本實用新型涉及物聯(lián)網智能安防系統(tǒng)領域，具體為一種用于實現(xiàn)家庭智能安防功能的Arduino教學設備。

背景技術：

2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)正式提出了物聯(lián)網的概念，物聯(lián)網被稱為繼計算機、互聯(lián)網之后，世界信息產業(yè)的第三次浪潮。隨后，世界各國紛紛加入到物聯(lián)網技術的研究之中。在我國，2012年發(fā)布了物聯(lián)網“十二五”規(guī)劃，提出了國家重點發(fā)展和扶持的九大物聯(lián)網應用領域，具體包括智能工業(yè)、智能農業(yè)、智能物流、智能交通、智能電網、智能環(huán)保、智能安防、智能醫(yī)療與智能家居。而國內的各大高校也紛紛試水，開設了物聯(lián)網專業(yè)或者專業(yè)方向。在進行物聯(lián)網技術教學時，已有的教學設備大多仍是以較為傳統(tǒng)的、功能單一的實驗為主，如跑馬燈實驗、溫濕度監(jiān)控實驗等，這些實驗與生活實際差距較大，學生學習興趣不能被有效的調動起來。另外，現(xiàn)有的很多教學設備封裝程度較大，不便于學生了解硬件的結構和進行系統(tǒng)的設計和開發(fā)，也影響了學生對物聯(lián)網技術的研發(fā)興趣。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型提供一種用于實現(xiàn)家庭智能安防功能的Arduino教學設備，既能幫助學生熟悉Arduino單片機性能、管腳、用途以及常用傳感器和各種硬件設備的用法，又能使學生自己動手進行硬件設備的直接組裝，實現(xiàn)功能多樣化的家庭智能安防系統(tǒng)的設計與開發(fā)，并通過實踐鍛煉提高學生的實際動手能力，進一步激發(fā)學生對物聯(lián)網的興趣。

本實用新型是通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種用于實現(xiàn)家庭智能安防功能的Arduino教學設備，包括呈無頂蓋長方體空心設置的箱體，開設在箱體側面的模擬入戶門和模擬窗戶，以及固定設置在箱體上的模擬器件和Arduino主控單元；模擬器件中的電子器件分別通過杜邦線與Arduino主控單元連接；所述的模擬器件包括安裝在模擬入戶門上的RFID-RC522讀卡模塊，設置在模擬入戶門上電子密碼鎖，以及與RFID-RC522讀卡模塊配合的標準S50空白卡和/或S50異形卡；RFID-RC522讀卡模塊連接在Arduino主控單元的輸入端，電子密碼鎖連接在Arduino主控單元的輸出端；當標準S50空白卡和/或S50異形卡與RFID-RC522讀卡模塊匹配成功后，Arduino主控單元發(fā)出信號控制電子密碼鎖打開。

優(yōu)選的，所述的包括Arduino主控單元包括相互連接的Arduino單片機與傳感器擴展板，傳感器擴展板用于驅動連接模擬器件中的傳感器工作。

優(yōu)選的，所述的模擬器件還包括設置在箱體底面的儲水裝置，設置在儲水裝置底部的潛水泵和排水管道，通過消防管道與潛水泵出水口連接的出水噴頭，用于控制潛水泵的繼電器，以及設置在箱體上的溫度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳎粶囟葌鞲衅骱突鹧鎮(zhèn)鞲衅鬟B接在Arduino主控單元的輸入端，繼電器的控制端連接在Arduino主控單元的輸出端；當溫度傳感器檢測到溫度超過預定閾值并且火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到有火焰時，Arduino主控單元發(fā)出信號控制繼電器使?jié)撍霉ぷ鳌?/p>

進一步，所述的模擬器件還包括與Arduino主控單元連接的LCD顯示屏和火情LED指示燈，溫度傳感器檢測到溫度超過預定閾值并且火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到有火焰時，LCD顯示屏顯示監(jiān)測的溫度數值，火情LED指示燈發(fā)出報警指示。

