基于LH—M10實驗箱的模擬智能家居控制系統

舒展

摘 要： 智能家居是家庭自動化的高級階段，是科技發展的必然結果。基于LH-M10實驗箱的模擬智能家居控制系統的設計與開發，設計利用LH-M10實驗箱的硬件設備，涵蓋了信息數據采集、信息數據處理和信息數據反饋等多個方面，從原理層面實現了智能家居系統中具有代表性的模塊展示，并結合智能家居的發展趨勢，對此系統后續的研發拓展進行了展望。

關鍵詞： 單片機； 智能家居； 模擬控制系統； 教學實訓項目

中圖分類號： TP 368，TP 39 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）05-0098-03

0 引 言

智能家居起源于家庭自動化（Home Automation），通過中央微處理機（Central Processor Unit，CPU）對各種電子電器產品執行信息采集、雙向通信、程序控制等操作，來實現用戶需求，提供便捷高質量的生活[1]，實現了網絡、計算機、通信以及自動化技術的互相融合[2]。

隨著科技的不斷發展，以智能控制技術為基礎的各種智能家居電子設備在人們的智能家居中扮演了越來越重要的作用[3-4]。本項目設計了一個基于LH-M10實驗箱的模擬智能家居控制系統，通過對固有硬件的選用，模擬實現簡易的智能家居控制，包括電子密碼門鎖、模擬智能溫控空調、模擬智能洗衣機和智能開關。本系統從智能家居控制的核心原理出發，滿足課程實訓、科技創新、深度開發相結合的實踐教學需要。

1 系統硬件構成

本系統硬件由LH-M10單片機實驗箱的部分模塊選用構成，包括51單片機I/O接口、鍵盤顯示控制器8279、電子蜂鳴器、LED顯示、直流電動機、步進電動機、固定脈沖、溫度測量、繼電器控制。

如圖1所示，系統輸入由8279芯片連接的4×4鍵盤矩陣獲取按鍵輸入，由1MHz固定脈沖作為7段SEG數碼管顯示的頻率刷新源，由DS18B20溫度傳感器監測獲取室溫。系統輸出由8279芯片連接的8位數碼管作為顯示輸出，電子蜂鳴器作為報警提示輸出，LED紅綠燈顯示作為指示燈，直流電動機與步進電動機作為實物輸出，繼電器作為開關控制輸出。輸入與輸出模塊通過51單片機I/O接口與51單片機芯片進行連接，使用Keil C51軟件在電腦上進行軟件編程，實現系統功能。

2 系統功能設計

本模擬智能家居系統以智能家居最基礎的模塊構成，包括出入身份檢驗的電子密碼門鎖，室內溫度自動調節的模擬智能溫控空調，完成基本家務功能的模擬智能洗衣機，對各種家電進行定時控制的智能開關。而這些模塊之間則依據智能家居管理模式，存在著主控、并行等多種運行模式，如圖2所示。

3 功能模塊及程序設計

本模擬智能家居系統由電子密碼門鎖、模擬智能溫控空調、模擬智能洗衣機、智能開關四大模塊組成，如圖3所示。每個模塊都可以獨自成為一個教學實訓項目，可以根據每個模塊所涉及到的知識點的難易程度進行先后順序調整開展項目實訓。從圖上可以看出，四個模塊共用7段SEG數碼管顯示模塊、8279鍵盤顯示控制器模塊和固定脈沖模塊，因此在項目開展過程中，可以使用統一的初始化函數、底層顯示函數以及按鍵獲取函數。

如圖2所示，本系統并不單純的只是四個模塊共用硬件，各自獨立工作，而是在各自獨立的基礎上，有著相互的控制關系。因此，在程序的編寫過程中，分別將四個模塊寫成獨立的函數并使用返回值來標識模塊程序是否執行成功，依次為電子密碼門鎖控制code_case函數、智能溫控空調condition函數、智能洗衣機washing函數和智能開關relay函數，控制流程圖如圖4所示。

系統啟動時，首先運行電子密碼門鎖程序模塊，模擬實現智能家居密碼開門過程，若密碼輸入不正確，則不進入下面流程，直至輸入密碼正確，電子密碼門鎖函數返回值為1。當密碼正確時，密碼門鎖打開，系統查詢是否需要設置定時設備，如果需要設定，則進入智能開關程序模塊，當設定的定時時間未到時，智能開關函數返回值為0，直至設定時間達到，智能開關函數返回值1，智能開關直接控制智能空調開啟，同時直接啟動智能洗衣機。倘若密碼門鎖打開后，未發現系統有設置定時，則直接啟動智能空調，而智能洗衣機則可以通過啟動按鈕手動進行啟動。

3.1 電子密碼門鎖

電子密碼門鎖采用8位密碼控制，初始密碼由程序設置，電子門鎖默認狀態為無顯示。所有輸入由4×4鍵盤矩陣實現，鍵盤矩陣按鍵包括，數字0～9、密碼設置功能鍵Set、取消鍵Cancel、重置鍵Reset、刪除鍵Delete、確認鍵Confirm和預留鍵Keepon。當從鍵盤輸入數字與初始密碼完全匹配時，蜂鳴器響一聲，顯示“On”，控制LED燈亮，模擬開門；若密碼輸入錯誤，則蜂鳴器長響，顯示“Err”，需按下Cancel鍵，方能取消。

