传感器在智能家居中的应用
传感器在智能家居中的应用
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摘要：本文以智能家居为背景，主要讨论了温度传感器、光传感器和气敏传感器这三种传感器在智能
家居中的应用。首先对系统进行了需求分析，明确了系统要实现的功能，在本文中主要测温度、亮度
和气体这三个量。其次对每种传感器的选型进行了详细的方案对比，然后选定一种较合适的传感器，
最后对选定的传感器进行介绍，包括原理、电路图，精度分析等。最后对对智能家居目前存在的问题
进行了简单描述以及对本文的一个总结。
关键词：智能家居；温度传感器；光传感器；气敏传感器
Sensors in the smart home
Abstract: In this paper,I mainly discussed the temperature sensors, light sensors and gas sensors in the smart home. Firstly, I analysised the smart home system and defined the function of system，primarily measured the temperature, the brightness and the amount of gas。Secondly, the selection of each sensor for a detailed comparison have been included in
this paper, and then I select a more suitable sensor,introduced it，including the principle, schematics, precision analysis. Finally, I gave a simple description of problems in smart home and a summary of this paper.
Key words: smart home；temperature sensors；light sensors；gas sensors
一、智能家居简介
智能家居就是通过综合采用先进的计算机、通信和控制技术（3C），建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。智能家居是IT技术（特别是计算机技术），网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。
相信很多人对一些美国科幻电影中的镜头印象深刻：主人公回到家中，随着门锁被开启，家中的安防系统自动解除警戒，廊灯缓缓点亮，空调、通风系统自动启动，动听的背景交响乐轻轻奏起。主人公坐在家中沙发上，手拿一个外观精美的遥控器，就能控制家中所有的电器。晚上，主人公上床休息，在他躺下的一刻，所有的窗帘都自动关闭，入睡前，床头边的面板上，晚安的灯光按钮亮起，所有需要关闭的灯光和电器设备自动关闭，同时安防系统自动开启处于警戒状态。主人公外出的时候，只要按一个键就可以关闭家中所有的灯和电器。
在科技高速发展的今天，这已经不仅仅是只能在科幻电影中看到的情景了。随着智能家居逐渐走进我们的生活，这样的场景也许不久就会在您身边变成现实。
现代科技进入家居的带来的变化令人啧啧称奇，给人们的家居生活带来了极大的便利。上文所描绘的这些场景，都是是智能家居将要带给您的“神奇”体验，而这一切，不过是智能家居控制系统能为您做的事情中的一小部分。
智能化志在必行是发展的趋势，因为这个世界显然是为懒人设计的。智能家居的概念并不是一个新东西，其实早在10年前，智能家居的概念就从国外引入到国内，从最初的梦想到真正进入我们今天的生活，智能家居在随着科技的发展，经历了一个既热闹又艰难的发
展过程的同时，也完成了在中国的跨越式发展。
那么到底什么是智能家居呢？智能家居并没有一个精确地定义，我们大家通常所说的智能家居就是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居系统可以为您提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、以及可编程定时控制等多种功能和手段，使您的生活更加舒适、便利和安全。
一个比较完善的智能家居的示意图如图1所示：
图1 智能家居示意图
与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。
由于每个家庭成员的职业、经历、喜好、教育程度、家庭背景千差万别，智能家居不仅是产品的设计安装和功能实现，更重要的是个人风格的体现。同时，智能家居高度的智能化和舒适化正是为了达到家居生活中的高度人性化，使用户个人感官在智能家居系统中得到淋漓尽致的舒展。在这样的趋势下，让智能家居中的人性化应用，成为智能家居得以发展普及的重心。
二、系统需求分析
要实现智能家居的基本功能，主要涉及到以下3个物理量的测量：
1.温度
系统可以自动启动家中的降温或取暖设备，让你每天都能享受最舒适的温度。因为是测室内温度，精度不需要太高，精度满足在±1℃即可
2.亮度