優(yōu)選的，所述的模擬器件還包括與Arduino主控單元連接的XBee模塊，XBee模塊用于與藍牙從設備建立藍牙通信鏈路進行無線信號傳輸。

優(yōu)選的，所述的模擬器件還包括一氧化碳傳感器，一氧化碳LED指示燈，以及安裝于箱體上用于開關模擬窗戶的電機；一氧化碳傳感器連接在Arduino主控單元的輸入端，一氧化碳LED指示燈和電機連接在Arduino主控單元的輸出端；當一氧化碳傳感器監(jiān)測周圍空氣中的一氧化碳含量超過預定閾值時，Arduino主控單元發(fā)出信號控制一氧化碳LED指示燈發(fā)出報警指示，并控制電機開啟模擬窗戶。

優(yōu)選的，所述的模擬器件還包括設置在模擬窗戶上的紅外感應傳感器，以及設置在箱體上的蜂鳴器；紅外感應傳感器連接在Arduino主控單元的輸入端，蜂鳴器連接在Arduino主控單元的輸出端；當紅外感應傳感器監(jiān)測模擬窗戶中有物體通過時，Arduino主控單元發(fā)出信號啟動蜂鳴器發(fā)出警笛聲報警。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下有益的技術效果：

本實用新型一種用于實現(xiàn)家庭智能安防功能的Arduino教學設備，從與家庭生活息息相關的防盜、防險等重點功能入手，通過對家庭用戶入戶身份識別、防盜、室內險情防范和處理等功能的整合，能夠實現(xiàn)雙重開啟密碼鎖入戶的功能，即用戶既可以通過教學設備提供的IC卡、鑰匙扣刷卡入戶，也可以通過手機輸入入戶口令開啟密碼鎖入戶，用戶還可以隨時根據需要修改自己的手機入戶指令；能夠實時監(jiān)測戶內火災險情，當有火災發(fā)生時，可以發(fā)出報警，并自動開啟滅火裝置進行滅火；能夠實時監(jiān)測室內煤氣險情，當一氧化碳含量超標時，可以自動發(fā)出警報并自動開窗通風換氣；能夠實時防盜，當有小偷從窗戶非法入戶時，自動發(fā)出警笛聲警報。通過本實用新型的使用有助于學生熟悉Arduino單片機性能、管腳、用途，以及常用傳感器和各種硬件設備的用法。而且能夠幫助學生自學智能安防系統(tǒng)的設計與開發(fā)方法，鍛煉并提高學生的實際動手能力，進一步增強學生對物聯(lián)網的興趣。

附圖說明

圖1為本實用新型實例中所述Arduino教學設備的結構示意圖。

圖2為本實用新型實例中Arduino主控單元的連接示意圖。

圖中：1為箱體，2為模擬入戶門，3為模擬窗戶，4為Arduino主控單元，5為XBee模塊，6為RFID-RC522讀卡模塊，7為紅外感應傳感器，8為電機，9為儲水裝置，10為潛水泵，11為消防管道，12為出水噴頭，13為排水管道，14為繼電器，15為溫度傳感器，16為火焰?zhèn)鞲衅鳎?7為一氧化碳傳感器，18為LCD顯示屏，19為蜂鳴器，20為一氧化碳LED指示燈，21為火情LED指示燈。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明，所述是對本實用新型的解釋而不是限定。

如圖1所示，本實用新型一種用于實現(xiàn)家庭智能安防功能的Arduino教學設備，包括：箱體1、模擬入戶門2、模擬窗戶3、Arduino主控單元4、儲水裝置9、消防管道11、出水噴頭12、排水管道13、各種硬件設備、標準S50空白卡(即IC卡)或S50異形卡(即鑰匙扣)和若干杜邦線。其中，箱體1采用無頂蓋的空心長方體設置，各種硬件設備分別安裝在箱體內的不同面，可以方便用戶使用杜邦線自行連接硬件線路。模擬入戶門2位于箱體1的南面，用于安裝密碼鎖進行入戶身份識別。

