基于Arduino与Android的远程控制系统

目录

项目简介 (1)

1.课题背景 (1)

2.国内相关领域现状和发展前景 (2)

3.相关领域发展的不足 (2)

研究设计 (3)

云计算 (3)

概述 (3)

无线传感器网络 (5)

系统组成 (6)

硬件部分 (7)

温度采集模块 (7)

液晶显示模块 (8)

土壤湿度采集模块 (10)

烟雾检测及报警模块 (11)

人体红外识别与检测模块 (12)

红外遥控发送与接收模块 (14)

报警电路模块 (15)

传感器网络 (16)

XBEE无线传输模块 (16)

IIC数据传输模块 (19)

Android部分 (21)

Android简介 (21)

Android功能简述 (22)

核心功能 (24)

TTS语音模块 (29)

软件部分 (30)

网站部分 (32)

网站后台 (32)

网站前台 (33)

用户界面 (34)

IP摄像头 (35)

项目简介

1.课题背景

在现代通信技术的飞速发展下，越来越多的人都用网络化和智能化代替了传统的生活环境，让生活更加舒适，便捷而高效智能家居的实现不仅会给普通居民用户带来家庭生活方式上的变革，而且将波及工业控制等许多与互联网相关的嵌入式应用领域，由于有线通信接线过，多方式复杂，线路存在的隐患较多，而且综合度和智能度不高，因而无线通信是近年来各通信行业所研究的重点，无线Xbee模块在通信、电子、家庭无线网和个人信息网等方面都有着较多的应用，随着无线技术的进一步发展，产品规模的不断扩大，技术的日益成熟和价格的下降，Xbee技术逐渐应用到工业领域和家庭中，由于无线Xbee通信媒介特殊性和优势，它可以很好地灵活地应用于智能家居信息网络。

2.国内相关领域现状和发展前景

20世纪90年代后期，我国的智能小区日益兴起。众所周知，我国的智能化住宅建设最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展。随着信息化走进了千家万户，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，而信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创新的重点专项计划。据建设部要求，截止今年，我国将有70%以上的家庭拥有Internet入网设备，大中城市中50%的住宅要实现智能化。

我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准。目前，主要采用国外的一些技术产品，但也有一些企推出了自己的产品，主要有：

e家庭（海尔）、e-home数字家园（清华同方），国内各大软、硬件机构正在积极的研制、开发更为符合市场的智能化家居设备，以解决当前智能化产品实用性差、使用复杂及产品价格昂贵等缺点，而技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢，这样的未来值得期待。

3.相关领域发展的不足

首先，大多是应用于一些经济繁荣的大城市和一些经济差不多城市的酒店等。其次，技术复杂，使用范围的局限，因而进一步局限了产品的发展。再加上，有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。而我们产品是可以裁减的，根据用户的需求量家定做，技术简单，成本也比较低，更适合于大众的使用。

研究设计

云计算

概述

传统的智能家居使用的是本地主机模式，也就是用户在访问的时候是访问位于在家中的主机。用户需要为这些不必要的本地主机支付这些费用，同时当用户需要新的功能时，厂家又无法及时地提供这些功能和更新，而基于云计算的智能家居则可以给用户带来极大的便利：

●用户可以减少硬件费用支出

●不再需要客户端，只需要一个浏览器

●可以快速获得更新、升级

●系统更加安全

●用户仅需要为自己所需要的功能付费

而对于厂商而言：

●减少系统的复杂度

●更加简单的系统配置

●方便集中管理用户资源

●快速地给用户进行服务更新

●能迅速解决用户问题

●降低运营成本

软件即服务（Saas）是随着互联网技术的发展和应用软件的成熟，而在21世纪开始兴起的一种完全创新的软件应用模式。它是一种通过Internet提供软件的模式，厂商将应用软件统一部署在自己的服务器上，客户可以根据自己实际需求，通过互联网向厂商定购所需的应用软件服务，按定购的服务多少和时间长短向厂商支付费用，并通过互联网获得厂商提供的服务。用户不用再购买软件，而改用向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动，且无需对软件进行维护，服务提供商会全权管理和维护软件。有些软件厂商在向客户提供互联网应用的同时，也提供软件的离线操作和本地数据存储，让用户随时随地都可以使用其定购的软件和服务。

