智能家居控制系統(tǒng)

楊中華等

摘 要：本文闡述了基于藍牙通信和點對點WIFI通信的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案實現(xiàn)了通過智能手機來便捷地控制家用電器開關(guān)、獲取家庭環(huán)境數(shù)據(jù)、安全監(jiān)控、遙控四軸飛行器進行巡視等功能。此系統(tǒng)涉及無線通信，單片機，傳感器，Android軟件開發(fā)等技術(shù)。

關(guān)鍵詞：藍牙串口；Android；傳感器；點對點WIFI

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

目前智能手機大范圍普及，而且大部分人都隨身攜帶，這為智能家居提供了一個良好的控制平臺。本文描述的方案使用廉價的單片機作為控制中樞，配合溫度傳感器，紅外線傳感器等采集環(huán)境參數(shù)和安全狀況。同時實現(xiàn)了對家居電器的方便控制。帶有實時畫面?zhèn)鬏敼δ艿乃妮S飛行器的引入使得控制和監(jiān)控更為便捷。整個系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和很高的性價比，在智能家居市場有一定的競爭力。

1 系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)的主要功能有以下幾點：

⑴環(huán)境數(shù)據(jù)采集

⑵安防報警

⑶電器開關(guān)控制

⑷四軸飛行器巡視

下文將對以上功能進行闡述和分析

1.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

家居環(huán)境數(shù)據(jù)主要有溫度、濕度、煤氣、光強等。對于每個數(shù)據(jù)，都有對應(yīng)的傳感器進行采集。由于測試環(huán)境的限制，本方案僅選擇溫度傳感器作為范例。本方案中溫度傳感器型號為DS18B20。它是一種常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。測溫范圍為-55℃～+125℃，完全能夠滿足日常生活測溫需要。

溫度傳感器連接在單片機開發(fā)板選定的接口上，當(dāng)單片機收到來自智能手機的測溫指令時，便通知傳感器進行測溫，并手機數(shù)據(jù)，處理后傳送給手機。

當(dāng)接收到指令時，單片機首先通過數(shù)據(jù)線向傳感器發(fā)送特定的波形信號，傳感器接收到信號以后，開始進行溫度測量和轉(zhuǎn)換工作。此時，單片機則在等待傳感器輸出結(jié)果。一旦單片機接收到數(shù)據(jù)，便進行處理，轉(zhuǎn)換成溫度然后發(fā)送給手機。

1.2 安防報警

安全監(jiān)控是家居所需要的一項重要功能，目前一般民用安全監(jiān)控有視頻監(jiān)控，紅外報警器等。紅外報警器分主動式和被動式兩種。主動式紅外線報警器，是報警器主動發(fā)出紅外線，紅外線碰到障礙物，就會反彈回來，被報警器的探頭接收。如果探頭監(jiān)測到，紅外線是靜止不動的，也就是不斷發(fā)出紅外線又不斷反彈的，那么報警器就不會報警。當(dāng)有會動的物體觸犯了這根看不見的紅線的時候，探頭就會檢測到有異常，就會報警。本方案采用的是主動式紅外線報警器。

當(dāng)紅外線報警器被觸發(fā)時，會以中斷的形式通知單片機，單片機會向智能手機發(fā)送報警信息提示用戶。

1.3 電器開關(guān)控制

智能家居的另一項重要工作就是對家用電器的控制。可控制的領(lǐng)域包括空調(diào)、冰箱、電視、燈具、窗簾等設(shè)備。本方案中選擇燈具作為范例。

當(dāng)用戶需要控制某一盞燈的開關(guān)時，通過手機向單片機發(fā)送指令，單片機再控制指定的端口的電平，從而控制燈具的開關(guān)。由于家庭的燈具不止一盞，所以此項功能的關(guān)鍵點是控制的方式和模式。針對各個家庭的特殊情況，需要制定不同的控制方案，比如全部點亮，全部熄滅，控制特定的燈點亮等。控制模式這一部分工作可以交給客戶端軟件來進行，軟件將支持用戶進行自定義控制模式，從而實現(xiàn)靈活控制，關(guān)于軟件的介紹將在下文進行。

1.4 四軸飛行器巡視

四軸飛行器（四旋翼飛行器）也稱為四旋翼直升機，簡稱四軸、四旋翼，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。它是多旋翼飛行器中最基本的一種。近幾年，得益于微型自動控制系統(tǒng)的發(fā)展，四旋翼飛行器發(fā)展十分迅速。

飛行器利用三軸陀螺儀和三軸加速度計來向控制結(jié)構(gòu)反饋其運動狀態(tài)，從而實現(xiàn)穩(wěn)定控制。但是由于勻速的偏移是加速度計檢測不出來的，所以要實現(xiàn)真正準(zhǔn)確的定位需要更為精確的定位系統(tǒng)。有條件的話可以在室內(nèi)安裝反射定位系統(tǒng)等給飛行器建立室內(nèi)坐標(biāo)并提供給飛行器。四軸的控制也是一項龐大的工程，目前已經(jīng)有很多機構(gòu)在這一領(lǐng)域取得了顯著的成果，所以實現(xiàn)精確控制指日可待。