其中，模擬入戶門2上安裝有與Arduino主控單元4連接的RFID-RC522讀卡模塊，用戶可以通過標準S50空白卡(即IC卡)或S50異形卡(即鑰匙扣)在RFID-RC522讀卡模塊6上正確讀卡后，通過Arduino主控單元4驅動密碼鎖開啟，實現(xiàn)刷卡入戶。Arduino主控單元4位于箱體1的北面，包括Arduino單片機與傳感器擴展板，其中傳感器擴展板安裝在Arduino單片機上，用于連接其他各種功能的硬件，主要實現(xiàn)與手機進行藍牙通信和驅動連接的其他硬件工作的功能。儲水裝置9位于箱體1的底面，用于儲存滅火用水。

其中，儲水裝置9的底部安裝有潛水泵10和排水管道13。其中，潛水泵10用于從儲水裝置9中抽水，并通過與之相連的消防管道11將水送往出水噴頭12處噴水滅火。潛水泵10通過連接在Arduino主控單元4上的繼電器14來控制其開關，進行線路連接時，潛水泵10串聯(lián)在Arduino主控單元4和繼電器14之間，其電線中的藍色引線接入Arduino主控單元4的VIN電源輸入端的GND端，棕色引線接入繼電器14的NO常開端，而繼電器14的COM公共端接入Arduino主控單元VIN電源輸入端的VIN端。當結束教學設備的使用時，如果儲水裝置9中仍有儲水，用戶可以通過排水管道13將剩水放出教學設備之外。

其中，箱體1的北面還設有XBee模塊5、溫度傳感器15、火焰?zhèn)鞲衅?6、一氧化碳傳感器17、LCD顯示屏18、蜂鳴器19、一氧化碳LED指示燈20和火情LED指示燈21，這些硬件均連接在Arduino主控單元4上。其中，XBee模塊5直接插入Arduino主控單元4的藍牙插槽中，用于建立藍牙通信鏈路，是進行藍牙通信的主設備，手機藍牙則為從設備，二者初始配對密碼為1234；建立藍牙通信鏈路后，用戶可以使用手機發(fā)送正確的入戶指令通過Arduino主控單元4驅動密碼鎖開啟，以便打開模擬入戶門2入戶，也可以經過XBee模塊5傳送其他手機指令給Arduino主控單元4，以驅動其他硬件開始進行工作；在第一次使用時，用戶可以設置自己的入戶口令，以后使用時可以隨時根據需要修改入戶口令。溫度傳感器15、火焰?zhèn)鞲衅?6用于實時監(jiān)測環(huán)境溫度和火災情況，對監(jiān)測的溫度數值可以通過與Arduino主控單元4的IIC接口連接的LCD顯示屏18顯示。當溫度超過預定閾值并且有火焰時，火情LED指示燈21自動點亮并不斷閃爍，優(yōu)選的采用紅色LED，提示用戶有火災險情發(fā)生，并自動開啟繼電器14控制的潛水泵10工作。一氧化碳傳感器17實時監(jiān)測周圍空氣中的一氧化碳含量，當一氧化碳含量超過標準值時，一氧化碳LED指示燈20自動點亮并不斷閃爍，優(yōu)選的采用藍色LED，提示人們一氧化碳含量超標，有可能造成室內用戶煤氣中毒，并自動通過Arduino主控單元4驅動安裝于箱體1西面的電機8開啟模擬窗戶3進行通風換氣。

其中，箱體1的西面還設有紅外感應傳感器7，用于實時監(jiān)測模擬窗戶外面是否有逗留時間過長的可疑人員，一旦有小偷從窗口入戶則自動啟動蜂鳴器19發(fā)出警笛聲報警。

本優(yōu)選實例中，主控單元單片機以Arduino UNO R3單片機為例進行說明，如圖2所示，單片機的連接方法說明如下：

1)使用數字接口的D0、D1、D2、D3、D4～D7、D8、D11管腳分別連接一氧化碳傳感器17、蜂鳴器19、一氧化碳LED指示燈20、火情LED指示燈21、RFID-RC522讀卡模塊6、電機8、繼電器14，使用VIN、D12管腳以及繼電器14的NO常開端連接潛水泵10。

