在^[28]中提出了基于蓝牙无线技术的智能家居系统。用户可以监视和控制通过基于蓝牙的移动电话连接的不同设备。Alkar等人在^[29]中还提出了一个可以通过无线网络控制的智能房屋。尽管该系统设计用于监视和控制家中的不同设备，但系统的成本非常昂贵，这对于发展中国家来说可能被认为是非常昂贵的^[28]。

在^[30]中引入了一个智能住宅，使用Arduino BT板，成本低，灵活。 Arduino BT板用于连接，并且通过无线方式在板和移动电话之间发送数据。该板支持通过蓝牙进行无线串行通信。该系统的目的是为他们家中的个人提供更多的安全保障。尽管如此，系统不允许用户控制其他设备，例如灯和温度。这意味着系统仅限于提供安全系统^[30]。

3项目要求和设计方法

该研究提供了智能住宅原型集成系统的描述，包括原型中使用的硬件和软件。 关于硬件，所使用的组件包括Arduino Uno，TMP温度传感器，热释电红外（PIR）运动传感器和伺服电机。该软件包括一个Android手机应用程序和Arduino集成开发环境（IDE），可以从Arduino.cc网站免费下载^[31]。本研究旨在阐明可以在中东使用的低成本、用户友好型智能住宅的设计。原型的设计基于现代可靠的技术，使用户能够在家中控制许多设备并将任何新设备安装到系统中。

A.系统硬件设计

硬件系统的设计是为了实现本文的目的。基本上，原型的目的是通过使用伺服电机控制门窗的开启和关闭，并打开/关闭灯，使用A

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