系统框架如图所示：

实现家居设备控制不需要高速率的网络，低速率的网络便可实现系统的设计，同时由于有线网络相对无线网络，有着IP固定等问题，而这类问题往往是造成网络安全隐患的主要原因之一。传统的智能家居系统在系统设计上采用的是有线网络结构，这样虽然给用户带来了极大的便利，而在安全上却造成一定的问题。同一住宅小区内往往是采用固定IP的网络方式部署的网络，也就是在同一小区内，很容易可以推出全小区内的IP地址，而这也就意味着用户的系统容易被控制，使得系统更加不安全。

而使用2G/3G网络不仅可以满足用户对于控制系统的需求，传输数据时采用的是低速率网络，同时由于系统在安全性上也有了更好的保障。

无线传感器网络

采用无线传感器网络的智能家居基本框架如下图所示：

传统的有线智能家居系统在本地网络的设计上存在以下缺陷

●系统扩展性差

●需要使用数据繁多的线缆

●系统结构布线复杂

而采用无线传感器网络的系统则可以实现以下功能

1.快速部署系统:：在部署系统的时候,不在需要破坏现有住宅的布线,而相对于传统的系统无论在生产还是生活中都有更多的优势。

2.系统扩展性好：系统不做改动的情况下,就能够实现功能扩张。

3.自组织能力强：用户对于系统进行配置和管理显得不是很现实，因而系统可以在现有的资源下自组织和协同工作显得十分重要

4.跨平台：智能家居系统中，因为存在不同的设备，而系统的基础结构都是不同的，我们只需要对系统的通信进行规范便可解决这类问题。

无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。安放在不同地点的传感器节点不断采集着外界的物理信息，如温度、声音、震动等。相互独立的节点之间通过无线网络进行通信。无线传感器网络的每个节点都能够实现采集，数据的简单处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到服务器。服务器获取数据，查看历史数据记录或进行分析。通常，一个典型的无线传感器网络节点的硬件结构包括：传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置。

在选择无线传感器网络的设备组成时，对照了Zigbee及蓝牙、WIFI等后，发现WIFI有以下缺点功耗大、成本高、协议开销大、需要接入点等，不适合嵌入式系统的基本要求。而蓝牙虽可以组成微微网，然而其只能连接8个器件，通信距离也短。而相比之下，我们可以发现Zigbee网络距离以下特点：

1.低功耗

2.低成本

3.低速率

4.近距离

5.短时延

6.高容易

7.高安全

能满足嵌入式系统对于智能家居的基础需求，因而系统采用的是xBee模块+avr单片机构成的无线传感器网络，xBee是基于Zigbee通信协议开发，一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

系统组成

本设计可分为11个部分：温度采集模块、液晶显示模块、土壤湿度采集模块、烟雾检测模块、人体红外识别与检测模块、红外遥控发送与接收模块、报警电路模块、XBEE无线传输模块、IIC数据传送模块、Android手机控制模块、远程及用户管理模块。

硬件部分

为了方便对整个系统的实现和运作进行控制及管理，我们借用了模块化来简化整个系统，即将整个复杂而庞大的系统分模块来实现，分模块来管理，分模块来控制。然后只需对各个模块进行配置，每个模块能独立运行后，再整体调试，整个系统就能良好运作。

整个系统中，温度采集模块负责获取房间的温度数据，液晶显示模块负责显示温度数据，土壤湿度采集模块负责检测植物生长的土壤湿度，烟雾检测模块负责获取房间的烟雾浓度，人体红外识别与检测模块负责检测家中是否出现盗贼，报警电路模块负责向用户反馈危险信息。

温度采集模块

温度采集模块的功能主要实现室内（或室外）环境温度的获取，并监控室内温度是否正常，然后上传即时数据给单片机。考虑到实用性与经济性，我们选择了与单片机相配的温度传感器LM35D(见图1)来监测环境温度，LM35D是一个比较实用的民用级温度传感器，它具有较高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度成线性比例。

图1 LM35D外观及封装图

其主要参数为：

输出电压: 1V 至6V

◆输出阻抗: 电流1mA时负载0.1 ?

