文摘
家庭自动化系统是获得大量的全球吸引力,改变我们生活的方式。他们简化我们的生活,减少工作量,提高家庭安全,并为新的发展铺平了道路。难怪为什么这些系统的高需求和现代化需要跟上消费者需求。然而,利用家庭自动化系统技术可以为中产阶级家庭能源密集型和奢华尤其在发展中国家。在本文中,我们讨论SECHA,智能,节能,成本效益的家庭自动化系统。它赋予用户自动化家园与物联网无论住宅类型。SECHA的目标是开发节能,使用简单,开源的所有人的利益。SECHA已经开发出一种低成本的智能家庭自动化系统,包括无线网络和GSM技术,实现远程监视和控制设备通过一个Android应用程序。该解决方案允许用户方便地监视和管理他们的家园。科学家发明了一种自动化系统使用一个ESP32单片机配备wi - fi和GSM SIM800。 This impressive setup is further enhanced by the integration of several sensors that enable monitoring of temperature, humidity, movement, and other aspects at home.
1。介绍
物联网(物联网)已经是我们生活的一部分,与数以十亿美元计的设备连接到它,投影,这个数字在未来几年才会增长。这种发展可以为我们带来很多好处和方便我们的日常生活。数量迅速增加在全球的物联网设备预计,从97亿年的2020到290亿年的2030 (1]。在许多发达国家已经利用物联网技术的好处,大多数发展中国家和不发达国家仍处于起步阶段的实现。尽管它相对近期的到来,物联网已开始打开大门,并提供巨大的可能性一系列新的可能性,可以对我们的生活产生巨大影响。由于缺乏现有的基础设施,物联网的发展阻碍了几个挑战,最重要的是物联网设备的相对较高的成本和设备,缺乏力量,和不稳定的网络连接(2,3]。例如,在一个发展中国家如埃塞俄比亚,停电频繁,这将限制人口的电4,5]。物联网设备的高能源需求结合人类滥用,如一个空房间里打开灯,让这有限的能源稀缺。有必要设计和实现成本效益和节能的物联网系统,方便、灵活。了解如何使用物联网(物联网)可以帮助我们减少能量损失,从而可能提高效率(6]。
其他几个家庭自动化项目也开始在不同的国家。他们每一个人都是独一无二的设计,功能,设备,元素,和算法。他们开发了针对特定需求和组件的可用性在各自的区域。有些很便宜,而另一些则相当昂贵。在发展中国家使用的硬件和软件的可用性也是一个要求。尽管这些研究论文以某种形式或其他非常有用,我们觉得有必要开发一个全包,简单,easy-to-implementIoT-based家庭自动化系统。
因此,我们开发了SECHA,智能,节能,成本效益的家庭自动化系统在本文中。它提供了一个简单和实用的方法,利用物联网的多数家庭自动化和安全技术。我们计划目前在SECHA家庭自动化体系结构,利用一个单片机,移动连接,甚至一个Android应用程序。当用户不在线,SECHA使用更快的SMS通信提供的Android提供紧急消息从在世界任何地方。除了智能家居自动化,我们将专注于能源消耗管理解决方案由低压传感器和组件,将节省大量的能源,同时也让消费者避免多余的能量消耗通过远程管理设备。它也重视负担能力利用低成本的传感器和组件。这可以帮助用户省钱,减少设备能源浪费。所有成本保持尽可能低,使发展中国家的中产阶级家庭负担得起的,如埃塞俄比亚。
目标是设计一个原型使用经济和高效设备,建立了无线远程控制家用电器的一个网络。应用软件是为了方便的Android智能手机上运行,包括语音命令控制和检查设备的状态直接从应用程序。系统可以用在任何住宅,商业,机构,或购物中心,有广泛的用途。智能住宅设备可以通过互联网或通过手动控制连接开关,和系统可以通知用户或消防部门在紧急情况下,即使在没有网络连接可用。
通过应用有效的调度能力,用户可以省钱以及节约能源。物联网家庭能源管理系统为消费者提供了最佳的结果以尽可能低的成本。我们设计SECHA很容易升级和可降解基于用户偏好,一些功能不适用于所有用户。这种类型的优势不仅可以节约能源还不必要的支出,使其更有效率。因此,用户可以轻松高效地实现IoT-basedenergy-saving家庭自动化系统在本文中所讨论的概念。
2。在低成本的物联网研究论文的概述
