基于單片機的智能家居模擬系統

邢煒卿

（北京科技大學天津學院，天津 301830）

0 引言

近年來，國家相繼出臺了一系列支持智能家居設備行業發展的相關政策，智能家居成為物聯網九大重點領域應用示范工程之一。智能家居系統是計算機網絡、單片機、通信等多個系統的有機結合體，功能多樣，可有效提高智能家居的各個維度。

行業發展趨勢不僅包括政策推動行業發展，技術創新也會推動產業高質量發展。產品智能化程度不斷提高，才能達到“以人為本”的目的，使人們的生活更舒適和便捷，進而提高社會的消費水平，擴大消費市場規模［1］。所以，有必要對智能家居系統開展研究。

1 3D家居模型設計及搭建

1.1 3D家居模型設計思路

手工模型是展示設計方案的重要方法之一。在設計初期，需要確定構建模型所需的材料，并通過2D 草圖來計算出模型的空間比例，從而確定獨立空間模塊所在位置，包括客廳、臥室、廚房、衛生間、門這5個獨立空間模塊。

1.2 3D家居模型的搭建

利用設計好的3D 圖片對模擬智能家居進行搭建，從而能更直觀地展示模擬智能家居的整體布局和硬件布線。同時，利用剩余空間來展示智能家居中的各類DIY家具。

2 智能家居系統軟件設計

2.1 APP開發

在設計用戶界面（列表選擇框、復選框、標簽等）時，使用標簽進行合理布局，并進行對應的邏輯設計操作（藍牙客戶端、列表選擇框、按鈕等）。

該系統的硬件藍牙模塊采用的是HC-05 藍牙模塊，該模塊是一款主從一體的藍牙串口模塊。HC-05藍牙模塊主要適用于較短距離的無線數據傳輸，能非常方便和上位機（如手機、電腦端等）藍牙設備連接在一起。

通過對藍牙進行初始化操作，可調用藍牙客戶端來判斷藍牙啟動的真與假。

2.2 手機APP連接藍牙模塊

客廳空間模塊、衛生間空間模塊、臥室空間模塊、門模塊均采用51 單片機最小系統，這些模塊通過藍牙模塊與手機APP 相連接，從而分別控制LED燈的亮滅、直流電機風扇的轉停、窗簾的開閉、門的開關（SG90舵機）等。

通過AT指令來配置藍牙模塊，藍牙模塊的TXD與單片機P3.0 針腳相連，藍牙模塊的RXD 與單片機P3.1針腳相連。手機APP連接藍牙及手機APP成功連接藍牙如圖1、圖2所示。

圖1 手機APP連接藍牙

圖2 手機APP成功連接藍牙

3 家居模型硬件設計

3.1 單片機開發板控制部分設計

該系統使用的主控芯片HC6800-ES V2.0 單片機開發板提供USB2.0 和串口兩種通信方式，該開發板兼容STC、SST 等51 系列的單片機。本研究設計的系統主要采用HC6800-ES V2.0 單片機開發板上的蜂鳴器、溫度傳感器、液晶顯示等模塊。

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓的方式進行供電［2］。傳感器是一種檢測裝置，對被測量的信息進行采集，并將采集到的信息以一定規律轉變成電信號或其他所需形式的信息，并將信息進行有效輸出［3］。DS18B20 溫度傳感器是一種單總線型溫度測量元器件，可使用總線進行供電。LCD1602 液晶是一種用來顯示字符、數字和符號的點陣型模塊，主要由若干個點陣字符位組成，每個點陣字符位都可用來顯示對應的字符，并作用于字符間距和行間距［4］。

該系統的主控芯片HC6800-ES V2.0 單片機開發板主要對廚房空間模塊溫度進行實時顯示和報警。廚房空間模塊采用獨立的STC89C52單片機開發板和液晶顯示屏，可實時檢測當前的室內溫度，此外，可根據環境變化來對設定后的溫度閾值進行修改。當DS18B20單線數字溫度傳感器讀取到的溫度超過閾值時，蜂鳴器會發出警報。廚房空間模塊實測如圖3所示。

圖3 廚房空間模塊實測

3.2 單片機最小系統藍牙控制部分設計

單片機最小系統控制部設計分為客廳空間模塊的LED 燈硬件設計、臥室空間模塊的窗簾自動控制設計、衛生間空間模塊的風扇設計和開關門設計，利用單片機最小系統對整體進行控制，從而實現各個空間模塊的具體功能。此外，智能家居的全面應用要符合現代室內的空間設計感的要求。

本研究采用的是28BYJ4步進電機，由于步進電機要加裝驅動板才能進行運轉，所以采用與其匹配度較高的ULN2003 驅動板，從而增強單片機的驅動能力。步進電機的驅動信號可轉變為脈沖信號，在沒有脈沖驅動時，步進電機為靜止狀態，當加入脈沖信號后，就會以一定的角度轉動。每輸入一個脈沖信號，轉子就會轉動一個固定角度，所以比較適合單片機控制［5］。

衛生間空間模塊的設計重點在于風扇開關的控制。風扇的開關由L298N 驅動板進行控制，L298N驅動板包括兩個輸入端、輸出端A、輸出端B、通道A使能、通道B使能及4個邏輯輸出端。IN1、IN2、IN3、IN4 為邏輯輸出口，共有6 個引腳，其中，IN1、IN2 負責控制一個電機的轉動，IN3、IN4 負責控制另一個電機的轉動。單片機上的P1.0 端口連接驅動板IN1，P1.1端口連接驅動板IN2，P1.2端口連接驅動板ENA。

開關門空間模塊利用舵機的轉動變化對門開關進行控制。該模塊以SG90 舵機為模擬電機，SG90舵機在運行過程中的角度可不斷變化，并能保持位置。在實際操作過程中，需要不斷發送相應角度的PWM 信號，才能使該舵機旋轉到指定位置。不同角度的模擬系統如圖4、圖5所示。

圖4 模擬系統（俯瞰）

圖5 模擬系統（側看）

4 控制代碼設計

該系統的代碼設計框架包括UART、定時器、中斷程序、延時驅動程序。STC89C52 芯片內置UART接口，主要用于外部異步串行通信。安裝電腦驅動如圖6所示，stc-isp操作界面如圖7所示。

圖6 安裝電腦驅動

圖7 stc-isp操作界面

在對該系統開發過程中，需要使用Keil uVision5對51單片機進行軟件開發，從而建立基于51單片機的軟件開發環境。

該系統的軟件通過編譯交互框顯示無誤后，應將設計的程序編譯成目標文件.hex，通過下載器將其下載到STC89C52單片機中，并接通相關硬件的電源，即可完成程序下載。

5 結語

本研究將51 單片機中的藍牙控制系統應用于智能家居系統中，從而實現在手機終端控制硬件設備等功能。通過使用一種快捷、兼容性強的無線方式，能有效解決智能家居系統中家用電器因種類繁多而導致的兼容性差的問題，從而實現對智能家居的實時控制與高效管理［6］。