基于單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬瀟宇

摘要：智能家居是一門新興的交叉學(xué)科，在世界范圍內(nèi)得到了蓬勃發(fā)展，已成為21世紀(jì)建筑業(yè)發(fā)展的主流。智能家居作為現(xiàn)代化生活的標(biāo)志之一，也是社會(huì)智能化、信息化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。單片機(jī)由于其技術(shù)與性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中就包括智能家居產(chǎn)業(yè)。該文基于系統(tǒng)集成原理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電子信息技術(shù)，提出一種智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)，搭建主機(jī)一子系統(tǒng)模型，通過總線對(duì)控制終端進(jìn)行管理和控制，并進(jìn)行過程、自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);智能家居;控制;系統(tǒng);模塊

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）06-0239-02

1概述

智能家居作為現(xiàn)代化生活的標(biāo)志之一，也是社會(huì)生產(chǎn)以及生活實(shí)現(xiàn)智能化、信息化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在當(dāng)今的技術(shù)時(shí)代，智能家居自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展具有巨大的潛力。智能家居集成了先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)，使居住者能夠?qū)幼…h(huán)境進(jìn)行精密監(jiān)控。智能家居系統(tǒng)采用不同類型的傳感器來檢測環(huán)境，并使用最新的通信和聯(lián)網(wǎng)方法來控制各類家用電器。本文基于現(xiàn)有智能家居技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)情況，本方便操作、增強(qiáng)功能、貼近生活的設(shè)計(jì)理念，提出一種智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)擬采用STC89C52單片機(jī)為核心的控制終端，集合多源控制技術(shù)，并通過居家安全、家庭應(yīng)用、家庭抄表三個(gè)子系統(tǒng)功能應(yīng)用的契合，很好地實(shí)現(xiàn)家庭生活的智能化、信息化、現(xiàn)代化。同時(shí)，設(shè)計(jì)針對(duì)硬件和軟件部分的具體實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建了一個(gè)良好的功能環(huán)境，以完成對(duì)系統(tǒng)的測試。

2研究背景

2.1智能家居的概念

智能家居是指在家庭管理中使用信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器、電子設(shè)備的控制以及一系列居家功能，如溫度、濕度、照明等的自動(dòng)化調(diào)控。智能家居的一個(gè)關(guān)鍵要素是智能電力調(diào)度算法的使用，它將為居民提供對(duì)如何用電進(jìn)行優(yōu)化、先驗(yàn)選擇的能力，從而降低能耗。另一個(gè)方面是家電設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行。智能家居控制系統(tǒng)基于微型控制器來集成住宅的各種家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，利用軟硬件設(shè)施智能控制居家環(huán)境中的各類家用電器以及電子設(shè)備。

智能家居系統(tǒng)的發(fā)展并不是獨(dú)立于社會(huì)、科技發(fā)展之外的產(chǎn)物，其概念最初是由美國房屋建筑商協(xié)會(huì)在1984年提出。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是由社會(huì)內(nèi)部的趨勢所決定的。開發(fā)智能家居系統(tǒng)技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)改善家庭的生活方式的目的，滿足居住著對(duì)于掌握、監(jiān)控家庭生活信息并相應(yīng)地預(yù)設(shè)各種活動(dòng)行為的基本要求。

智能家居以住宅房間為空間范圍，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境條件的自我調(diào)節(jié)，從而使居住者感到舒適。智能家居可以是簡單的電器遙控，也可以是更復(fù)雜的功能集合，例如通過iOS或Android手機(jī)操作系統(tǒng)下的語音、人像、手勢識(shí)別應(yīng)用，對(duì)房屋內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)家用電器、電子設(shè)備發(fā)出指令等。

2.2智能家居控制系統(tǒng)及其功能

智能家居分為本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種類型。就地控制是通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)直接對(duì)燈具等電器進(jìn)行智能控制。遙控器是利用遙控器、定時(shí)控制器、中央控制器或電話、計(jì)算機(jī)等實(shí)現(xiàn)各種遙控。智能家居系統(tǒng)的使用群體將要求產(chǎn)品功能更加強(qiáng)大、智能化、易用化，設(shè)計(jì)更加人性化、合理化，同時(shí)還要考慮設(shè)備本身能否升級(jí)等諸多因素。在智能化發(fā)展趨向“以人為本”的同時(shí)，各種家具產(chǎn)品也隨之應(yīng)運(yùn)而生。比如從淋浴房到多功能蒸汽房，以及按摩浴缸裝載的各種人性化設(shè)計(jì)和輔助娛樂裝置，都充分體現(xiàn)了現(xiàn)代智能家居以人為本的理念。未來，智能家居市場將進(jìn)入行業(yè)整合階段，從產(chǎn)品的角度來看，智能家居產(chǎn)品將朝著實(shí)用化、易操作、模塊化的方向發(fā)展。