系统根据主人的需要达到最理想的亮度，而且当外界环境发生变化时还能自动调节，还能达到节约电能的效果。
3.气体
如果家中出现大的烟雾，可以自动启动通风器。如果发生火灾，系统可以自动启动家中的火警系统。
三、测量方案
3.1设计思路
在设计这几个传感器的时候，应考虑到它是用在智能家居中，应满足如下几个总体要求：（1）体积小巧、可拆卸更换
（2）对检测信号响应速度快，重复性好
（3）长期工作稳定性好
（4）使用寿命长制造成本低，使用与维护方便
针对各个不同的传感器，还有如下具体要求：
温度传感器：因为是测室内温度，测温范围不需要很大，测温范围在-55-100℃即可。
光传感器：选定的光传感器应该要能根据室内光线强弱自动调节灯光的强弱和开关。
气体传感器:第一，除了检测氧气、二氧化碳、水蒸气这些常见气体外，还要能检测甲烷、一氧化碳等这些在家里可能出现的危险气体；第二，能选择性地检测某种单一
气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；第三，对被测气体具有较高的灵
敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。
3.2方案论证与比较
3.2.1温度传感器的设计
常用的温度传感器有四类：即热电偶、热电阻RTD、热敏电阻及集成电路温度传感器；每一类温度传感器有自己独特的温度测量范围，有自己适用的温度环境；没有一种温度传感器可以通用于所有的用途：热电偶的可测温度范围最宽，而热电阻的测量线性度最优，热敏电阻的测量精度最高。因为热电阻RTD一般价格较昂贵，在这里不予考虑。
（1）方案比较
方案一：使用热电偶传感器，热电偶传感器的测温范围为-270-1800℃，测温精度为±0.5℃。
线性度：需要至少是四次多项式或是等效的对照表。
鲁棒性：热电偶线径较粗，使得这种传感器较为坚实，加之外表绝缘皮进一步增强其强度
激励方式：不需要
输出形式：电压
外形轮廓：圆柱尺寸=5倍线径
价格：70-350元
方案二：使用热敏电阻传感器，热敏电阻传感器的测温范围为-100-150℃，测温精度为±
0.1℃。
线性度：需要至少是三次多项式或是等效的对照表
鲁棒性：热敏电阻封装方式较多，密封性、稳定性最好的封装方式是玻璃封装。热敏电阻的处置稍难，但它不受冲击和振动的影响
激励方式：电压源
输出形式：电阻
外形轮廓：2.5×2.5毫米
价格：14-70元
方案三：使用集成电路温度传感器，集成电路温度传感器的测温范围为-55-150℃，测温精
度为±1℃。
线性度：最优在±1℃以内，无需线性化
鲁棒性：其结实耐受度与集成电路及表面贴装器件相同
激励方式：一般外用电源
输出形式：电压、电流或数字信号
外形轮廓：从T018晶体管封装到双列直插封装
价格：7-70元
方案选择：综合以上三种方案比较，方案三比较适合用在智能家居的测温系统中，因为它不需要经常移动，测温环境比较好，价格便宜，灵敏度高，使用方便，组装后体积非常小。所以最后选用了一种数字输出型集成温度传感器DS18B20。其外形图和内部结构图如图2和图3所示：
图2 DS18B20外形图
图3 DS18B20内部结构图
（2）DS18B20的特性
(1) 可用数据线供电，电压范围：3.0~5.5V；
(2) 测温范围：-55~+125℃，在-10~+85℃时精度为±0.5℃；
(3) 可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和
0.0625℃；
(4) 12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字；
(5) 负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。（3）DS18B20的工作原理
DS18B20测温原理如图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用来向计数器1提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振的振荡频率受温度影响较大，随温度的变化而明显改变，其产生的信号作为计数器 2的脉冲输入，用于控制闸门的关闭时间。初
态时，计数器1和温度寄存器被预置在与-55 ℃相对应的一个基值上。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，在计数器2控制的闸门时间到达之前，如果计数器1的预置值减到0，则温度寄存器的值将作加1运算，与此同时，用于补偿和修正测温过程中非线性的斜率累加器将输出一个与温度变化相对应的计数值，作为计数器1的新预置值，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环，直到计数器2控制的闸门时间到达亦即计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图4 测温原理图
（4）DS18B20的精度分析
