CN212569457U - 一种基于aiot的智能家居系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于AIOT的智能家居系统，包括系统装置盒、主控板，系统装置盒内匹配设置有主控板；主控板包括树莓派控制板、Arduino控制板；系统装置盒的顶部设置有两自由度云台；两自由度云台的上方可拆卸设置有摄像头；Arduino控制板的一端与传感器模块相连接、另一端与树莓派控制板相连接，Arduino控制板通过WIFI远程控制模块与移动终端相连接；树莓派控制板通过板载WIFI模块与移动终端相连接。本实用新型的树莓派控制板和Arduino控制板比单片机、ARM更加稳定实用，而且Arduino控制板无论是硬件还是软件都是开源的，可以查看和下载其源码，更加方便用来设计智能家居控制系统。

Description

一种基于AIOT的智能家居系统

技术领域

本实用新型涉及一种智能家居系统，尤其涉及一种基于AIOT的智能家居系统。

背景技术

随着互联网技术和人工智能技术的快速发展，物联网及智能家居产业迅速兴起，广泛运用于智能家居、自动驾驶、智慧医疗等方面。现有的智能家居系统通过物联网技术将家中的设备与互联网结合，使住户能够通过输入单个命令或固定编程的一系列自动操作来控制智能家居产品，也能够使设备间通进行通信并通过固定指令进行控制。在运行过程中，仍需要住户不断地输入指令或设定大量程序，不能有效地减轻住户操作负担；而且目前国内外对智能家居研究中，一般都选择单片机与ARM作为核心控制器，其在稳定性、开源性方面有所欠缺，不能查看和下载其源码，不方便用来设计智能家居控制系统。

实用新型内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种基于AIOT的智能家居系统。

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于AIOT的智能家居系统，包括系统装置盒、主控板，系统装置盒内匹配设置有主控板；主控板包括树莓派控制板、Arduino控制板；系统装置盒的顶部设置有两自由度云台；两自由度云台的上方可拆卸设置有摄像头；

系统装置盒的前侧面上设置有触摸显示屏、后侧面上设置有树莓派电源口；触摸显示屏的下方设置有喇叭口；树莓派电源口的下方设置有语音识别模块管脚口；语音识别模块管脚口的右侧设置有音箱接口、下方设置有Arduino 管脚口；Arduino控制板通过Arduino管脚口与传感器模块相连接；

系统装置盒的左侧面上设置有树莓派USB插口；树莓派USB插口的右侧设置有用于与网线相连接的树莓派网线接口；树莓派USB插口的下方设置有Arduino 通讯口；Arduino通讯口通过USB数据线与树莓派USB插口匹配相接；

Arduino控制板的一端与传感器模块相连接、另一端与树莓派控制板相连接，Arduino控制板通过WIFI远程控制模块与移动终端相连接；树莓派控制板通过板载WIFI模块与移动终端相连接。

进一步地，Arduino控制板包括Arduino Mega 2560、Arduino UNO R3， ArduinoUNO R3通过WIFI远程控制模块与移动终端相连接；Arduino管脚口包括Arduino UNO R3管脚口；Arduino UNO R3管脚口的上方设置有语音识别模块管脚口、下方设置有ArduinoMega 2560管脚口；Arduino通讯口包括 Arduino UNO R3的USB通讯口；Arduino UNO R3的USB通讯口的下方设置有 Arduino Mega 2560的USB通讯口；Arduino UNO R3的USB通讯口、Arduino Mega 2560的USB通讯口分别通过USB数据线与树莓派USB插口匹配相接。

进一步地，摄像头通过摄像头接线口与树莓派控制板插接相接，摄像头通过插线排与树莓派控制板的CSI接口相连接；摄像头与两自由度云台的支架相连接；两自由度云台为直插式扩展板，其通过云台接线口与树莓派控制板插接相接。

进一步地，WIFI远程控制模块为esp8266WIFI模块；语音识别模块管脚口上插接有语音识别模块，语音识别模块为直插式扩展板且为双麦克风模块。

进一步地，传感器模块包括RFID射频读卡器模块、雨滴检查传感器模块、 DHT11温湿度传感器模块、BMP气压传感器模块、OLED显示屏模块、LCD 1602液晶显示模块、烟雾传感器模块、火焰传感器模块、声音传感器模块、光敏电阻传感器模块、空气质量传感器模块、红外避障传感器模块、触摸开关传感器模块、HC-SR501红外人体传感器模块、红外接收模块、舵机模块、WIFI远程控制模块、继电器模块、风扇模块、语音MP3-TF-16P模块、步进电机模块、有源蜂鸣器模块、无源蜂鸣器模块、LED灯模块。