本部分介绍后续物联网的简要概述论文被选中是因为他们国家低成本要求。正如我们将要看到的,这个症状往往与角度的问题,通常被忽视,往往完全合理的。大部分的论文包括在本节中,来自发展中国家,表明物联网被认为是改善他们的生活质量,以及填补与发达国家的差距。家庭自动化是使用技术在家庭环境提供便利、舒适、安全,其居住者和能源效率。许多研究论文目前的家庭自动化的各种方法。每一个有一些独特的特性以及一些缺陷。下面将进一步讨论这些文件:
一项研究的作者(7使用物联网)提出节能家庭自动化。研究实现了一个智能家庭自动化方法使用互联网,这将大大提高当前的能源使用困难。要做到这一点,低成本,低功耗ESP8266集成无线模块用于控制继电器通道。利用ESP8266的主要缺点是它的表亲,附近ESP32, ESP8266缺乏执行更好,有几个功能,同时成本差不多。
的作者文献[8)提供了一个低成本、有效的家庭能源管理系统使用一个自动Arduino UNO单片机板。它结合了应对自然灾害,如火灾的手段除了家庭能源管理提供具有成本效益的解决方案。利用Arduino UNO的唯一缺点是,ESP32相比,功耗更小,使其不适合使用电池。即使没有wi - fi盾牌,ESP32大大减少昂贵的比少Arduino UNO-about五倍。同样地,作者引用的9温室监控系统)提出的样子。DHT11,土壤水分、存贷比和PH传感器的主要传感器应用在这个项目中,他们提供精确值温度、湿度、水分含量、光照强度,土壤博士这个系统是为了控制和监测温室的环境参数通过GSM网络上从任何地方发送的短信。虽然大多数的传感器使用低成本和节能系统也通过GSM800离线操作;使用Arduino不是最具成本效益的或节能的方法,因为它是相对昂贵,很难找到在发展中国家。本文主要关注使用植物生长监测和控制物联网而不是一般家庭自动化。
类似的研究发展IoT-based系统监控智能和出租房屋的电能消耗是在坦桑尼亚进行的(10]。尽管他们ESP32作为他们主要的微处理器和GSM用于离线消息,本文仅旨在增加智能技术价值租房用户通过向他们提供一个系统,提供完整的详细信息或电源线的房子,每个设备以及每个房间的功耗。即使这些房子将协助用户理解总能耗和消除不必要的或未使用的设备从消费行,这篇文章不能提供解决方案为多种多样的社区在发展中国家。
一个全面的策略是采用文献[11)来创建一个低成本的物联网。的整体思想的存在一个低成本的组件并不能保证同一属性适用于整个项目作为作家的驱动力。虽然我们的主要重点是家庭自动化和安全系统,它可以用在任何发展中国家或欠发达国家,这是符合我们的系统概念。
3所示。SECHA的架构
在本节中,我们概述SECHA,智能,节能,且经济有效的家庭自动化系统在发展中国家或欠发达国家平均收入家庭解决物联网面临的主要问题:支付能力,停电,不稳定的网络连接。在SECHA,我们试图实现这一目标,汇集来自不同公司的不同技术,提供低成本、功耗小,易于实现设备和整合成一个单一的系统,似乎一起工作。我们也试图减少所需的传感器和设备将大部分的家庭自动化,同时保持低成本。
SECHA是建立在一个ESP32单片机,处理来自多个传感器的数据并将其发送给一个实时数据库,然后将其发送给用户的Android应用程序接收指令。在这个项目中,我们创建了一个通用模型,可以执行最基本的家庭自动化的任务通过使用单个ESP32作为主要微控制器连接到我们所有的传感器和设备创建一个家庭自动化系统。我们试图证明即使预算有限,稀缺的电力,和一个不稳定的网络连接,作为物联网在发展中国家很常见,可以实现家庭自动化和安全系统。我们还设计了SECHA系统很容易升级和降解,这意味着用户可以很容易地添加更多的功能通过连接一个新的传感器或设备连接到ESP32任何继电器模块,或者他们可以删除不必要的功能根据自己的喜好,给SECHA更多灵活性。
SECHA的基本架构分为多个阶段,包括传感器、网关连接,处理的数据,云,和用户界面应用程序软件(图1)。首先,物理设备,如传感器、电器、和微控制器收集和解释数据从他们的环境。然后发送和处理这些数据在云中,然后将它们发送给用户使用的UI和接收数据作为一个命令。这个命令然后传递给单片机,传感器和家电命令。在物联网架构中,微控制器和传感器作为发射器,能量从一种形式转换到另一个地方。在我们的原型中,我们使用ESP32、ESP32-CAM SIM800模块,PIR传感器,DHT11, MQ2气体传感器,和异地恋传感器作为我们的主要组件,我们开发了一个Android应用,控制家庭自动化使用重火力点实时数据库。
3.1。为什么ESP32 ?
