無線智能家居控制系統

林子昊

摘要：針對現代家居中家用電器種類繁多、操作繁瑣且難以科學管理的問題，本文結合無線通信技術、計算機控制技術，研制一個無線智能家居控制系統。該系統利用PC的強大功能和紅外線、無線通信技術，實現對家用電器的無線智能控制，具有靈活性高、擴展性強、成本低的特點。

關鍵詞：無線局域網；組網設計方案；分析1引言

智能家居是以住宅為平臺，將家電、安防系統、照明設備及娛樂設施等通過計算機網絡實現遠程或現場控制等智能化的現代家居環境。本文結合紅外線、無線電通信技術及計算機控制技術，研發一個無線智能家居控制系統，該系統實現對家用電器統一、協調控制。

2系統結構設計

如圖1，是設計的無線智能家居控制系統結構框圖。根據系統特點，將系統分為應用層、控制層。其中，應用層包括專用遙控器、現場客戶端、網絡客戶端，控制層包括現場控制PC、紅外線接收器、紅外線發送器、紅外線接收及無線電發射器、無線電接收及紅外線發射器和各類家用電器設備。

無線智能家居控制系統配備一個PC專用遙控器，該遙控器通過紅外線接收器短距離或紅外線接收及無線電發射器、無線電接收及紅外線發射器遠距離控制現場控制PC的軟件層和外部設備，該遙控器與現場控制PC構成一個學習型遙控器；現場客戶端、網絡客戶端分別通過內部網絡、互聯網控制現場控制PC的軟件層和外部設備。現場控制PC再通過紅外線發送器實時控制各類家用電器設備。

3系統關鍵技術及實現

無線智能家居控制系統設計的關鍵是學習型遙控器、紅外線通信技術和無線電收發模塊的實現。

3.1 學習型遙控器

針對一般學習型遙控器通用性、存儲容量、學習能力受限等不足，本文利用普通遙控器和PC構建新型學習型遙控器。該學習型遙控器工作原理是：由于遙控器每一位信號維持時間為0.5ms-5ms，當遙控信號低電平到達紅外線接收器時其單片機以100μs周期采樣；當高電平到達時存儲采樣次數，并以同樣周期采樣高電平信號；當低電平到達時存儲采樣次數，再次采樣低電平信號；如此循環采樣直至信號接收完畢(電平維持10ms無變化)。之后以32位為單位處理、解碼數據，數據包長度在200字節左右。單片機將采樣、處理后的整個數據包傳送至PC。PC接收到數據包后進行分析、識別、存儲，再通過串口發送控制信號給紅外線發送器，其單片機接收數據包后進行數據處理，最后經紅外發射電路發射出去。

該方案實現簡單，利用PC大容量存儲、友好直觀操作界面、數據庫管理，減少單片機開銷，同時使時序控制更簡單、準確。

3.2 紅外線通信技術

為提高紅外信號的抗干擾能力和減小數據傳輸的誤碼率，紅外線發射器對紅外遙控編碼信號進行調制后再發送出去。經理論計算和實驗驗證，當調制的方波脈沖信號為38KHz時，紅外信號傳輸效果最好。（圖2）是本系統采用的紅外線發射電路，其中紅外遙控編碼信號利用51系列單片機進行串行編碼輸出。紅外編碼信號和38KHz脈沖信號經與門輸出得到調制信號，再將調制信號放大，驅動紅外發光二極管LTD001C，便發射出遙控信號。

3.3 無線電收發模塊

大部分家用電器通過紅外接口進行控制，但紅外線通信距離較近且無法穿越障礙物，故本系統內部控制網絡采用紅外線、無線電混合聯網方式，克服紅外線通信受限、無線電與家用電器接口不兼容等不足。

圖3是紅外線接收及無線電發射器模塊設計結構圖，該模塊采用USB接口作為紅外遙控信號的輸入端；單片機(MCU)協調各部分電路工作，采樣紅外線信號后，不對該信號進行解碼，而直接根據該信號控制無線電發射器發送信號，節省了單片機開銷。

圖4是無線電接收及紅外線發射器模塊設計結構圖，利用單片機進行地址譯碼和信息處理，可設置帶紅外線接口的設備，也可通過微型繼電器控制其他設備的電源。此模塊與無線電發射及紅外線接收器配套使用，為滿足控制要求，可選用多組此類模塊。

圖5是無線電數據DF發射電路圖，其工作頻率為315M，采用頻率穩定度極高的聲表諧振器SAW穩頻。DF發射電路中數據調制三極管Q1方便與固定編碼電路、單片機無縫連接，不必考慮編碼電路的工作電壓和輸出信號幅度值。該DF發射電路具有較寬的工作電壓范圍3-12V，當電壓變化時發射頻率基本不變，保證無線電數據接收電路無需任何調整便能穩定接收。

4系統測試

為驗證本文無線智能家居控制系統的可行性，設計并實現圖8所示的測試系統，圖9紅外接收無線發射模塊實物圖。

表1、表2是該系統的測試結果，結果表明對系統中各種家電的控制，在100m之內均準確，但在100m之外準確度較差，部分信號的發出與接收出現故障，主控器無法接收到信號，導致無法做出判斷及控制整個系統。

5結論

(1)利用普通遙控器和PC構建新型學習型遙控器，該新型遙控器通用性強、存儲容量、學習能力強、管理方便；

(2)該無線智能家居控制系統在100m內可對各種叫家用電器進行準確控制；

(3)該無線智能家居控制系統利用功能強大的PC和紅外線、無線電通信技術，實現對家用電器的無線智能控制，具有靈活性高、擴展性強、成本低的特點。