进一步地，Arduino Mega 2560通过Arduino Mega 2560管脚口分别与烟雾传感器模块、雨滴检查传感器模块、空气质量传感器模块、红外接收模块、 HC-SR501红外人体传感器模块、声音传感器模块、光敏电阻传感器模块、触摸开关传感器模块、火焰传感器模块、OLED显示屏模块、步进电机模块、有源蜂鸣器模块、无源蜂鸣器模块、语音MP3-TF-16P模块、LED灯模块相连接。

进一步地，Arduino UNO R3通过Arduino UNO R3管脚口分别与红外避障传感器模块、WIFI远程控制模块、RFID射频读卡器模块、DHT11温湿度传感器模块、LCD 1602液晶显示模块、BMP气压传感器模块、继电器模块、风扇模块、舵机模块相连接。

本实用新型选择树莓派控制板、Arduino Mega 2560和Arduino UNO R3作为核心控制器，就稳定而言，树莓派控制板和Arduino控制板比单片机、ARM更加稳定实用，而且Arduino控制板无论是硬件还是软件都是开源的，这就意味着可以查看和下载其源码，更加方便用来设计智能家居控制系统。

附图说明

图1为本实用新型系统装置盒的整体结构示意图。

图2为图1的背面结构示意图。

图3为传感器盒的结构示意图。

图4为本实用新型的主体连接框图。

图5为Arduino Mega 2560与传感器模块的连接框图。

图6为Arduino UNO R3与传感器模块的连接框图。

图7为Arduino UNO R3与esp8266WIFI模块的连接关系示意图。

图中：1、摄像头；2、云台接线口；3、触摸显示屏；4、喇叭口；5、摄像头接线口；6、树莓派USB插口；7、树莓派网线接口；8、Arduino UNO R3的USB通讯口；9、Arduino Mega 2560的USB通讯口；10、两自由度云台；11、音箱接口；12、语音识别模块管脚口；13、Arduino UNOR3管脚口；14、 Arduino Mega 2560管脚口；15、树莓派电源口；16、系统装置盒；17、传感器盒；18、传感器接线口；19、探测口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示的一种基于AIOT的智能家居系统，包括系统装置盒16、主控板，系统装置盒16内匹配设置有主控板；主控板包括树莓派控制板、Arduino 控制板；采用树莓派控制板和Arduino控制板作为主控板，使用的开发硬件是树莓派4B，开发语言为Python，树莓派控制板连接语音识别模块、摄像头、两自由度云台以及触摸显示屏，实现用户指令接收、图像采集、数据处理以及语音识别交互并输出给用户的功能；

使用最新版本Raspberry Pi 4B开发板，树莓派4B的主要功能包括高性能 64位四核处理器，通过一对micro-HDMI端口支持分辨率高达4K的双显示屏，高达4Kp60的硬件视频解码，高达4GB的RAM，双频2.4/5.0GHz无线局域网，蓝牙 5.0，千兆以太网，USB 3.0和PoE功能(通过单独的PoE HAT插件)。相比上一代树莓派3B+，4B的性能有着2-4倍的提升，处理任务要更为流畅。

本设计采用树莓派+Arduino的开发方式，树莓派控制板作为家居中央控制服务器，负责与互联网的通信、处理数据量大的工作(如音频、视频、图片相关)。Arduino控制板负责家居传感器采样，如光线强度、温度、人体红外感应等，通过联合WIFI远程控制模块搭建本地的WEB服务器，通过A/D采集各引脚连接的室内环境传感器的数值并进行处理，实现家居环境信息的智能采集；将Arduino控制板采集到的数据利用esp8266WIFI模块，进而在手机app上实时查看和控制家中的传感器。有的模块比较独立，比如人体感应的夜间走廊灯，单个Arduino Mega 2560可以自己实现监控加控制，就不需要上传到手机上，最终实现将人脸识别、语音识别与控制、家电智能化、家居安防、家居环境监测、局域网控制以及远程控制等功能集中到一个综合管理系统上。本系统选用 esp8266WIFI模块作为局域网控制的纽带，考虑到智能手机的普及，选用手机作为移动终端控制设备，配合家庭内部的终端控制设备。此外，该系统还具备良好的可扩展性和对不同家居环境的适应性，可以根据不同家居的需要，进行功能的裁剪、增添和移植等。