初始密碼可以通過按下Set鍵進行修改，第一次輸入原始密碼，若密碼核對正確，則進入重設密碼環節，輸入新設置的8位密碼后，按下Set表示確認并退出密碼重置環節。

本模塊程序設計包括8279初始化函數init8279和顯示函數disp8279，按鍵獲取函數getkey，初始化密碼矩陣函數init_code，密碼核對函數code_check，數碼管顯示函數show_display。由兩種模式狀態組成，分別是Normal和Set，用flag標識符標識密碼正確與錯誤狀態，用codein_counter對當前的輸入數位進行記錄。

3.2 模擬智能溫控空調

模擬智能溫控空調使用DS18B20溫度測量元件進行溫度監控，通過7段SEG數碼管顯示當前溫度值。當溫度超過26 ℃時，點亮綠色LED燈，并啟動直流電機模擬空調制冷；當溫度低于18 ℃時，點亮黃色LED燈，并啟動直流電機模擬空調制熱。

本模塊程序設計包括DS18B20讀取函數RD_1821和設置函數WR_1820，獲取溫度函數GET_T，將獲取的temp_v數組轉換成16進制數值的函數T_COV。

3.3 模擬智能洗衣機

智能模擬洗衣機使用按鈕控制洗衣機啟動，用7段SEG數碼管的第一位顯示洗衣機的不同狀態階段，包括初始設置階段（S）、洗滌階段（P）、甩干階段（d）；用7段SEG數碼管的最后一位顯示時長設置。當按下啟動按鈕，程序進入初始設置階段，可以通過4×4鍵盤矩陣輸入洗滌時間，按Set鍵保存設置并進入甩干時間設置，在鍵盤輸入時間設置后，按確認鍵進入自動洗滌甩干階段。程序控制步進電動機低速正反轉模擬洗滌過程，步進電動機高速正轉模擬甩干過程。當甩干階段結束后，程序控制電子蜂鳴器輸出一段音樂，通知洗衣過程結束。

本模塊程序設計包括步進電動機控制函數motor，定時中斷函數timer，洗滌過程函數washing，甩干過程函數dry，顯示函數show_disp，按鍵獲取函數getkey。由Set和Running兩種模式狀態組成，采用wash_time、dry_time分別設置洗滌時間和甩干時間。

3.4 智能開關

智能開關由4×4鍵盤矩陣輸入時間進行定時控制，當計時完成，則控制繼電器的常開開關關閉，常閉開關打開，進而控制繼電器所連接的LED燈顯示紅燈滅，綠燈亮模擬所控電器的通電過程。

本模塊程序設計包括繼電器控制函數relay，定時中斷函數timer，按鍵獲取函數getkey。通過Set_time記錄設置的定時時間，以秒為單位，開始倒計時，用flag標識符標識是否完成倒計時。

4 結束語

本文設計的基于LH-M10實驗箱的模擬智能家居控制系統通過四個基礎模塊從原理層面實現了對當今逐步普及的智能家居系統的模擬，在教學實訓項目的設計中，具有一定的先進性、典型性和全面性。當然，本系統還不夠完善，隨著智能家居體系的不斷發展，網絡通訊[5]、無線控制[6]與語音遙控[7]將成為后期發展的重要方向。根據其發展方向，本系統后續可進行遠程無線控制、智能語音遙控開關等模塊的功能設計與開發。

參考文獻：

[1] 潘杰. 基于單片機控制的智能家居系統設計[J]. 通訊世界，2016（2）：125.

[2] 李麗. 基于STM32的小型智能家居系統設計[J]. 中國新技術新產品，2016（4）：10-11.

[3] 鄭曉彥，李潤哲.基于單片機的智能家居控制系統的設計[J]. 技術與應用，2016（1）：141.

[4] 楊錦山. 基于ARM的智能家居控制系統的設計[J]. 電子技術與軟件工程，2016（1）：79.

[5] 王譽瑭，劉超. 物聯網云平臺在智能家居上的應用研究[J]. 中國新技術新產品，2016（4）：22.

[6] 鄧楨文，程洪亮，蔡藝韻，等. 基于物聯網技術的智能家居系統設計[J]. 福建電腦，2016（2）：21-22.

[7] 胡哲源，王佳，李博，等. 智能家居電話控制系統的設計[J]. 技術與市場，2016（23）：203-204.

Abstract： Smart homewhich is the advanced stage of Home Automation， is the inevitable result of the development of science and technology. The design and development of this system which named simulate control system of smart home based on LH-M10 experiment box， is using LH-M10 experiment box hardware， and is the demo implement of the typical modules in smart home system. Also this system coversinformation data collection， procession， and feedback. After considering the trend of smart home， the further researching plan has been prospected.

Keywords： single-chip microcomputer； smart home； simulate control system； experimental project of teaching

（責任編輯：徐興華）