3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3.1設(shè)計(jì)思路

智能家居控制系統(tǒng)通過各種外接設(shè)備從外部采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到以單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)為核心的系統(tǒng)進(jìn)行處理和計(jì)算。單片機(jī)處理器系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的嵌入式系統(tǒng)處理器之一，具有體積小、功耗低、成本低、性能高的特點(diǎn)，支持THUMB（16位）指令集，與8/16設(shè)備兼容。其使用了大量的寄存器，因此指令的執(zhí)行速度更快，而且大部分的數(shù)據(jù)操作都是在寄存器中完成的。其尋址方式簡單、靈活，指令長度固定，因此實(shí)現(xiàn)效率更高，處理能力大大超過微控制器。通過RS485總線對(duì)控制終端進(jìn)行管理和控制，并對(duì)過程進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)通過RS232串行通信及時(shí)發(fā)送到CM模塊，CM模塊發(fā)送和接收信號(hào)，為外部提供網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接。并且用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)等方式接人家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)具有液晶顯示屏和鍵盤，具有良好的人機(jī)界面和用戶友好的本地控制，系統(tǒng)的任務(wù)也可以通過鍵盤設(shè)置;系統(tǒng)具有豐富的功能擴(kuò)展接口，通過這些擴(kuò)展接口還可以實(shí)現(xiàn)家電控制、安防和智能磁共振成像等應(yīng)用。

3.2系統(tǒng)設(shè)備

3.2.1受控設(shè)備

受控設(shè)備是指其操作由外部設(shè)備、裝置或機(jī)制調(diào)節(jié)的設(shè)備，可以是更大和復(fù)雜的系統(tǒng)的一部分。受控設(shè)備包括一系列智能家居控制系統(tǒng)控制的設(shè)備，包括音頻/視頻和照明設(shè)備、暖通空調(diào)（采暖、通風(fēng)和空調(diào)）、安全系統(tǒng)等。

3.2.2傳感設(shè)備

由計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備不斷監(jiān)測電子設(shè)備的運(yùn)行狀況。在傳感器的幫助下，有關(guān)家居環(huán)境的信息可以發(fā)送到控制器，以便根據(jù)居住者的需要或者系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整。智能家居控制系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的調(diào)控，比任何機(jī)械系統(tǒng)更快、更準(zhǔn)確。溫度、壓力、速度和位置等物理因素通過傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字或模擬電信號(hào)，進(jìn)而被轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，最終通過顯示設(shè)備顯示。居住者則可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息做出居家環(huán)境方面諸如溫濕度、照明度、通風(fēng)量等方面的調(diào)節(jié)，或設(shè)置調(diào)整參數(shù)，由系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)根據(jù)預(yù)設(shè)值自動(dòng)完成調(diào)節(jié)。

3.2.3 I/O接口設(shè)備

控制器和受控設(shè)備需要進(jìn)行邏輯通信，其通信鏈路由自動(dòng)化系統(tǒng)中的輸入/輸出，即I/O接口設(shè)備提供。I/O接口設(shè)備是使各種設(shè)備在物理和邏輯上與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兼容的手段。智能家居控制系統(tǒng)大多數(shù)的設(shè)備都是基于內(nèi)置的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制接口，如紅外或串行接口，甚至兩者兼而有之。大多數(shù)I/O接口設(shè)備提供從控制器到被控制設(shè)備的單向通信，但也有一些類型（如RS-232接口）允許雙向通信。

3.2.4控制器

控制器時(shí)系統(tǒng)本身或系統(tǒng)外部的元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程的調(diào)節(jié)與控制。“控制器”作為一個(gè)術(shù)語，適用于描述控制特定設(shè)備或過程的離散設(shè)備。任何能夠發(fā)送被控制設(shè)備理解的命令的智能設(shè)備都可以稱為控制器。用戶輸入、傳感器輸入、定時(shí)器、控制程序或它們的某些組合所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由控制器保存在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中。要獲取用戶輸人，系統(tǒng)必須具有一個(gè)或多個(gè)用戶界面。

3.2.5用戶界面

用戶界面（userInterface，簡稱uI），是用戶和控制系統(tǒng)之間的連接面。用戶界面可以是一組命令或菜單，用戶和控制系統(tǒng)之間通過這些命令或菜單進(jìn)行通信。在智能家居控制系統(tǒng)中，有多種選項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、單個(gè)或多個(gè)設(shè)備運(yùn)行控制等。從硬件上來講，用戶界面可以一種基本的機(jī)械設(shè)備或裝置，例如電源開關(guān)、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等，用來控制家用電器。而在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用戶界面可以是基于計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程連接系統(tǒng)。