本方案中引入四軸飛行器的設(shè)想是，可以利用其靈活的特性，實現(xiàn)對家庭某些不易到達地點的巡視。比如獨棟住宅的房頂狀況，狹窄地帶的物品尋找等。另外只要控制系統(tǒng)足夠優(yōu)秀，在室內(nèi)四軸飛行器可以進行小物品搬運，智能監(jiān)視，空中視角錄像等功能。大大增加智能家居領(lǐng)域的范圍和功能。

四軸飛行器同樣使用智能手機作為遙控平臺。利用點對點WIFI作為通信手段，進行控制信號的傳輸和實時畫面?zhèn)鬏敗?/p>

2 數(shù)據(jù)處理和控制平臺

此部分側(cè)重介紹系統(tǒng)的軟件部分，包括單片機運行程序，家居控制軟件和四軸控制軟件。

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是指對傳感器的數(shù)據(jù)進行采集和處理、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、對控制指令的處理和轉(zhuǎn)發(fā)的工作。在本系統(tǒng)中，此工作由MSP430F149來承擔(dān)。MSP430F149是一款低功耗、廉價、但功能強大的單片機。我們編寫了控制單片機運行的程序，使其能夠高效有序地處理指令和數(shù)據(jù)信息。

具體的程序包括溫度傳感器數(shù)據(jù)處理部分、紅外傳感器數(shù)據(jù)處理部分、指令解釋和執(zhí)行部分、串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收部分。

溫度傳感器的輸出是二進制數(shù)據(jù)流，單片機要負(fù)責(zé)把溫度數(shù)據(jù)提取出來，轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)據(jù)并送往串口發(fā)送。

紅外傳感器主要以中斷的形式提供報警信息。當(dāng)特定端口電平改變時，單片機進入中斷處理程序，向手機發(fā)送報警信息。

指令解釋和執(zhí)行部分則負(fù)責(zé)接收手機發(fā)來的指令，并對相應(yīng)的組件執(zhí)行指令。

串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)部分主要負(fù)責(zé)串口通信協(xié)議的實現(xiàn)，對二進制數(shù)據(jù)流進行檢驗和譯碼。

2.2 控制平臺

由于我們選定的控制平臺是智能手機，所以我們開發(fā)了一款A(yù)ndroid應(yīng)用作為客戶端。

此客戶端可以接收來自單片機轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，進行一定處理后呈現(xiàn)給用戶。同時能夠向單片機發(fā)送控制指令。能夠良好地實現(xiàn)控制功能。本軟件的技術(shù)核心是對藍牙設(shè)備的調(diào)用和串口通信的開發(fā)。

另一個控制軟件是四軸飛行器的遙控軟件。此軟件要進行的主要工作是接收攝像頭的畫面信息并顯示。模仿真實的遙控器向四軸發(fā)送控制信號。通過控制各個電機的轉(zhuǎn)速來控制四軸的運動姿態(tài)。本軟件的技術(shù)核心是對WIFI設(shè)備的調(diào)用、WIFI數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_發(fā)、四軸控制算法的應(yīng)用。

3 無線傳輸

3.1 藍牙傳輸

單片機和手機之間的通信，我們選擇使用藍牙通信技術(shù)來實現(xiàn)無線傳輸。具體地來說，是用藍牙來實現(xiàn)串口通信。由于控制指令和傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量不大，所以藍牙串口通信技術(shù)完全能夠承擔(dān)這一任務(wù)。

用藍牙技術(shù)來實現(xiàn)串口通信，需要將單片機的串口數(shù)據(jù)輸出至藍牙模塊，藍牙模塊對二進制數(shù)據(jù)流進行編碼、調(diào)制后發(fā)送。手機對接收到的信號進行譯碼等處理，提取出信息。

3.2 點對點WIFI

由于四軸飛行器要進行實時畫面?zhèn)鬏敚瑪?shù)據(jù)量較大，因此必須選用一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式。所以我們選擇了點對點WIFI來實現(xiàn)這一功能。

四軸上裝載有WIFI模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)100米范圍內(nèi)可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

4 總結(jié)與展望

在智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計中，理念的地位非常重要。很多時候一個新的控制理念的提出，甚至?xí)l(fā)某領(lǐng)域的一個革命。本系統(tǒng)實現(xiàn)了智能家居的一些功能，但是可做的還有很多，比如對窗簾的控制、智能喚醒、語音控制、家庭娛樂等功能。而且以后可能出現(xiàn)的新技術(shù)將為智能家居領(lǐng)域翻開新的篇章。現(xiàn)在智能家居市場還沒有真正展開，隨著人民生活水平的提高，智能家居將會有非常廣闊的發(fā)展空間。

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