ESP32单片机是一种低成本、低功耗soc单片机支持wi - fi和蓝牙,高度集成的结构由双核微处理器。ESP32是一个很好的选择为物联网设备由于其性能和低成本。ESP32,单片机板用于连接所有的传感器,是我们设计的中心。ESP32董事会与项目的源代码程序。ESP32的操作电压范围是2.2到3.6 V,这片上内存可用于存储源代码直接在芯片上。ESP32将3.3 V芯片在典型操作(12]。ESP32微控制器有两个核,可以执行很多任务。内部传感器,如电容触摸和霍尔效应传感器,也包括在内。ESP32芯片的主要优点是它的广泛部署能力和与无线网络协议的兼容性。ESP32是32-bithexa-core单片机开发物联网(物联网)设备。它拥有一个巨大的计算能力这么小的芯片,以及片上存储器内存数据和程序指令。它也支持外部存储器,使它适合要求更高的活动,比如连接到相机,语音识别,流数据、图像识别、物联网传感器。你可以阅读更多的技术信息为什么ESP32是最好的单片机在[13,14]。
3.1.1。ESP32睡眠模式
ESP32不使用时,它可以进入节电模式叫做“睡眠模式”,将所有数据存储在RAM中。任何不必要的外围设备将关闭,RAM将获得足够的能量来维持其内容。ESP32特性五个可编程电源模式由于其先进的电源管理:主动模式马(160∼260),现代睡眠模式(3∼30 mA),浅睡眠模式(0.8∼mA),深度睡眠模式(6.5∼µ),和休眠模式(4.5∼µ),芯片可能这几个之间权力过渡模式取决于所需的力量。ESP32可以在这些操作模式在电流甚至低于4.5µa . ESP32电源管理技术有效,适应性强,考虑到功耗的优化平衡,唤醒延迟和可用的唤醒源。用户可以选择从五个预定的权力模式的主要处理器,以满足应用程序的需求。此外,命令可能由超低功耗协处理器(ULP协处理器),主处理器处于深度睡眠模式节约用电在power-sensitive应用程序(15]。
3.1.2。ESP32和Arduino Uno和ESP8266
惊人的ESP32可以运行长时间电池,使其适合发展中国家,而Arduino Uno低效的功耗,使其不适合使用电池。此外,Arduino Uno相比,具有更多的GPIO管脚。此外,ESP32具有内置的wi - fi和蓝牙,消除了需要额外的无线电模块包含在大多数Arduino董事会。ESP32也便宜大约五倍比没有考虑外部的Arduino Uno Arduino Uno所需外围设备。
ESP32也超过其近亲,ESP8266,多亏了额外的功能,比如CPU核心,更快的wi - fi,蓝牙(祝福),触摸灵敏度别针,内置的霍尔效应传感器和温度传感器。ESP32比ESP8266 GPIO管脚。ESP32特性十电容GPROs触摸感和可用于触发事件,同时保持ESP8266大约在同一价格。
3.2。为什么ESP32-CAM ?
ESP32-CAM是一个简单,低成本的基于ESP32开发板。它有一个内置的TF卡插槽和一个OV2640相机。ESP32-CAM适用于广泛的智能物联网应用,如无线视频监控、无线上传图片,和QR识别。两个high-performance32-bit LX6 cpu和所有三个wi - fi,传统的蓝牙,和低功耗集成!其主要频率调整跨度从80兆赫到240兆赫,和额外的特性包括一个芯片上的传感器、霍尔效应传感器,温度传感器,和其他特性。它还包括7-stage管道设计。ESP32-CAM是适合我们的项目,因为它是负担得起的,使用简单,适合物联网(物联网)设备,需要一个先进的相机功能,如人脸识别和监测(16]。
3.3。为什么SIM800模块?