如图2所示，系统装置盒16的顶部设置有两自由度云台10；两自由度云台 10的上方可拆卸设置有摄像头1；摄像模块传感器具有500万像素的物理分辨率，并且模块板载一个固定焦距透镜。对于静止图像来说，该摄像模块能够提供2592x1944像素的静态图像，而且支持30秒每帧1080P、60秒每帧720P和每秒60/90帧640x480P的视频摄录。两自由度云台10的控制器为PCA9685，是一款基于IIC总线通信的12位精度16通道PWM波输出的芯片，其板载TSL2581环境光传感器，通过检测光强辅助摄像头工作，同样通过I2C接口控制，不会占用太多接口引脚资源。

利用树莓派控制板上的摄像头1进行人脸识别进行安防，对来访人员进行身份识别，来判断来访者是否为家庭主人或者陌生人。如果识别为陌生人，就可以通过短信通知主人有陌生人来访。

利用树莓派控制板上的两自由度云台10和摄像头1可以远程360°实时监控，监控视频可以通过手机实时查看。

利用树莓派控制板上插接的语音识别模块实现语音对话控制室内家电，并且可以通过语音对话控制客厅灯的亮灭，进行人机交互对话。

如图2所示，系统装置盒16的前侧面上设置有触摸显示屏3、后侧面上设置有树莓派电源口15；触摸显示屏3的下方设置有喇叭口4；树莓派电源口15的下方设置有语音识别模块管脚口12；语音识别模块管脚口12上插接有语音识别模块，语音识别模块为直插式扩展板且为双麦克风模块，意味着可以构建一个集成百度DuerOs助手等的功能更强大，更灵活的语音产品。语音识别模块是基于WM8960开发的低功耗立体声编解码器，电路板两侧有两个麦克风采集声音，还提供3个APA102 RGB LED，1个用户按钮和2个板载Grove接口，用于扩展应用程序。此外，3.5mm音频插孔或JST 2.0扬声器输出均可用于音频输出。

语音识别模块管脚口12的右侧设置有音箱接口11、下方设置有Arduino管脚口；Arduino控制板通过Arduino管脚口与传感器模块相连接；如图3所示，传感器模块外匹配套置有传感器盒17，传感器盒17的底部设置有传感器接线口 18，侧面上方对应设置有探测口19。

如图1所示，系统装置盒16的左侧面上设置有树莓派USB插口6；树莓派USB 插口6的右侧设置有用于与网线相连接的树莓派网线接口7；树莓派USB插口6的下方设置有Arduino通讯口；Arduino通讯口通过USB数据线与树莓派USB插口 6匹配相接；树莓派控制板与Arduino控制板之间通过USB串口通讯进行数据传输；

如图4所示，Arduino控制板的一端与传感器模块相连接、另一端与树莓派控制板相连接，Arduino控制板通过WIFI远程控制模块与移动终端相连接；树莓派控制板通过板载WIFI模块与移动终端相连接；

树莓派控制板作为家居中央控制服务器，负责与互联网的通信、采样存储Arduino控制板上报的状态数据、处理数据量大的工作(如音频、视频、图片相关)、提供API给Android系统以方便用手机控制家居；Arduino UNO R3和 Arduino Mgea 2560，开发环境为Arduino IDE，开发语言是Scratch；Arduino Mega 2560搭载烟雾负责家居传感器模块采样，上传到手机，并进行手机远程控制；Arduino UNO R3负责对单个比较独立的传感器模块，实现监控加控制，不需要上传到手机，如光线强度、温度、人体红外感应等；服务器使用机智云，免费的服务器平台，接口使用JSON格式的Http服务器请求响应，很容易接入网络。

树莓派控制板通过板载WIFI模块连接互联网进行网络开发，树莓派控制板作为一级控制板接收用户命令，通过WIFI远程控制模块向Arduino控制板发送指令或数据，控制Arduino控制板工作，Arduino控制板作为二级控制板输出结果返回用户；树莓派控制板与Arduino控制板之间的通信协议分为两个部分实现：一部分为Arduino控制板到树莓派控制板的上行数据状态的传送帧，用于将采集到的各个传感器模块的数据传输给树莓派控制板进行处理；另一部分是树莓派控制板对Arduino控制板上的模块进行控制的下行控制帧，并使用其来控制继电器的状态。