◆输出电流：10mA左右

◆工作温度范围：0℃至+100℃

引脚介绍： 1 电源正极VCC；2 数据输出V0；3 电源地GND 。

本电路中使用了单电源模式，电路中只需把LM35D的正负极（1,3引脚）接在单片机的VCC、GND引脚上，输出引脚（2引脚）接在单片机的A0引脚即可，无需外接电阻，连接电路比较方便。

以下为测量环境温度的部分应用程序：

#define tempPin 0

float temp;

void setup(){

Serial.begin(9600);}

void loop(){

temp = analogRead(tempPin);

temp =(4.6*temp*100.0)/1024;

Serial.print(temp);

}

液晶显示模块

液晶显示模块的主要功能是接受并显示当前室内或室外的温度数据，让房间的主人对当前温度有具体的了解，以便采取相应的操作。我们选择了LCD1602

来显示温度数据，LCD1602能显示字符，数字，但不能显示汉字，它是一块使用

十分普及的液晶显示工具，具有显示质量高数字式接口体积小、重量轻、功耗低等特点。下图是LCD1602的外观图。

图2 LCD1602引脚图

LCD1602为8路双向数据线，能进行背光和对比度调节。

主要技术参数为：

◆显示容量:16×2个字符

◆工作电压:4.5—5.5V

◆工作电流:2.0mA(5.0V)

◆模块最佳工作电压:5.0V

◆字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

本设计所用的部分应用程序为：

#include

#define tempPin 0

LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2);

float temp;

byte hello[2];

void setup(){

lcd.begin(16,2);

Serial.begin(9600);}

void loop(){

temp = analogRead(tempPin);

temp =(4.6*temp*100.0)/1024;

hello[0]=(int)(temp*100)/100;

hello[1]=(int)(temp*100)%100;

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Temp:");

lcd.print(temp);

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print(millis()/1000);

delay(1000);}

在本电路中，只需连接LCD的VCC，GND引脚置单片机的VCC，GND引脚，连接RS，RW，E引脚到单片机的D2，GDN，D1引脚，最后再连接LCD的D1，D2,D3,D4引脚至单片机引脚标号为5，4，3，2的引脚即可，再附加一段程序即可实现温度数据的测量与显示。

土壤湿度采集模块

土壤湿度采集模块是为了检测植物的缺水状况并记录实时模拟数据然后上传给控制器，让控制器（单片机）决定是否给植物浇水。土壤湿度传感器Moisture Sensor就实现了这一功能。

Moisture Sensor是一个简易分水传感器，利用电阻变化测量分水适度，土壤越干燥，输出电压越小；反之，越大。其工作电压为3.3V-5V，输出电压

0V-3.6V(5V供电) ，使用时，只需将Moisture Sensor传感器探头插入土壤中，通过AD转换电压信号，即可检测土壤水分。其电路原理图如下：

图3 土壤湿度传感器原理图

当传感器检测到土壤湿度过低时，把数据上传给单片机，单片机分析数据后会驱动迷你小水泵给植物浇水，当湿度大于一定数值时，停止浇水。其构成一个简单的自动浇花系统，而不需人工的参与。

烟雾检测及报警模块

烟雾检测模块具有防止火灾发生的功能。为了降低房主离家在外家中发生火灾的机率，我们选用了烟雾传感器MQ2来实时检测家里的烟雾浓度。正常情况下家中烟雾浓度为一范围内的稳定值。当房间内浓度高于某一上限值时。表示家中可能发生火灾，这时会单片机通过控制蜂鸣器发出警报并给用户打电话。

MQ2烟雾传感器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、酒精、氢气、烟雾等的探测，我们用来检测家里的烟雾。其电路图如下：

图4 MQ2烟雾传感器引脚及外观图

MQ2有四个引脚，电源正极引脚VCC，接地引脚GND，模拟输出引脚AOUT，数字输出引脚DOUT，使用时VCC接5V电源，GND接地，AOUT和DOUT分别接单片机的数字引脚D3、D4,连线后，即能使MQ2开始工作，其输出为0-5V直流电压，烟雾浓度越大，输出电压越大。

人体红外识别与检测模块

人体红外识别与检测模块的主要功能是监测家里是否出现盗贼（当用户离家在外时）。我们所使用的人体红外热释电传感器能够感应到人体所发出的红外光。由于人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

其原理图如下：

图5 红外人体热释电传感器

人体红外热释电传感器有三个引脚VCC，GND和DOUT，使用时VCC，GND引脚分别接单片机的VCC，GND引脚，DOUT引脚接单片机的数字引脚D6即可使其工作，部分应用程序如下：

int val,Led=6,Sensor=7;

void setup(){

pinMode(Led,OUTPUT);

pinMode(Sensor,INPUT);}

void loop(){

val=digitalRead(Sensor);

if(val==LOW){

digitalWrite(Led,LOW);}

else{

digitalWrite(Led,HIGH);}}

红外遥控发送与接收模块

红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段，红外线遥控因具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点而广受欢迎。红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作。下图为红外接收模块电路图：

