1984年世界上第一幢智能建筑在美國康涅迪格州出現。它將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭保安裝置連接到一個家庭智能化系統中進行集中的或異地的監視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環境的和諧與協調[1]。如今這種建筑正成為都市人青睞的家居體驗方式。
　2003年以來，海信、清華同方等公司也相繼加入到智能家居行列，但目前的智能家居系統還缺乏統一明確的國際標準，許多公司開發出的產品都是基于自己組建的網絡和信息交換協議，很多產品是針對特定的組網環境開發的，部分核心技術沒有對外公布，技術復雜，直接導致了使用范圍的局限性。由于缺乏對應的第三方產品，各個接入設備之間不能兼容，互操作性差，不利于產品的擴充。
1 系統的硬件設計
    以電子系統為核心的家居系統是未來智能家居的發展趨勢[2],本文介紹一種基于Arduino的智能家居控制系統。建立智能家居控制系統，硬件是關鍵和基礎，它對整個系統的穩定性、控制和反饋的準確性、節能性都有直接影響[3]。智能家居控制系統的硬件部分主要包括Arduino控制器、傳感系統、無線控制系統、語音播報部分和液晶顯示等。其中，傳感器部分由溫濕度傳感器和氣體傳感器三部分組成，用以檢測室內溫濕度及有害氣體。無線控制部分由GSM和無線語音控制模塊兩部分組成。系統結構如圖1所示。

1.1 Arduino 控制器
　    Arduino是一個開源的單片機電子設計平臺，硬件部分由Atmel AVR單片機、I/O接口及相關電路組成，軟件部分則包括標準的程序編譯器和程序下載器，具有使用類似Java和C語言的Processing/Wiring開發環境[4]。相對于傳統的單片機，Arduino的特點主要包括免費、開源的IDE，開源的硬件(包括原理圖和PCB圖)，所有資源都可以免費下載，并且可依需求自己修改，方便與傳感器及各式各樣的電子組件連接。本系統的主控制器采用 Arduino Mega2560。Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板，核心是ATmega2560單片機，同時具有54路數字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UART接口，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕?？刂瓢逋ㄟ^標準USB線纜與電腦連接，便于在線進行程序調試[5]。
1.2 無線語音模塊
　 無線語音采用YS V0.7模塊，其核心是LD3320語音識別專用芯片,如圖2所示。模塊將LD3320芯片與周圍必要的容阻件集成在一塊PCB上，將LD3320的芯片管腳通過2×20的排針引出，方便用戶在面包板或者標準DIP40插座等設備上對LD3320芯片進行快速開發。模塊主控MCU是51內核的單片機STC90LE52,電源設計采用的是LM1117-3.3芯片，為LD3320提供3.3 V電壓。將主控MCU的管腳連接到LD3320模塊的排針上，同時給LD3320模塊提供合適(4 MHz~48 MHz)的晶振信號，在主控MCU中編寫程序進行LD3320的語音識別。

1.3 GSM模塊
    目前，國內已經開始使用的GSM 模塊有Falcom 的A2D系列、Wavecome 的WMO2 系列、西門子的MC39i系列、愛立信的DM10/DM20 系列、中興的ZXGM18 系列等，這些模塊的功能、用法差別不大[6]。本設計GSM控制部分采用MC39i模塊，MC39i是西門子公司推出的新一代雙頻 GSM/GPRS通信模塊的無鉛產品，其簡潔的封裝是很多應用系統中無線高速數據傳輸的理想解決方案，可以進行數據、語音、SMS和FAX各個方面的應用，且功耗低，為用戶提供了永遠在線、高速度、更簡單的移動數據通信接入手段，通過獨特的40腳的連接器(ZIF)實現電源連接、指令、數據、語音信號及控制信號的雙向傳輸。GSM是具有電話報警功能的監控系統，系統利用GSM網絡對房屋進行遠程控制，當系統檢測的房屋內有危害情況時，通過GSM模塊給用戶發送短信告知用戶。同時可以利用GSM模塊對電器進行控制。
1.4 傳感器模塊
1.4.1 溫濕度傳感模塊
    溫濕度傳感系統采用DHT11溫濕度傳感模塊，外形及原理圖如圖3所示。DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可與高性能單片機相連接，達到檢測環境溫濕度的目的，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。