2)使用模擬接口的A0～A3管腳分別連接一氧化碳傳感器17、火焰?zhèn)鞲衅?6、溫度傳感器15和紅外感應傳感器7。

3)使用IIC接口連接LCD顯示屏18。

4)使用XBee無線藍牙模塊接口連接XBee模塊5。

務必使用外接3.3V直流電源作為潛水泵的接入電源。

需要說明的是，本實用新型中單片機的控制軟件均為現(xiàn)有程序，用戶只需對使用到的程序進行簡單整合即可實現(xiàn)。

本實用新型的工作過程為：

首先，使用教學設備提供的杜邦線按照連接方法說明連接好硬件線路。然后，從教學設備的無蓋處向儲水裝置9中注入清水，因潛水泵10不能在無水狀態(tài)下工作，因此注入的水量必須超過潛水泵10的高度。接著，用戶模擬入戶時，需要進行身份識別，用戶則可以通過安裝了藍牙串口通信軟件的手機輸入入戶口令開啟密碼鎖。如果口令正確，密碼鎖自動開啟，模擬入戶門2便被自動打開。如果連續(xù)三次輸入的口令均錯誤，則拒絕開門入戶，蜂鳴器19并發(fā)出用戶可疑的警報。進一步的，用戶也可以通過使用教學設備提供的標準S50空白卡(即IC卡)或S50異形卡(即鑰匙扣)在RFID-RC522讀卡模塊6上正確讀卡后，開啟密碼鎖實現(xiàn)刷卡入戶。在第一次使用本教學設備時，用戶可以設置自己的入戶口令。在以后使用時，用戶也可以隨時根據需要修改自己的入戶口令。用戶將發(fā)送的手機啟動指令通過XBee模塊5傳送給Arduino主控單元4，Arduino主控單元4則驅動其他器件開始進行工作。溫度傳感器15和火焰?zhèn)鞲衅?6實時監(jiān)測周圍環(huán)境的溫度和火災情況，對監(jiān)測的溫度數值可以通過LCD顯示屏18顯示，當溫度超過預定閾值并且有火焰時，火情LED指示燈21自動點亮并不斷閃爍，提示用戶有火災險情發(fā)生，并自動開啟繼電器14控制的潛水泵10工作，潛水泵10開始抽水并通過消防管道11并經由出水噴頭12自動噴水滅火。當結束教學設備的使用時，如果儲水裝置中仍有儲水，用戶可以通過排水管道13將剩水放出教學設備之外。一氧化碳傳感器17實時監(jiān)測周圍空氣中的一氧化碳含量，當一氧化碳含量超過標準值時，一氧化碳LED指示燈20自動點亮并不斷閃爍，提示人們一氧化碳含量超標，有可能造成室內用戶煤氣中毒，并自動通過電機8開啟模擬窗戶3進行通風換氣。紅外感應傳感器7實時監(jiān)測模擬窗戶外面是否有逗留時間過長的可疑人員，一旦有小偷從窗口入戶則自動啟動蜂鳴器19發(fā)出警笛聲報警。

本系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：

1、提供雙重開啟密碼鎖入戶的功能，用戶既可以通過手機輸入入戶口令開啟密碼鎖，也可以通過教學設備提供的IC卡、鑰匙扣刷卡入戶。

2、用戶可以隨時根據需要修改自己的手機入戶指令。

3、能夠實時監(jiān)測戶內火災險情，當有火災發(fā)生時，可以發(fā)出報警，并自動開啟滅火裝置進行滅火。

4、能夠實時監(jiān)測戶內煤氣險情，當一氧化碳含量超標時，可以自動發(fā)出警報并自動開窗通風換氣。

5、能夠實時防盜，當有小偷從窗戶非法入戶時，自動發(fā)出警笛聲警報。

6、有助于學生熟悉Arduino單片機性能、管腳、用途，以及常用傳感器和各種硬件設備的用法。

7、能夠幫助學生自學智能安防系統(tǒng)的設計與開發(fā)方法，鍛煉并提高學生的實際動手能力，進一步增強學生對物聯(lián)網的興趣。