SIM800最新版本,与蓝牙等额外的功能和增强的信号接收,以及更便宜。一个GSM调制解调器,可以用于各种物联网项目。您可以使用此盾做几乎任何一个标准的手机能做什么:发送SMS短信、接听或拨打电话,通过GPRS连接到互联网,TCP / IP,和更多!最糟糕的是,盾牌支持四频段GSM / GPRS网络,这意味着它将几乎在世界任何地方工作。SIM800L是一个紧凑的细胞能传输GPRS模块,发送和接收短信,和接收语音通话。低成本,体积小,和四波段频率这个模块的功能使它成为一个伟大的选择对于任何项目需要远距离通讯。SIM800发达与节电技术,与当前使用低见1.2 mA在睡眠模式17]。我们在我们的项目,因为它是SIM800使用用于向用户发送紧急消息在一个不稳定的连接。尽管我们可以使用一个ESP32内置SIM800 (TTGO t)为了简化我们的系统,节省更多能源,它是更昂贵的比单独购买ESP32和SIM800模块,这与我们的目标使我们系统的负担得起的。
3.4。为什么PIR传感器?
被动红外传感器(PIR)检测到人类和动物10米(30英尺)。传感器可用于检测人类的存在在房间,大门通过探测红外线产生的一个温暖的身体和发送一个信号到ESP32 [12]。因为PIR传感器是被动的,它是不明显的,在光线暗的条件下运行良好。它检测到运动一直在室内,白天还是晚上,消耗更少的能量(0.8 W至1.0 W)比微波传感器。他们是便宜比微波传感器和适合电气应用在较小的和更紧凑的空间。相比现有的入侵检测系统,它是完美的安装一个物联网系统使用PIR入侵检测传感器,功耗更小,低成本,简单的操作,和易于安装18]。
3.5。为什么DHT11 ?
DHT11是一个低成本的数字温度和湿度传感器。这个传感器是简单的连接到单片机。DHT11湿度和温度传感器是一个低成本的边缘能够感应相对湿度20至90% RH的准确性达5% RH整个操作温度范围0到50°C。2°C的温度也是测量精度范围在0到50°C。返回两个值,一个8位的分辨率。这个小工具消耗0.5到2.5 mA。对于那些担心电池寿命,待机电流在100年到150年(指定19]。DHT11是一个简单和廉价的数字温度和湿度传感器。它衡量周围的空气电容式湿度传感器和热敏电阻和输出数字信号数据端口(不需要模拟输入连接),操作非常简单。
3.6。为什么MQ2气体传感器?
气体传感器(MQ2)模块检测到H2,液化石油气,CH4, CO,喝酒,吸烟,或丙烷泄漏。因其灵敏度高、反应时间短、测量可能是尽可能有效地进行。商用的MQ2气体传感器,在大多数发展中国家的当地市场,更容易和成本效益比从国外收到传感器。每污染物相比,使用多种传感器,这个传感器检测7不同类型天然气的组件,节省1/7的电力的节点(20.]。
3.7。为什么异地恋传感器?
