基于智能家居系統(tǒng)的普及型移動環(huán)境檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)

北京郵電大學(xué)國際學(xué)院 楊駿愷

1.前言

先進(jìn)的技術(shù)性，高昂的設(shè)備以及壟斷的技術(shù)，決定了目前我們可能接觸到的智能家居系統(tǒng)，往往都安裝在高檔寫字樓以及常人無法接觸到的奢華別墅里面，而據(jù)了解所知，目前的智能家居系統(tǒng)，無非是讓用戶有更方便的手段來管理家庭設(shè)備，比如，通過無線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場景操作，使多個(gè)設(shè)備形成聯(lián)動或智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動運(yùn)行。而對于普通住宅樓中的普通住戶，花費(fèi)整體房款幾分之一甚至十幾萬來購買一套智能家居系統(tǒng)是不可能的事情，所以，為了提高智能家居系統(tǒng)的普遍性，本人設(shè)計(jì)、制作并檢測了屬于自己的，普及型智能家居移動檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

本作品具有功能完善、成本低廉、使用方便等特點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用性，易于產(chǎn)品化和市場化。并且充分利用移動方案，使家庭不必使用數(shù)量較多的傳感器，在解決無死角問題的同時(shí)，可以為家庭省去一筆可觀的成本，又符合國家可持續(xù)發(fā)展的基本國策。同時(shí)，集成了遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，使用戶可以在熱和地方享受智能家居調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來的便利性，這具有廣泛的發(fā)展前景。

2.工作原理及功能

2.1 工作原理總體描述

基于電路設(shè)計(jì)的要求，智能家居系統(tǒng)的普及型移動環(huán)境檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)電路主要由ATMEGA128為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制主板，整個(gè)主板集成無線模塊，有害氣體傳感器，溫度傳感器，煙霧傳感器，噪聲傳感器以及移動跟蹤傳感器。同時(shí)集成了攝像頭，使此系統(tǒng)可以監(jiān)控視頻。主板安裝于可移動的車體上，又四個(gè)獨(dú)立步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過上位機(jī)電腦操控可以自動或被動完成各方位移動。調(diào)節(jié)模塊的實(shí)現(xiàn)通過安裝有配套無線模塊的電磁閥們，電動窗和電動窗簾實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)使用了單片機(jī)、傳感器等技術(shù)，通過ATMEGA128為系統(tǒng)的主控芯片，完成各模塊的連接與控制。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 檢測溫度模塊模可塊

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理圖

圖5 無線接收模塊

系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題在于各種環(huán)境參數(shù)的檢測，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過電信號傳給主芯片進(jìn)行分析，經(jīng)過與用戶預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)或者根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，給動作模塊發(fā)出相應(yīng)反應(yīng)，使之完成不同行為。

（1）用戶通過上位機(jī)遙控或給出自動行走命令，使四個(gè)步進(jìn)電機(jī)得到行走信號，完成移動模塊四處移動的行為操作。（2）用戶通過上位機(jī)檢測命令或者主板根據(jù)已存命令控制各傳感器檢測環(huán)境狀況，通過AD采集數(shù)據(jù)并將其傳送給單片機(jī)，通過單片機(jī)分析后與已經(jīng)設(shè)定強(qiáng)度進(jìn)行比較，然后根據(jù)不同相應(yīng)傳感器采取不同操作：1）對于火焰和煙霧：控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，吹散和吹滅。2）對于高濃度有害氣體：控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，打開電動窗通風(fēng)。3）對于高噪聲：控制電機(jī)關(guān)閉電動窗。4）對于紅外門禁系統(tǒng)：監(jiān)測到入侵者鎖閉門窗，并開啟攝像頭傳輸圖像。