Arduino控制板包括Arduino Mega 2560、Arduino UNO R3，Arduino UNO R3通过WIFI远程控制模块与移动终端相连接；Arduino管脚口包括Arduino UNO R3管脚口13；Arduino UNO R3管脚口13的上方设置有语音识别模块管脚口 12、下方设置有ArduinoMega 2560管脚口14；Arduino通讯口包括Arduino UNO R3的USB通讯口8；Arduino UNO R3的USB通讯口8的下方设置有Arduino Mega 2560的USB通讯口9；Arduino UNO R3的USB通讯口8、Arduino Mega 2560 的USB通讯口9分别通过USB数据线与树莓派USB插口6匹配相接。

Arduino Mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口(其中15路可作为PWM输出)，15路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino Mega2560也能兼容为Arduino UNO设计的扩展板。Arduino Mega2560已经发布到第三版，与前两版相比有以下新的特点：在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板；改进了复位电路设计；USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。

Arduino UNO是Arduino USB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ICSP header和一个复位按钮。UNO已经发布到第三版，与前两版相比有以下新的特点：在AREF处增加了两个管脚SDA和SCL，支持 I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5V和3.3V核心板；改进了复位电路设计；USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。

摄像头1通过摄像头接线口5与树莓派控制板插接相接，摄像头1通过插线排与树莓派控制板的CSI接口相连接；摄像头1与两自由度云台10的支架相连接；两自由度云台10为直插式扩展板，其通过云台接线口2与树莓派控制板插接相接。

传感器模块包括RFID射频读卡器模块、雨滴检查传感器模块、DHT11温湿度传感器模块、BMP气压传感器模块、OLED显示屏模块、LCD 1602液晶显示模块、烟雾传感器模块、火焰传感器模块、声音传感器模块、光敏电阻传感器模块、空气质量传感器模块、红外避障传感器模块、触摸开关传感器模块、HC- SR501红外人体传感器模块、红外接收模块、舵机模块、WIFI远程控制模块、继电器模块、风扇模块、语音MP3-TF-16P模块、步进电机模块、有源蜂鸣器模块、无源蜂鸣器模块、LED灯模块。

Arduino Mega 2560通过Arduino Mega 2560管脚口14分别与烟雾传感器模块、雨滴检查传感器模块、空气质量传感器模块、红外接收模块、HC-SR501红外人体传感器模块、声音传感器模块、光敏电阻传感器模块、触摸开关传感器模块、火焰传感器模块、OLED显示屏模块、步进电机模块、有源蜂鸣器模块、无源蜂鸣器模块、语音MP3-TF-16P模块、LED灯模块相连接。

如图5所示，Arduino Mega 2560与各传感器的具体连接方式如下：

烟雾传感器模块的TTL开关信号输出引脚DO连接数字端口9，模拟信号输出引脚A0连接模拟端口A0，VCC引脚接5V，GND引脚接地。利用烟雾传感器模块测量卧室内烟雾浓度，并把测量的值显示在OLED屏幕上，当烟雾浓度任意的数据大于所设定的阈值时，会启动有源蜂鸣器报警，并通过语音MP3-TF-16P模块进行语音提醒主人有危险情况发生。

MQ-2型烟雾传感器采用的是在正常空气中电导率较低的二氧化锡，当可燃气体外泄时，传感器的电导率随空气中杂质气体浓度的增加而增大，即可通过高低电平的变化来判断烟雾浓度的大小。可以用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的探测。如果环境中产生较大烟雾，则烟雾传感器通过当前烟雾浓度值与标准阔值进行比较，通过运放电路，产生高电平，从OUT端口输出，进入控制板A5端口，控制板接收到高电平后，认为环境中有烟雾，D5、D10端口输出高电平，控制蜂鸣报警器。

雨滴检查传感器模块信号输出引脚D0连接数字端口7，VCC引脚接5V，GND 引脚接地。利用雨滴检查传感器模块，雨滴传感器检测到雨滴时，窗户舵机动作，自动将窗户关闭，当检测不到雨滴时，窗户会自动打开，也可远程手动控制窗户的关闭，实现智能开关窗户。雨滴检查传感器模块可远程检测雨滴，利用窗户舵机进行窗户的开关控制，窗户开关状态可以通过手机APP实时查看。

雨滴传感器，是一个模拟(数字)输入模块，也叫雨水、雨量传感器。可用于各种天气状况的监测，检测是否下雨及雨量的大小，转成数字信号(DO) 和模拟信号(AO)输出，并广泛应用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能天窗系统等。AO模拟输出，可以连接单片机的模拟IO口检测滴在上面的雨量大小。DO数字输出，可以连接单片机的数字IO口检测是否有雨。