3.2.6系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

智能家居控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)包括所有控制器、傳感器、電線和電纜、射頻和紅外（紅外）鏈路、適配器、連接器、接線盒、調(diào)光器、鎮(zhèn)流器和連接各種系統(tǒng)組件的電源等。對(duì)構(gòu)建智能家居控制系統(tǒng)所需的硬件、電子和通信接口形式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化是其基本原則之一。一些標(biāo)準(zhǔn)采用附加通信和控制布線，一些嵌入信號(hào)在現(xiàn)有的電源電路中，有的采用射頻fRF）信號(hào)，有的可以無線安裝，有的采用幾種方法的組合。

3.2.7編程計(jì)算機(jī)

可編程計(jì)算機(jī)或可編程邏輯控制器（PLC）是一種用于智能家居控制系統(tǒng)的電子設(shè)備，通過模擬/數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入，輸出終端控制一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)組。整個(gè)系統(tǒng)的控制由一系列固有的功能來維持，這些功能包括計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理、比較、排序和傳輸以及算術(shù)和邏輯運(yùn)算。部分智能家居控制系統(tǒng)允許用戶使用系統(tǒng)自帶的用戶界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程。

其他系統(tǒng)需要使用單獨(dú)的計(jì)算機(jī)（通常是Pc）對(duì)系統(tǒng)控制器進(jìn)行編程。然而，一些系統(tǒng)可能允許使用其自己的用戶界面對(duì)某些功能進(jìn)行編程，但用戶根據(jù)需要對(duì)更高級(jí)的功能進(jìn)行編程或更改某些基本操作參數(shù)時(shí)，則需要單獨(dú)的計(jì)算機(jī)。

4硬件設(shè)計(jì)

4.1最小系統(tǒng)模塊

本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC微控制器為最小系統(tǒng)模塊。STC89C52RC為一款8位單芯片微控制器，其指令集與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051系列微控制器完全兼容，并內(nèi)嵌64Kb閃存供調(diào)用應(yīng)用程序時(shí)使用，并與系統(tǒng)編程代碼共享。系統(tǒng)編程與應(yīng)用編程支持用戶升級(jí)系統(tǒng)程序與數(shù)據(jù)。系統(tǒng)編程允許用戶在下載新代碼時(shí)無須將微控制器從終端產(chǎn)品中移除;應(yīng)用編程允許設(shè)備在程序運(yùn)行時(shí)在閃存中寫人永久數(shù)據(jù)。閃存技術(shù)讓微控制器的應(yīng)用范圍更廣，能更好地集成多種功能應(yīng)用模塊。

4.2串口模塊

串口模塊采用MAX232芯片。該芯片為一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5v電源供電時(shí)提供EIA/TIA-232-E電平。當(dāng)用單片機(jī)和PC機(jī)通過串口進(jìn)行通信時(shí)，單片機(jī)輸出并接收TFL信號(hào)電平，而Pc只輸出并接收RS232電平，這樣就需要通過MAX232芯片進(jìn)行電平互換。

4.3濕度傳感器模塊

濕度采集選用THIOOHUM濕度傳感器，其特點(diǎn)如下：（1）與微處理器連接只需一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信;（2）測量濕度范圍為0%至100%，濕度分辨率為0.5%，適合家居環(huán)境使用;（3）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，一個(gè)處理器上最多可以并聯(lián)八個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。但如果并聯(lián)數(shù)量過多，會(huì)使電源電壓過低，造成信號(hào)傳輸不穩(wěn)定;（4）功耗低，電源要求為3～5WDC;（5）不需要使用任何外部組件;（6）測量結(jié)果以9到12位數(shù)字串行傳輸。嘲

4.4串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊

串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊集成10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，串口通信最高波特率高達(dá)1.152Mbps，具有TCP Client/Server、UDP工作模式，可通過軟件配置、AT命令配置和網(wǎng)頁配置。

5結(jié)束語

智能家居作為已經(jīng)成為社會(huì)生產(chǎn)生活智能化、信息化發(fā)展的重要組成部分，舒適、時(shí)尚的家居生活是社會(huì)進(jìn)步的標(biāo)志，單片機(jī)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可見一斑。智能家居控制系統(tǒng)集成多種家電功能，使家居電器的輕松操控變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，讓人們享受高科技帶來的簡約時(shí)尚的現(xiàn)代生活。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)，針對(duì)硬件部分的具體實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)模塊的基礎(chǔ)上搭建了一個(gè)良好的應(yīng)用環(huán)境，完成對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，以期對(duì)我國智能家居控制系統(tǒng)的開發(fā)研究有所幫助。