根据开始所查资料的介绍，DS18B20的转换精度为0.5摄氏度，根据后来进一步的资料查证，发现其转换精度是可以调整的，其出厂设置为12位。DS18B20的转换精度设定需要对暂存器的第五六位进行数据操作。使用过程中要注意所使用的转换方式，每种转换方式转换温度所花的时间是不同的，必须要等待足够长的时间后才能从DS18B20中读出正确的温度值。如下图所示，DS18B20的可编程的分辨率为9-12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。因为家用中传感器精度要求不高，所以编程时选9位的存储单元即可，这样可以提高反应速度。
图5 转换精度模式设定
（5）DS18B20的测温电路图
图6 测温电路图
3.2.2光传感器的设计
光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。光敏传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。在本文中主要是用光传感器来控制灯光的闭合和亮度，所以选用光敏电阻传感器和光敏二极管传感器进行比较。
（1）方案比较
方案一：使用光敏二极管传感器，光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏二极管传感器的模块如图6所示：
图6 光敏二极管传感器模块
光敏二极管传感器有如下特点：
1、采用光敏二极管感应光线的强度，自带继电器，直接控制负载。
2、配电位器调节灵敏度，通过调节电位器，设定启动继电器阀值，当亮于此阀值时，
模块继电器吸合，暗于此阀值时，继电器释放，因此接常开与公共端就是控制白天
的开关，接常闭与公共端就是控制晚上的开关。
3、工作电压5V
4、输出形式：直接接AC 220V 10A 或DC30V 10A的负载
5、设有4个固定螺栓孔，方便安装
6、小板PCB尺寸：5cm x 2.6cm
7、使用宽电压LM393比较器
与光敏电阻比较，光敏二极管方向性比较好，可以感知固定方向的光源，检测光敏二极管正前方的光线，周边很难检测，常应于寻光功能。
方案二：使用光敏电阻传感器，光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。
图7 光敏电阻传感器模块
光敏电阻传感器有如下特点：
1、采用灵敏型光敏电阻传感器
2、比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA。
3、配可调电位器可调节检测光线亮度
4、工作电压3.3V-5V
5、输出形式：数字开关量输出（0和1）
6、设有固定螺栓孔，方便安装
7、小板PCB尺寸：3.2cm x 1.4cm
8、使用宽电压LM393比较器
光敏电阻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。
方案选择：两种传感器非常相似，大小、精度、价格都相差不大，都基本能实现智能家居中对灯的控制功能，但还是各有侧重点。光敏二极管方向性比较好，可以感知固定方向的光源，检测光敏二极管正前方的光线，周边很难检测，常应于寻光功能。而光敏电阻对环境光线最敏感，一般用来检测周围环境的光线的亮度。所以比较发现光敏电阻传感器比较合适。最后选择一种市面上比较常用的4线光敏传感器模块。
（2）光敏电阻模块的细节说明
图8 光敏传感器模块细节图
（3）光敏电阻的工作原理
图9 光敏电阻
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。在黑暗环境里，它的电阻值很高，通常大于1MΩ。当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
光电特性：在光敏电阻两级电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性，光电特性曲线如下图所示：
图10 光敏电阻特性曲线
（4）光敏电阻传感器的精度分析
光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导体
材料，在室温下热激发产生的电子-空穴对较少，无光照时的电阻（暗电阻）较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。光敏电阻常用的半导体有硫化镉（CdS，禁带宽度Eg＝2.4eV）和硒化银（CdSe，禁带宽度Eg＝l.8eV）等。
敏感元件的电阻可表示为：
式中l为长度，Ad为敏感元面积,6为电导率。光导探测器响应率正比于光照后电导率的相对变化，而后者又可表示为：
为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。对于面积较大的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极，
（5）光敏电阻传感器的电路图
图11 光敏电阻模块电路图
3.2.3气体传感器的设计
本文所设计的气敏传感器的信号采集系统采用单片机AT89C51，本设计能将在测试环境中的气体传感器输出的模拟电压通过A/D转换器送入单片机AT89C51中进行处理后通过液晶显示，通过设置报警值，当检测到的浓度达到或者超过设定值时，用单片机控制发光二极管发光报警，同时打开喇叭发出声音报警，来达到报警的目的。
（1）方案比较