空气质量传感器模块的TTL开关信号输出引脚DO连接数字端口25，模拟信号输出引脚A0连接模拟端口A2，VCC引脚接5V，GND引脚接地。利用空气质量传感器模块测量室内空气质量，并把测量的值显示在OLED显示屏模块上。

空气质量传感器模块用于家庭、环境的一氧化碳探测装置，对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，适宜于一氧化碳、煤气等的探测，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。模拟量输出0-5v电压，浓度越高电压越高。

红外接收模块的信号输出引脚SIG连接数字端口17，VCC引脚接5V，GND引脚接地。利用红外接收模块进行控制窗帘步进电机模块的动作。

在每个IR通信设置中，有两个主要组件，称为IR发射器和IR接收器。红外发射器传输红外辐射。简单的红外发射器是红外LED，发出红外光。另一方面，IR接收器由一个光电二极管和一个放大器电路组成，用于将检测到的红外光转换为电信号。

HC-SR501红外人体传感器模块的信号输出引脚连接数字端口23，VCC引脚接5V，GND引脚接地。利用HC-SR501红外人体传感器模块，实现防盗报警指示功能，当有陌生人闯入时，会启动有源蜂鸣器报警并通过语音MP3-TF-16P模块进行语音提醒主人有危险情况发生。

红外人体传感器模块选用普通型人体热释电红外传感器HC-SR501，这是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。通过非接触式检测人体红外能量的变化，将输出电压信号转换为电压信号输出，并对输出电压信号进行放大。因此，它可以用来使电源开关控制器和防火灾报警等。被动的红外报警主要是在结构上使用，不需要发送任何形式的能量，该模块只需要接收自然能量就可以达到检测的目的。

声音传感器模块的模拟信号输出引脚AO连接模拟端口A4，VCC引脚接5V， GND引脚接地。利用声音传感器模块实现LED灯模块的亮灭，实现人来灯亮，人走灯灭的功能。

声音传感器模块是一块使用驻极体话筒为声音检测的传感器模块，可用来接收声波，检测声音，但无法测量声音的强度。外部声音使驻极体话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受并输出。用户可通过调节模块上集成的电位器，来控制模块灵敏度；电位器顺时针旋转灵敏度越高，逆时针旋转则灵敏度越低。声音传感器模块检测到有声音时，输出低电平，反之未检测到声音时，则输出高电平。模块连接LED指示灯，当输出高电平时，熄灭；输出低电平时，点亮。

光敏电阻传感器模块的模拟信号输出引脚A0连接模拟端口A1，VCC引脚接 5V，GND引脚接地。利用光敏电阻传感器模块实现LED灯模块的亮灭。通过手机 app端和光敏电阻传感器实现客厅灯的亮度控制以及客厅灯的亮灭以及语音对话控制客厅灯的亮灭。

光敏电阻传感器模块对环境光线最敏感，一般用来检测周围环境的光线的亮度，触发单片机或继电器模块等；模块在环境光线亮度达不到设定阈值时， DO端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO端输出低电平；DO 输出端可以直接驱动LED模块，当输出高电平时，熄灭；输出低电平时，点亮。

触摸开关传感器模块的TTL开关信号输出引脚DO连接数字端口27，VCC引脚接5V，GND引脚接地。利用触摸开关传感器模块进行门铃提醒，当有客人用手触摸开关时，无源蜂鸣器会发出悦耳的门铃声来提醒主人有人来访。

触摸开关传感器模块是一个基于触摸检测IC(TTP223B)的电容式点动型触摸开关模块。常态下，模块输出低电平，模式为低功耗模式；当用手指触摸相应位置时，模块会输出高电平，模式切换为快速模式；当持续12秒没有触摸时，模式又切换为低功耗模式。可以将该模块安装在非金属材料如塑料、玻璃的表面，另外将薄薄的纸片(非金属)覆盖在模块的表面，只要触摸的位置正确，即可做成隐藏在墙壁、桌面等地方的按键。该模块可以让你免除常规按压型按键的烦恼。

火焰传感器模块的TTL开关信号输出引脚DO连接数字端口34，模拟信号输出引脚A0连接模拟端口A3，VCC引脚接5V，GND引脚接地。利用火焰传感器模块进行火灾报警，当有火灾发生时，会启动有源蜂鸣器报警，并通过语音MP3- TF-16P模块进行语音提醒主人有危险情况发生。