异地恋并不是感光设备经常用来检测光的存在与否或测量光的强度。根据先前的研究,利用异地恋传感器,需要很少的功率和电压操作,系统可节省71.39%的平均功耗,成本低,结构简单,容易就业(21]。异地恋有很多优点:它是便宜的,简单的安装,亮到暗电阻率较高。他们也紧凑的大小,非常基本的硬件,异地恋连接简单,低频率响应,只需要一个低电压操作。
4所示。系统设计和方法
4.1。硬件架构和实现
以下4.4.1。系统框图
基于SECHA的架构中,我们设计了一个系统结构、框图(图中所示2)。系统是尽可能简单的和负担得起的采用单个ESP32单片机。然而,它与众多传感器为了体现其许多功能和广泛的应用程序提供各种类型的基于客户的需求特点。也可以定制新的特性和功能,以及16继电器控制任何家用电器。如果有必要,我们的系统还支持Alexa, Siri,谷歌语音命令。所有的传感器和组件单独和集体测试,以保证他们仍将继续发挥作用,即使一个或多个组件失败了。ESP32是直接与它的内置的USB驱动程序编程的集成到一个单独的IDE。
4.1.2。工作原理及系统的流程图
(1)设置门安全和解锁。当PIR传感器检测到运动在门前,校准和激活ESP32-cam。ESP32-CAM编程使用相机。py,使它能够捕捉图像和视频直播流到用户的手机。的OV2640 EPS32-CAM记录12.5每秒25帧根据分辨率和流Android应用。通过ESP32相机拍摄的照片和视频可以与用户实时共享,上传到服务器,存储在SD卡,让他们即使访问互联网连接是不稳定的。当没有运动PIR检测到的,它仍然是在深度睡眠模式和停止视频后一定时间的不活动,以节约资源。
开门,系统使用TTL (gt - 521 f32)指纹识别技术,这也可以通过Android应用程序管理。当主门按钮被按下,ESP32转移电压中央控制器,它激活门电磁锁,打开了门。这也是编程5秒后自动关门,听起来一个蜂鸣器,如果指纹不匹配。一个声纳传感器和ESP32-CAM的面部识别功能可能被用于自动化的门,但我们观察到,这种方法不太安全。门安全的流程图如图3。
(2)检测易燃气体、烟雾和火灾。MQ-2传感器用于检测烟雾和可燃气体,而火焰传感器用于检测火灾。当传感器的读数超过阈值,系统激活蜂鸣器,这听起来通知用户/气体水平或火上升的烟,而GSM模块发送紧急消息给用户或消防部门,并激活自动洒水车如果火焰传感器读数非常高。使用DHT11温度传感器的温度测量。DHT11传感器值用于开关风扇在高温(在我们的场景中是超过30摄氏度),和MQ-2阅读是用来打开风扇在发生大的烟雾或气体的浓度。流程图的易燃气体、烟雾和火灾探测报警图所示4。
(3)控制照明和家用电器。所有的灯和家用电器都是由用户控制的Android应用程序,但户外光线也配置为自动打开或关闭。当用户按下一个按钮在Android应用程序,ESP32发送一个电压信号到中央控制器,与阈值电压进行比较和激活或失活的继电器模块,控制家用电器的开/关。自动化外面的光中,我们使用一个光敏电阻(异地恋)传感器测量外光的强度和ESP32发出一个信号,然后发送一个信号继电器模块。如果异地恋传感器值大于阈值(0.3勒克斯在我们的原型),外面的光线会被关闭。然而,如果光强度值等于或小于阈值时,将自动打开外面的光。图5显示光控制的流程图。
4.1.3。电路设计
我们使用了ESP32微控制器单元。所有组件和模块根据线路图(图连接6)。在此系统中,一些组件是由3.3 V,我们使用两种类型的电源:5 V或3.3 V。
4.1.4。材料
设计SECHA,我们使用的材料表1:
4.2。软件需求
我们的系统程序使用各种应用程序和编程语言。ESP32是直接使用C编程语言编写,而ESP32-CAM OV2640使用cam编程。py,然后集成到Arduino IDE。ESP32之间传输数据和用户实时的Android应用程序,我们使用谷歌重火力点数据库和云服务器。Android应用程序是使用麻省理工学院开发的应用程序发明家,这使我们能够快速地设计和实现一个Android应用程序,用户也可轻松定制。
4.2.1。准备Arduino IDE
这是一个免费和开源软件开发环境,我们用代码ESP32董事会在C编程语言。这给我们提供了访问大量Arduino库,数据不断增长,由于其庞大的用户基础。它还简化了编程ESP32板,它可以用于离线上传代码,使其适合与不稳定或没有互联网接入用户(22]。
4.2.2。重火力点云服务器