方案一：使用半导体气体传感器，半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。电阻式半导体气体传感器依据其电阻随气体含量的不同而变化的特征来检测气体。非电阻式半导体气敏元件则利用其电流或电压随气体含量的变化来检测气体，主要有MOS二极管式和结型二极管式及场效应管式。
方案二：使用固体电解质传感器，固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体
浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。
方案三：使用电化学传感器，电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
方案选择：常见气体传感器可检测气体种类如下图所示：
图12 各种传感器可检测的气体种类
固体电解质传感器可检测气体太少，常见的二氧化碳气体和甲烷都不能检测，因此不适合用在智能家居中，而电化学传感器不能检测一氧化碳和甲烷。经过对比，发现半导体气敏传感器检测范围广，优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜。因此，本设计采用半导体气敏传感器作为气体信息采集部分的核心。半导体气体传感器之所以能得到迅速的发展，除灵敏度高、结构简单和使用方便的优点外，更由于它可以与大规模集成电路、微机处理、计算机结合起来。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-4型气敏感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。
（2）MQ-4型气敏感器介绍
MQ-4型气敏感器有如下特点：
●在较宽的浓度范围内对甲烷，天然气有很高的灵敏度；
●对乙醇，烟雾的灵敏度很低；
●快速的响应恢复特性；
●长期的使用寿命和可靠的稳定性，成本低廉；
●简单的驱动电路。
图13 MQ-4气敏元件的外形和结构图
MQ-4气敏元件的外形和结构如图13所示，由微型AL2O3陶瓷管，SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
（3）MQ-4型气敏传感器的工作原理
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx,称为氧化型气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。
当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子减少,而使电阻增大。相反,当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子增多,使电阻下降。当这种半导体气敏传感器与气体接触时,其阻值发生变化时间(称响应时间)不到1min。相应的N型材料有SnO2、ZnO、TiO2、W2O3等,P型材料有MoO2、CrO3等。
空气中的氧成分大体上是恒定的,因而氧的吸附量也是恒定的,气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中,器件表面将产生吸附作用,器件的阻值将随气体浓度而变化,从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度。如下图所示：
图14 N型半导体吸附气体时的器件阻值变化
（4）MQ-4型气敏传感器的电路图
图15 气敏传感器电路图
四、总结
通过本次课程设计，让我对智能家居以及传感器的原理应用有了一个很好的认识和了解。平时在生活中看到的一些应用只会觉得它很方便，但是对它一点都不了解。例如，很多楼道中的声控灯，只要说话或者走路发出声音就可以让灯点亮，记得第一次接触到还感到很神奇，现在通过这学期传感器的学习，也懂得了它的原理。还有很多生活中常见的应用都与传感器有关，只是平时我们接触太少，我相信以后大家通过一定的学习都会了解的。
平时我们看电影的时候，会出现很多智能化的东西，让每个人都很羡慕，都在想要是自己以后家里也可以像那样就好了。但是，现在的科技如此发达，一切都不是梦想，那些“神奇”的东西在现实中都可以实现。其实很多生活条件优越的人都已经享受到了那样的生活。你可以在任何地方，只要一个遥控器就可以控制你家里的所有东西，还可以随时随地监视家里的情况。不仅可以方便自己的生活，还可以有防盗的作用。
传感器的应用非常广泛，在各种航天器上，利用多种传感器测定和控制航天器的飞行参
数、姿态和发动机工作状态，将传感器获取的种种信号再输送到各种测量仪表和自动控制系统，进行自动调节，使航天器按人们预先设计的轨道正常飞行。
智能家居是一个新兴的研究领域，其功能可以随着用户的需求无限扩展。目前面临的挑战主要有低功耗、实时性、低成本、安全和抗干扰及协作能力。智能家居也是一个快速发展的领域，其市场前景广阔。无线传感器网络在智能家居中的应用，极大的提高了传统智能家居系统的人性化和自动化水平，必将随着智能家居的发展而不断进步。
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