2.2 功能總體描述

移動模塊在降低傳感器數(shù)量至最低的情況下，更能夠避免室內(nèi)檢測的死角，像沙發(fā)后，床底等常規(guī)檢測不可及之處。同時(shí)，通過編程實(shí)現(xiàn)的自動避障移動，可以使得整套設(shè)備在無人操控的情況下自主檢測環(huán)境，并即時(shí)對監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)做出相應(yīng)調(diào)節(jié)反應(yīng)。各種傳感器對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分析后發(fā)生相應(yīng)反應(yīng)，并可以把數(shù)據(jù)隨時(shí)傳到使用者手機(jī)上面。使用者可以在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，無限遠(yuǎn)距離給出自動操作指令或遠(yuǎn)程遙控整套產(chǎn)品進(jìn)行工作。移動平臺自帶攝像頭可以事實(shí)傳送圖像至使用者移動終端或?qū)κ覂?nèi)畫面進(jìn)行監(jiān)控錄像。集成了無線自動移動功能的室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)結(jié)合遠(yuǎn)程操控，使得智能家居成套系統(tǒng)的成本大大降低，且操控性和實(shí)用性增強(qiáng)，又不失高端智能家居系統(tǒng)的功能。

2.3 CPU Atmega128的主要核心功能應(yīng)用

本套普及型移動環(huán)境檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)以高性能、低功耗的AVR8位微處理器-Atmega128為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)板，其擁有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)：大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成的133條指令，使面對多個(gè)傳感器時(shí)單片機(jī)可以從容不迫正常工作，同時(shí)非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器也可保證各個(gè)元器件的正常工作。

ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與ALU（算術(shù)邏輯單元）相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

同時(shí)，在它基礎(chǔ)上進(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展。用到了此芯片的如下功能：

1）兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，TMR0和TMR1，定時(shí)器1用來給電機(jī)提供脈沖，定時(shí)器0用來檢測按鍵輸入；

2）一個(gè)I/0作為模擬串口輸入，作為溫度傳感器的輸入口；

3）一個(gè)I/0作為模擬串口輸入，作為煙霧傳感器的輸入口；

4）一個(gè)I/0作為模擬串口輸入，作為火焰?zhèn)鞲衅鞯妮斎肟冢?/p>

5）一個(gè)I/0作為模擬串口輸入，作為有害氣體傳感器的輸入口；

6）一個(gè)I/0作為模擬串口輸入，作為噪聲傳感器的輸入口；

7）使用2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0和TMR1，定時(shí)器1用來給電機(jī)提供脈沖，定時(shí)器0用來檢測按鍵輸入、刷新液晶屏顯示，檢測霍爾傳感器的位置；

8）若干個(gè)I/0口作為電機(jī)的控制口，按鍵，無線控制等。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能要求，采用圖1所示的方案。系統(tǒng)主要包括以Atmega128為單片機(jī)最小系統(tǒng)作為本作品的中央處理裝置；采用2596做穩(wěn)壓，配以各種保護(hù)電容，和線圈，穩(wěn)定輸出5v恒定電壓，為各電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源；內(nèi)部安有：1）一個(gè)18B20溫度傳感器，測量室內(nèi)溫度。2）一個(gè)有害氣體傳感器，檢測三種室內(nèi)有害氣體濃度。3）煙霧傳感器，檢測環(huán)境煙霧濃度。4）火焰?zhèn)鞲衅鳎瑱z測室內(nèi)是否存在明火。5）噪聲傳感器，檢測噪聲強(qiáng)度。步進(jìn)電機(jī)用獨(dú)立51單片機(jī)芯片控制，和主芯片電路板分開，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)移動模塊的移動；各個(gè)傳感器檢測相應(yīng)數(shù)值，把數(shù)值返回給單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器的控制；最后把室內(nèi)溫度，有害氣體濃度，煙霧濃度，是否存在火焰，噪聲強(qiáng)度以及用戶設(shè)置的數(shù)值，當(dāng)前控制狀態(tài)的通過上位機(jī)在電腦屏顯示出來，同時(shí)遠(yuǎn)程傳送給用戶聯(lián)網(wǎng)客戶端，讓用戶可以直觀的使用本系統(tǒng)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)（系統(tǒng)方塊）

