智能家居控制系統設計與實現*

王 冉，孟 磊

（西安職業技術學院，陜西 西安 710032）

1 相關技術和理論分析

1.1 藍牙通信

課題組采用HC-05嵌入式藍牙串口通信模塊，其內部原理圖如圖1所示，該模塊具有命令響應工作模式和自動連接工作模式。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據事先設定方式連接數據傳輸；當模塊處于命令響應工作模式時能執行下述所有AT命令，用戶可向模塊發送各種AT指令，為模塊設定控制參數或發布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現模塊工作狀態的動態轉換。自動連接工作模式模塊又可分為主環（Master）、從環（Slave）和回環（Loopback）三種工作角色。

圖1 HC-05藍牙串口通信模塊內部原理圖

1.2 顏色識別技術

物體的顏色是其表面吸收白光的一部分有色部分，而另一部分反射到人眼的反應。德國物理學家赫姆霍茲（Helinholtz）的三原色理論提出各種顏色是由不同比例的三原色（紅R、綠G、藍B）混合而成的，三基色原理如圖2所示。對于顏色傳感器，當選擇一個顏色濾波器時，只允許某種特定的原色通過，而阻止其他原色，通過改變紅、藍、綠色光的光強，就可以分析傳感器通過的顏色。項目小組選用TCS3200顏色傳感器，其內部原理圖如圖3所示。

圖2 三基色原理

圖3 TCS3200顏色傳感器內部原理圖

1.3 音樂播放原理

用單片機播放音樂是按照特定的頻率，輸出一連串的方波。設單片機的晶振為12 MHz，那么定時器將在1μs進行1次加1，加到65 536會出現中斷，即可計算出定時器定時半個周期所需的初值。單片機發出不同頻率的方波，就像樂器發出不同的音調。

2 系統設計

2.1 系統總體結構設計

課題組設計的智能家居終端控制系統以單片機最小系統為核心控制器[1]，主要實現智能終端控制界面設計、炫麗舞臺（智能燈）控制、智能音樂墻控制、智能泳池控制等功能。智能家居控制系統總體結構圖如圖4所示。

圖4 智能家居控制系統總體結構圖

2.2 智能家居控制系統主界面設計

智能家居控制系統主界面設計如圖5所示，主要包括網絡搜索連接（開始搜索）、炫麗舞臺、音樂控制界面、智能泳池控制以及生活管家等[2]。

圖5 智能家居控制系統主界面

2.3 各模塊功能及界面設計

炫麗舞臺實現智能燈的控制，通過顏色識別智能識別開啟燈光的顏色，已實現紅色、綠色、藍色燈的開關。音樂墻實現手機APP開啟播放不同音樂的功能[3]。智能泳池根據液位及水溫判斷，開啟自動放水并選擇放熱水還是冷水的功能，智能泳池控制界面如圖6所示。后續將進一步完善生活管家設計等功能[4]。

圖6 智能泳池控制界面

3 系統軟件設計與實現

3.1 智能家居控制系統界面軟件設計實現

如圖5所示，系統開啟后首先搜索藍牙信息，藍牙連接成功后手機就和單片機通信連接成功，進而可以通過手機APP“浪漫滿屋”控制燈光、音樂[5]。其智能控制界面軟件設計部分代碼如表1所示。

表1 智能控制界面軟件設計部分代碼

3.2 顏色識別模塊軟件設計

本設計顏色識別TCS3200采用手機控制的同時采用LCD1602實時顯示，軟件設計先定義顏色識別模塊、單片機連接（S2接單片機P1.0，S3接單片機P1.1）及函數聲明，再完成LCD模塊相關程序、白平衡程序，最后完成顏色測試、按鍵控制等。其部分代碼如下：

celiang();//顏色測試

DisplayOneChar(0,0,'R');//以十進制顯示RGB中紅色的分值

DisplayOneChar(0,1,rb/100+0x30);//顯示百位數據

DisplayOneChar(0,2,rb/10%10+0x30);//顯示十位數據

DisplayOneChar(0,3,rb%10+0x30);//顯示個位數據

DisplayOneChar(0,5,'G');//以十進制顯示RGB中綠色的分值

DisplayOneChar(0,6,gb/100+0x30);//顯示百位數據

DisplayOneChar(0,7,gb/10%10+0x30);

DisplayOneChar(0,8,gb%10+0x30);

DisplayOneChar(0,10,'B');//以十進制顯示RGB中藍色的分值

DisplayOneChar(0,11,bb/100+0x30);

DisplayOneChar(0,12,bb/10%10+0x30);

DisplayOneChar(0,13,bb%10+0x30);

3.3 音樂播放模塊軟件設計

音樂播放模塊主要通過手機控制音樂播放，在家居生活中緩解壓力、提高生活品質[6]。課題組主要設計歌曲《不可說》《刀劍如夢》《Let it go》的播放。其程序部分代碼如下：

sbit LED4=P1^3; //78歌曲1不可說

//不可說

uchar code bukeshuo[][2]={{0,4},

{26,12},{31,4},{33,4},{33,4},{29,4},{28,8},{26,2},{24,2},{26,6},{26,4},{21,4},{21,4},{14,8},{14,4},{14,12},{12,8},{16,4},{14,12},{14,8},{0xFF,0xFF}};

//刀劍如夢

uchar code daojianrumeng[][2]={{0,4},

{16,12},{23,16},{21,4},{23,4},{21,4},{19,12},{0,8},{19,4},{19,4},{19,4},{18,4},{16,8},{14,4},{16,16},{0,16},{26,4},{28,24},{0xFF,0xFF}};

//Let it go

uchar code Letitgo[][2]={{0,4},

{17,2},{17,4},{17,4},{17,4},{17,2},{17,2},{17,2},{15,2},{13,2},{13,2},{13,4},

,{15,2},{15,2},{0xFF,0xFF}};

if(DART_data==0x31){LED1=0;LED2=1;LED3=1;LED4=1;}//1開啟紅毯模式

if(DART_data==0x32){LED1=1;LED2=1;LED3=1;LED4=1;}//2關閉紅毯模式

if(DART_data==0x33){LED1=1;LED2=0;LED3=1;LED4=1;}//3RGB燈光

if(DART_data==0x34){LED1=1;LED2=1;LED3=1;LED4=1;}//4RGB燈光

if(DART_data==0x35){LED1=1;LED2=1;LED3=0;LED4=1;}//56熱水控制

if(DART_data==0x36){LED1=1;LED2=1;LED3=1;LED4=1;}//56熱水控制

if(DART_data==0x37){LED1=1;LED2=1;LED3=1;LED4=0;}//78歌曲1不可說

if(DART_data==0x38){LED1=1;LED2=1;LED3=1;LED4=1;}//78歌曲1不可說

3.4 智能泳池控制模塊軟件設計

智能泳池控制有自動控制和手動控制兩種方式，通過溫度傳感器和液位傳感器將采集到的溫度數據和液位數據傳遞到單片機，自動實現加水和排水功能，并實時監測溫度和液位信息[7]。

4 結語

課題組所設計的智能家居控制系統，主要實現對家居的智能控制，已經測試實現手機與藍牙模塊的連接，進而實現對燈光、音樂按鍵等的控制。在調試過程中因為手機型號不同會有顯示差異，在顏色識別模塊測試過程中，受光線影響明顯，需要反復測試和判斷。通過對軟件調試和硬件測試，可實現預期的設計要求，同時也為后續的研究指明方向，可通過語音控制、自然語言處理、視覺識別等人工智能技術達到家居控制的智能化[8-9]。