重火力点云服务器平台使我们能够做实时数据传输和设备连接。这个平台包括一个实时数据库、系统性能的监控、分析、网络和崩溃报告功能。因为重火力点支持谷歌,它有最大的安全级别。用户的个人数据将充分保障和自由被攻击的风险。重火力点云消息传递是一种强大的技术通过数据消息发送通知的移动应用程序。它可以用来改变行为的Android手机上安装的应用程序。重火力点善于节省时间在将数据发送到任何的移动应用程序,使其效率低的传输。重火力点将互联网传输数据是否可用。这种技术的好处是,当应用程序连接到互联网,云将提供更新的数据。重火力点通知是最好的带宽的使用,因为它将尽快更新应用程序接收到警报(23]。
4.2.3。Android应用程序设计
我们创建了一个Android应用程序来控制家用电器,使安全监控。这个平台是最流行的在发达国家和发展中国家,提供一个安全的经验。用户可以登录使用他们的特殊和独特的登录ID和密码。
我们使用麻省理工的App Inventor工具(24)开发Android应用程序。麻省理工学院应用程序发明家是一个简单易用的可视化编程环境,允许任何人设计全面工作为智能手机和平板电脑应用程序。Android应用程序的框图中提供了文献[25]。给出了一个Android应用程序的整体视图,如图7。
5。实现和结果
我们首先测试了家庭自动化实现过程。传感器作为输入,ESP32s作为控制器,灯光在家庭自动化(图输出8)。最优和自动模式独立测试。Android应用程序是用来打开和关闭灯(图9)。我们使用这个应用程序来控制灯的状态。用户激活安全系统通过把一个手指放在扫描仪。门就会打开如果指纹匹配。指纹扫描需要大约2 - 3秒(图10)。
5.1。门上锁了Android应用程序
应用程序控制电磁锁,这是一个硬件单元的锁定机制。用户有两个命令来打开或关闭锁定应用程序中的一个按钮(图的形式11),它是由重火力点的状态值(0,1)指示是否打开或关闭门。这种通信的协助下正在进行实时数据库。
如果检测到烟雾或火灾,短信将被发送到用户的手机。我们使用打火机靠近火焰传感器测试火灾报警系统(图12)。LCD屏幕显示当前的温度和湿度,以及短信发送给用户。发送短信提醒也在盗窃警报。压电蜂鸣器将开始的声音当所有传感器的探测值高。
控制光,我们首先测量外光的强度。我们使用光敏电阻器(异地恋)来测量光强度。根据存贷比的值,系统将保持在白天,天黑时自动打开和关闭的时候太暗(图13)。
5.2。系统的成本和功耗
系统的成本和功耗表给出2。
6。结论
物联网已经出现在几乎每一个家庭,这是不可避免的,这将是下一波技术在不久的将来。这需要一个系统的设计,使物联网在发展中国家和不发达国家家庭自动化。在本文中,我们提出SECHA,物联网体系结构,可以作为一个框架来构建一个低成本的智能家居安全系统。这个系统的主要目的是使用尖端科技让人们的生活更舒适和方便。系统设计与发展中国家和不发达国家的物联网的挑战和机遇。系统的成本是保持尽可能低的时候。只有最基本的特性,促进家庭自动化,同时确保资源效率。
使用SECHA系统,我们表明,任何发展中国家或欠发达国家能够实现一个负担得起的,节能的,简单的物联网系统。我们我们所有的传感器连接到一个ESP32,它将数据发送给我们开发的Android应用程序通过一个实时数据库,使系统作为廉价、节能,实现尽可能简单。在发生紧急情况时,系统可以使用GSM SIM800发送短信通知,即使没有一个互联网连接。我们的系统可以升级或降级成本基于个人偏好,它也可以实现全国范围内的机构或政府或个人用户。
6.1。未来的范围
这个项目是一项正在进行中的工作领域的物联网应用在家庭自动化系统。在未来,可能会有更可靠的设备,更快,更便宜。我们可以使用的组件替换为最新的设备,但是它必须有适当的软件和驱动程序。这个项目成功的任务都完成了。我们能够实现我们的目标,本文概述了。我们有时间和金融约束,但我们希望它能作为基础将物联网技术发展中国家和不发达国家。总有改进的空间随着技术的进步。机器学习和人工智能可以实现在未来的各种机器操作。创新可以发生在废物管理,有效的水资源管理,和废水管理。将需要更多的工作和研究来完成这些项目。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果都包含在本文研究。模拟,我们使用数据从其他研究论文正确引用。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。