火焰传感器模块是基于红外接收管设计的传感器模块，可用于检测火焰或波长在760-1100纳米范围的光源，经常使用于灭火机器人中，探测角度60度左右。红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件；它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接收入，电流则随之增大。

OLED显示屏模块的数据信号引脚SDA和时钟信号引脚SCL分别接模拟端口A5 和A6，VCC引脚接5V，GND引脚接地。OLED显示屏是指有机电激发光二极管，由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

步进电机模块四个信号输出引脚分别接数字端口19、20、21、22。

三个有源蜂鸣器模块信号输出引脚DO分别接数字端口10、24、34，VCC引脚接5V，GND引脚接地：烟雾报警的有源蜂鸣器模块信号输出引脚DO分别接数字端口10，VCC引脚接5V，GND引脚接地；火焰报警的有源蜂鸣器模块信号输出引脚DO分别接数字端口34，VCC引脚接5V，GND引脚接地；防盗报警的有源蜂鸣器模块信号输出引脚DO分别接数字端口24，VCC引脚接5V，GND引脚接地。

步进电机模块四个信号输出引脚IN1、IN2、IN3、IN4分别接数字端口19、 20、21、22。

门铃的无源蜂鸣器模块信号输出引脚DO分别接数字端口10、27，VCC引脚接5V，GND引脚接地。

语音MP3-TF-16P模块的TX和RX引脚分别接端口0、1，VCC引脚接5V，GND引脚接地。MP3-TF-16P是-个提供串口的语音模块，完美的集成了MP3、WAV、WMA 的硬解码。同时软件支持TF卡驱动，支持FAT16、FAT32文件系统。通过简单的串口指令即可完成播放指定的音乐，以及如何播放音乐等功能，无需繁琐的底层操作，使用方便，稳定可靠是此款产品的最大特点。利用该模块进行语音播报，当各种传感器被触发时，利用该模块进行语音报警，提示主人有危险情况。

Arduino UNO R3通过Arduino UNO R3管脚口13分别与红外避障传感器模块、WIFI远程控制模块、RFID射频读卡器模块、DHT11温湿度传感器模块、LCD 1602液晶显示模块、BMP气压传感器模块、继电器模块、风扇模块、舵机模块相连接。WIFI远程控制模块为esp8266WIFI模块；该模块具有UART异步串行通信接口，与单片机的连接比较简单，同时arduino控制板在对其控制也比较方便。支持申口透明数据传输，内置TCP/IP协议栈和IEEE802.11协议栈。 ESP8266支持三种组网模式：SoftAP模式，Station模式，SoftAP+Station模式间的转换。组网可以是SoftAP+Station模式，这样系统既可以通过手机直连也可以通过无线路由器连接达到远程控制。

如图6所示，Arduino UNO R3与各传感器的具体连接方式如下：

将数字端口0、1设置为软串口RX和TX，WIFI远程控制模块的TXD引脚连接端口0，RXD引脚连接引脚1，VCC引脚接5V，GND引脚接地，如图7所示。

RFID射频读卡器模块的复位引脚RST连接数字端口4，时钟引脚SCK连接数字端口12、数据信号引脚SDA连接数字端口5，数据引脚MISO连接数字端口11、数据引脚MOSI连接数字端口10，VCC引脚接5V，GND引脚接地。

RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成，其中，读写器一般作为计算机终端，用来实现对RFID卡的数据读写和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。而RFID卡则是一种无源的应答器，主要是由一块集成电路芯片及其外接天线组成，其中RFID卡芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。RFID应用系统的基本工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理，所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。

利用RFID射频读卡器模块检测IC卡，当IC卡靠近读写器时，读写器能准确地对其识别，通过应用程序连接后台数据库获取与该卡号对应的用户信息。若该卡已进行注册，则通过验证并控制舵机开门，并记录卡号和开门时间，开关状态以及身份信息和开门时间可以通过手机APP实时查看。可以实现远程RFID 监控，利用门禁舵机控制门的开关，并将开关状态以及什么信息和开门时间可以通过手机APP实时查看。

红外避障传感器模块的信号输出引脚DO连接0连接模拟端口A3，VCC引脚接 5V，GND引脚接地。此外还在防盗门安装了一个红外避障传感器，判断门前是否有人，避免了被门夹着的危险。

红外避障传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出频率的红外线，当检测方向遇到障碍物(反射面)时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号(一个低电平信号)，可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。