1.4.2 氣體傳感模塊
    氣體傳感系統采用MQ-2氣體傳感模塊，原理圖如圖4所示。MQ-2傳感器是基于QM-NG1探頭的氣體傳感器，采用MQ-2型氣敏元件，可以迅速、靈敏地檢測到空氣中的煙霧以及甲烷氣體。通過3P傳感器連接線直接插接到Arduino傳感器擴展板上，結合蜂鳴器模塊與繼電器模塊，實現煙霧報警、甲烷泄露報警和自動煙霧排風等功能。

1.5 液晶顯示模塊
    液晶顯示采用LCD1602B模塊。LCD1602B字符型液晶模塊是一種用5×7點陣圖形顯示字符的液晶顯示器，根據顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等。
2 系統的軟件設計
    利用溫濕度傳感模塊、氣體傳感模塊對室內環境進行檢測，將采集量和設定的預設置進行比較，并將檢測結果反饋到Arduino中央控制器，從而控制風扇、排氣扇等家電設備，自動對室內環境進行調節；利用語音控制模塊對Arduino中央控制器發送命令，實現對家電的無線語音控制；通過GSM模塊實現短信控制家電功能；利用液晶模塊顯示出各部分信息，通過語音播報模塊進行外部通信。通過以上系統之間的聯系與通信，實現整套家居的智能控制系統。
    系統軟件采用Arduino IDE 開發環境進行設計，調試完成后下載到Arduino Mega2560 控制器中運行。系統程序運用C語言編寫，結合一些主要函數來實現各個模塊對應的功能。程序由系統主程序、初始化子程序、語音控制子程序、GSM控制子程序、傳感器檢測子程序等模塊組成，系統主程序流程圖如圖5所示。

3 系統的功能
    (1)語音YS V0.7模塊通過對照識別人語言中的敏感詞，經過藍牙向Arduino中央控制發出特定字符，中央控制器通過處理接收到的字符，控制外部模塊。
    (2)將已準備好的電話卡，插入GSM模塊的卡槽里，當成功識別所插入的卡后，指示燈會有規律地閃爍。這時，通過手機向GSM模塊發送帶有特殊符號的短信，模塊會自動識別字符從而控制繼電器的工作。如：向GSM發送“on”，則GSM控制繼電器，打開開關;發送“off”則關閉開關。
    (3)DHT11溫濕度傳感模塊，通過不斷地對周圍環境進行檢測，將得到的數據發送至中央控制器，中央控制器處理得到數據后，將數據顯示在LCD1602B液晶顯示模塊上。實時將溫度與設定溫度閾值進行比較，超過閾值時，自動啟動風扇，調節溫度。
    (4)將MQ-2氣體傳感模塊直接插接到Arduino傳感器擴展板上。當檢測到的有害氣體達到設定閾值后，蜂鳴器發出警報聲，同時Arduino控制引腳的電平，形成電位差使排氣扇開始工作。
    經過試驗證明，基于Arduino的智能家居控制系統運行穩定。采用無線模塊，溫濕度、危險氣體等采集感應模塊，液晶及語音輸出設備等主要的功能性部件，構建了一套智能家居系統。系統具有語音及GSM短信控制家電、煙霧防火報警等功能，采用液晶顯示及語音播報反映環境溫濕度及自動判斷外部環境、自動處理異情的功能；采用無線模塊起到無線控制功能，方便操作，適用于現代家居小區，更適合行動不便的老人家庭，具有巨大的推廣使用價值和開發潛力。
參考文獻
[1] 孫玉娟. 智能家居借勢突圍從智慧城市到美麗中國[J].中國住宅設施, 2013(1):86-87
[2] 劉主鏈,宋躍,何志輝,等.無線模塊與GSM實現的智能遠程家居控制系統[J].計算機測量與控制, 2011,19(9):
2133-2135.
[3] 陳致遠,朱葉承,周卓泉,等. 一種基于STM32 的智能家居控制系統[J].電子技術應用,2012,39(9):138-140.
[4] 紀欣然.基于Arduino開發環境的智能尋光小車設計[J].現代電子技術,2012,35(15):161-163.
[5] BANZI M. Getting started with Arduino[M]. California: O′ REILLY, 2009.
[6] 林添成.基于GSM的遠程家居控制系統[J].裝備制造技術,2010(5):75-76.