图6 红外接收电路

当红外接收器接收到红外灯发出的信号时，通过向应的程序处理并由数码管输出得到的数据。

部分应用程序如下：

#include

int RECV_PIN =11;//????PUT????1

IRrecv irrecv(RECV_PIN);// ?IRrecv ??????ō

decode_results results;//??results

void setup(){

Serial.begin(9600);

irrecv.enableIRIn();}//???

void loop(){

if(irrecv.decode(&results)){//?????????

if(results.value !=(-1)){

Serial.print("irCode: ");

Serial.print(results.value,HEX);//????

irrecv.resume();}}}

报警电路模块

报警电路的主要功能是为了家里防止发生紧急情况而关闭用电器。当检测到家中烟雾浓度过大时，单片机控制蜂鸣器发出警报30S,如果家里有用户就会听到，如果用户没有听到，单片机控制手机给远端的用户打电话通知情况。程序会自动关闭所有家电并发送消息给在外的登录用户的手机或电脑用户，最大可能的避免损失。其通信过程如下：

图7 报警电路通信模型

传感器网络

为整个系统提供数据的底层硬件是由一系列传感器组成的传感器网络，它是最基础也是最有价值的一部分，用户获得这些传感器提供的数据后，才能对用电器进行操作。整个网络中使用到的传感器主要有：LM35温度传感器，MQ2烟雾传感器，土壤湿度传感器Moisture Sensor，人体红外热释电传感器。它们各自独立工作不断地为终端提供数据。

XBEE无线传输模块

XBEE无线传输模块是本设计中重要的一部分，主要实现多路数据的无线传输，脱离距离的限制，便于单片机的控制。由于考虑到多个房间都存在用电器，因此同样需要控制器去控制它们，实现多个控制器之间的数据发送和接收最好使用无线传输模块。我们选取了XBEE模块作为数据传输工具。

XBEE无线模块是基于Zigbee通信协议开发，是一种低功耗的无线组网通信模块，多个模块可以形成一个多条的自组织Zigbee网络（基于Zigbee协议

---802.15.4），这是它优势所在，在网络中的各个节点均可移动，网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断的动态变化。XBEE模块和XBEE PRO两个模块均工作在2.4GHz频段，且引脚相互兼容。其引脚图如下：

图8 XBEE无线通信模块引脚图

拥有UART接口的设备可以连接到模块的相应引脚，如图9：

图9 xbee通信模型

XBEE主要参数：

◆室内传输距离：约40米

◆发射功率：1mW

◆发送电流：45mA(3.3V时)

◆接受电流：50mA(3.3V时)

通信时，数据作为异步串行信号通过针脚3进入模块的UART.当没有数据传输时,信号置为高电平.每个数据字节包含一个起始位(低电平),八个数据位和一个停止位(高电平).下图模拟了串行信号通过模块时的情形.

图10 XBEE通信时序图

连通后任意两个xbee模块能进行数据的双向传输，在使用前需用串口调试软件X-CTU（见图11）对其进行配置，xbee有两种工作模式，AT指令和API模式。

图11 XBEE配置软件X-CTU图

部分应用程序如下：

#include

XBee xbee = XBee();

uint8_t playload[]={0,0};

XBEEAddress64 addr64 = XBEEAddress64(0x0013a200,0x408b47db);

ZBTxRequest zbTx = ZBTxRequest(addr64,playload,sizeof(playload));

int pin5 =0;

void setup(){

xbee.begin(9600);}

void loop(){

pin5 = analogWrite(5);

playload[0]= pin5 >>8&0x30;

playload[1]= pin5 &0xff;

xbee.send(zbTx);

delay(1000);}

IIC数据传输模块

IIC数据传输模块属于有线串口通信的一种。当两块控制器（MCU）各自需要进行通信且所需距离比较近时，IIC/TWI通信很好的满足了需求。我们用它来实现两块微控制器的通信。

IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线），IIC串行总线有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL 上，利用该总线可实现多主机系统所需的裁决和高低速设备同步等功能。因此，它是一种高性能的串行总线。

每个接到IIC总线上的器件都有唯一的地址，（一般情况下器件的地址都是7位）比如说我们要发送一个数据给某一个从设备，此时我们如何对其进行写入数据呢，这时主设备先通过SDA发送一个地址，然后所有的从设备就会判断自己的地址是不是主机发送的这个地址，如果是，这样主机就和此地址的从设备连接上了。

IIC通信过程：

图12 IIC通信过程

下图为我们使用的一种模型：