DHT11温湿度传感器模块的信号输出引脚SIG连接数字端口3，VCC引脚接 5V，GND引脚接地。利用DHT11温湿度传感器模块进行温度监测，并将当前温度通过手机APP实时显示出来，并可以进行设置温度阈值，在某个阈值内控制风扇模块在设定的挡位工作，通过风扇的转动自动使室内温度保持在设定的温度范围内，实现温度自动调节。利用DHT11温湿度传感器模块进行温湿度监测，并把测量的值显示在LCD 1602液晶显示屏幕上，并将每时每刻的温湿度通过手机APP实时显示出来，并形成曲线，以便查看每时每刻的温湿度变化。

温湿度传感器-DHT11模块是采用DHT11数字温湿度传感器元件-DHT11温设计的模块，可用来对环境温度和湿度进行检测。总线方式与arduino进行数据传输，单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，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则。DHT11是数字温湿度传感器并且含有已校准数字信号输出。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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

LCD 1602液晶显示模块的数据信号引脚SDA和时钟信号引脚SCL分别接模拟端口A0和A1，VCC引脚接5V，GND引脚接地。

LCD 1602液晶显示模块是用于控制1602液晶显示的。蓝底白字标准型16X2 液晶显示字符模块(背光/蓝屏)。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

BMP气压传感器模块的数据信号引脚SDA和时钟信号引脚SCL分别接模拟端口A0和A1，VCC引脚接5V，GND引脚接地。利用BMP气压传感器模块测量室内气压，并把测量的值上报云平台可以通过手机APP实时查看。

BMP085是一款高精度、超低能耗的压力传感器，它可以应用在移动设备中。它的性能卓越，绝对精度最低可以达到0.03hPa，并且耗电极低，只有 3uA。BMP085采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载(LCC)超薄封装，可以通过IIC总线直接与各种微处理器相连。

继电器模块的信号输出引脚SIG连接数字端口2，VCC引脚接5V，GND引脚接地。可以通过手机远程控制继电器模块，从而实现对家中的电器控制。

风扇模块即直流电机的两个信号输出引脚分别接数字端口9、13。

窗户舵机模块、门禁舵机模块信号输出引脚分别接数字端口6、8，VCC引脚接5V，GND引脚接地。

舵机上安装有一个电位器(或其它角度传感器)检测输出轴转动角度，控制电路板根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。

本实用新型的工作过程为：

利用树莓派控制板上的摄像头1进行人脸识别进行安防；利用树莓派控制板对两自由度云台10和摄像头1可以远程360°实时监控；利用树莓派控制板上插接的语音识别模块实现语音对话控制室内家电，并且可以通过语音对话控制客厅灯的亮灭，进行人机交互对话；

树莓派控制板作为一级控制板通过自身的板载WIFI模块接收用户命令，通过WIFI远程控制模块向Arduino UNO R3发送指令或数据，控制Arduino UNO R3工作，Arduino UNOR3作为二级控制板将输出结果返回用户；

Arduino UNO R3对各家居传感器进行采样，通过A/D采集各引脚连接的室内传感器的数值并进行处理，将分别采集到的光线强度、温度、人体红外感应等通过WIFI远程控制模块上传至手机app上，实现实时查看和控制家中的传感器；

树莓派控制板通过USB串口通讯向Arduino Mega 2560供电，Arduino Mega 2560通过各传感器分别采集烟雾、火焰、空气质量参数、光线、人体感应的夜间走廊灯等，实现独立的监控加控制；最终实现将人脸识别、语音识别与控制、家电智能化、家居安防、家居环境监测、局域网控制以及远程控制等功能集中到一个综合管理系统上。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、使用两大开源硬件树莓派RPI与Arduino联合设计，结合它们的开发优势，制作成为智能家居网关的一个设计原型；

2、设计了树莓派RPI与Arduino之间串口通信的通信协议，系统可以很方便地进行功能扩展；

3、代码实现简单，因为Python和Arduino提供了很多完善的开发库，大大缩短开发时间，而且所需的代码量实际上很小，根据Arduino的综合出的代码量来看，只有7612bytes(UNO一共最大可以32256byte的代码量)；

4、实现的是一个完整的智能家居演示系统：作为感知层的Arduino控制板实时读取各个传感器的数据，将数据传输给树莓派控制板再上传给物联网平台；树莓派控制板解析Arduino控制板传来的数据，上传至网络，同时将网络上传递来的控制信号传给Arduino控制板，进行反向控制；服务器实时显示上传的数据，用户可以随时随地接入服务器进行查询。