本系統(tǒng)主要由Atmega1282為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)、主控底板、蓄電池（電源）系統(tǒng)、外圍傳感器、L298N副控制板（電機(jī)驅(qū)動電路）、步進(jìn)電機(jī)、無線控制模塊和溫度傳感器、煙霧火焰噪聲以及有害氣體傳感器組成。

3.2.1 Atmega1282單片機(jī)最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)由Atmega1282單片機(jī)及復(fù)位電路構(gòu)成，由于無需晶振，可以減小電路板尺寸。本設(shè)計(jì)中將最小系統(tǒng)與四個(gè)按鍵、四個(gè)LED指示燈做成一塊中心板，并且將Atmega1282單片機(jī)所有引腳以功能模塊化的結(jié)構(gòu)引出形成引腳擴(kuò)展，并為步進(jìn)電機(jī)、無線模塊、數(shù)據(jù)采集單元、其他傳感器傳感器模塊設(shè)置了專門的外圍插排，使用很方便，對應(yīng)的外圍設(shè)備只需按相應(yīng)的位置放好即可。本設(shè)計(jì)巧妙、方便、實(shí)用、可靠。

3.2.2 電源模塊

為保持電力，我們采用軍工級的電池，保證我們的每個(gè)模塊能夠順利工作的前提。在這里我們采用分別供電，即電池組一為移動模塊供電，電池組二為其他元件供電。

3.2.3 數(shù)據(jù)采集單元

以溫度傳感器為模板

當(dāng)不同的溫度被溫度模塊檢測到時(shí)，電阻的阻值不同。如當(dāng)溫度很低，溫度傳感器電阻的阻值可能達(dá)到好幾百千歐。當(dāng)光照很高時(shí)，溫度傳感器電阻的阻值很小，在500歐左右。Vout=R3/(R3+10)。輸出的電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量進(jìn)行比較。由于HT46RU232自帶了AD轉(zhuǎn)換的功能，無需外加AD轉(zhuǎn)換芯片。

3.2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動裝置。電機(jī)定子提供磁場，直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。

我們使用的直流電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：

（1）控制換相順序

通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C－D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A，B，C，D相的通斷。

（2）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向

四個(gè)輪子單獨(dú)供電，又差動方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

（3）控制步進(jìn)電機(jī)的速度

如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

3.2.5 無線控制模塊

無線模塊采用2262作為發(fā)送端的編碼芯片，接收端利用2272M4系列作為解碼芯片。2272的14腳作為接收頭的輸入端。1013腳為解碼后的輸出端，輸出TTL電平與HT46RU232芯片連接。當(dāng)發(fā)送端共有4個(gè)按鍵，分別為A，B，C，D。當(dāng)發(fā)送端有按鍵按下時(shí)，接收頭接收到相應(yīng)的無線信號，經(jīng)過解碼，10～13腳對應(yīng)的引腳輸出高電平。由于2272M4是非自鎖型的芯片，當(dāng)按鍵松開時(shí)，引腳的高電平變?yōu)榈碗娖健＿@可樣就可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)按鍵的重復(fù)操作。

3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)程序由basic語言來編寫。位機(jī)程序使得其他設(shè)備都可能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制，同時(shí)也就使機(jī)器人運(yùn)作由手動操控上升到一個(gè)智能的高度，也就是我之前所說的intelligent。我們現(xiàn)在的上位機(jī)程序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了控制機(jī)器人行進(jìn)，拍攝，機(jī)械臂的運(yùn)動以及檢測數(shù)據(jù)的顯示。與此同時(shí)，我們實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動分析，視頻監(jiān)控與上位機(jī)相結(jié)合等。

[1]http://baike.baidu.com/view/2984056.html關(guān)于ATMEGA128之簡介.

[2]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8溫度傳感器新紀(jì)元.

[3]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%E6%B5%81%E7%94%B5%E6%9C%BA直流電動機(jī)的概念.

[4]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%E6%B5%81%E7%94%B5%E6%9C%BA直流電動機(jī)換向概念.