上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于AIOT的智能家居系统，其特征在于：包括系统装置盒(16)、主控板，所述系统装置盒(16)内匹配设置有主控板；所述主控板包括树莓派控制板、Arduino控制板；系统装置盒(16)的顶部设置有两自由度云台(10)；所述两自由度云台(10)的上方可拆卸设置有摄像头(1)；

所述系统装置盒(16)的前侧面上设置有触摸显示屏(3)、后侧面上设置有树莓派电源口(15)；所述触摸显示屏(3)的下方设置有喇叭口(4)；所述树莓派电源口(15)的下方设置有语音识别模块管脚口(12)；所述语音识别模块管脚口(12)的右侧设置有音箱接口(11)、下方设置有Arduino管脚口；Arduino控制板通过Arduino管脚口与传感器模块相连接；

所述系统装置盒(16)的左侧面上设置有树莓派USB插口(6)；所述树莓派USB插口(6)的右侧设置有用于与网线相连接的树莓派网线接口(7)；树莓派USB插口(6)的下方设置有Arduino通讯口；所述Arduino通讯口通过USB数据线与树莓派USB插口(6)匹配相接；

所述Arduino控制板的一端与传感器模块相连接、另一端与树莓派控制板相连接，Arduino控制板通过WIFI远程控制模块与移动终端相连接；所述树莓派控制板通过板载WIFI模块与移动终端相连接。

2.根据权利要求1所述的基于AIOT的智能家居系统，其特征在于：所述Arduino控制板包括Arduino Mega 2560、Arduino UNO R3，Arduino UNO R3通过WIFI远程控制模块与移动终端相连接；所述Arduino管脚口包括Arduino UNO R3管脚口(13)；所述Arduino UNO R3管脚口(13)的上方设置有语音识别模块管脚口(12)、下方设置有Arduino Mega 2560管脚口(14)；所述Arduino通讯口包括Arduino UNO R3的USB通讯口(8)；所述Arduino UNO R3的USB通讯口(8)的下方设置有Arduino Mega 2560的USB通讯口(9)；Arduino UNO R3的USB通讯口(8)、Arduino Mega 2560的USB通讯口(9)分别通过USB数据线与树莓派USB插口(6)匹配相接。

3.根据权利要求2所述的基于AIOT的智能家居系统，其特征在于：所述摄像头(1)通过摄像头接线口(5)与树莓派控制板插接相接；摄像头(1)与两自由度云台(10)的支架相连接；所述两自由度云台(10)为直插式扩展板，其通过云台接线口(2)与树莓派控制板插接相接。

4.根据权利要求3所述的基于AIOT的智能家居系统，其特征在于：所述WIFI远程控制模块为esp8266WIFI模块；所述语音识别模块管脚口(12)上插接有语音识别模块，语音识别模块为直插式扩展板且为双麦克风模块。

5.根据权利要求4所述的基于AIOT的智能家居系统，其特征在于：所述传感器模块包括RFID射频读卡器模块、雨滴检查传感器模块、DHT11温湿度传感器模块、BMP气压传感器模块、OLED显示屏模块、LCD 1602液晶显示模块、烟雾传感器模块、火焰传感器模块、声音传感器模块、光敏电阻传感器模块、空气质量传感器模块、红外避障传感器模块、触摸开关传感器模块、HC-SR501红外人体传感器模块、红外接收模块、舵机模块、WIFI远程控制模块、继电器模块、风扇模块、语音MP3-TF-16P模块、步进电机模块、有源蜂鸣器模块、无源蜂鸣器模块、LED灯模块。

6.根据权利要求5所述的基于AIOT的智能家居系统，其特征在于：所述Arduino Mega2560通过Arduino Mega 2560管脚口(14)分别与烟雾传感器模块、雨滴检查传感器模块、空气质量传感器模块、红外接收模块、HC-SR501红外人体传感器模块、声音传感器模块、光敏电阻传感器模块、触摸开关传感器模块、火焰传感器模块、OLED显示屏模块、步进电机模块、有源蜂鸣器模块、无源蜂鸣器模块、语音MP3-TF-16P模块、LED灯模块相连接。

7.根据权利要求6所述的基于AIOT的智能家居系统，其特征在于：所述Arduino UNO R3通过Arduino UNO R3管脚口(13)分别与红外避障传感器模块、WIFI远程控制模块、RFID射频读卡器模块、DHT11温湿度传感器模块、LCD 1602液晶显示模块、BMP气压传感器模块、继电器模块、风扇模块、舵机模块相连接。

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