低成本智能家居系統設計

Design of the Low-cost Smart Home System

馬　振1　宋雅慶2　王　珂2　陳祺超2

(杭州應用聲學研究所1，浙江 杭州　310000；江蘇師范大學電氣工程及其自動化學院2，江蘇 徐州　221000)

低成本智能家居系統設計

Design of the Low-cost Smart Home System

馬振1宋雅慶2王珂2陳祺超2

(杭州應用聲學研究所1，浙江 杭州310000；江蘇師范大學電氣工程及其自動化學院2，江蘇 徐州221000)

摘要：鑒于現有智能家居產品存在的價格較高的問題,為使智能家居得到推廣普及，對智能家居低成本實現方案進行了研究。方案以單片機為主控制器，以語音控制電路為輔助控制。傳感器測量電路構成子模塊，通過無線傳輸實現數據處理和相應的控制。系統主要用于對家庭生活環境的監測和對電器設備的系統自動控制和語音識別控制，旨在讓家庭生活更加安全便捷。最終測試結果表明，通過對監測模塊的數據進行分析處理，有效地實現了對室內外溫濕度、室內空氣質量、PM2.5、人體紅外體溫、防火防盜等的監測，同時又降低了整體硬件成本。

關鍵詞：智能家居單片機傳感器語音控制無線傳輸

Abstract：At present, the existing products of smart home are all in higher prices, in order to widely popularize smart home, the low cost implementing strategy for intelligent household has been researched. In this strategy, single chip machine is used as the main controller, and the voice control circuit is working as auxiliary control. The sub-module is composed of sensor measurement circuits; data processing and appropriate control are realized through wireless transmission. The system is mainly used to monitor the environment of domesticity, and automatic control and voice recognition control of appliances, aims to make family life more secure and convenient. Through analyzing and processing the data from monitoring module, the result of final test shows that the system effectively realize the functions of monitoring the indoor and outdoor temperature and humidity, indoor AQI, PM2.5, human body infrared temperature, and fireproof and burglarproof monitoring, etc., in addition, the entire hardware cost is reduced.

Keywords：Smart homeSCMSensorVoice controlWireless transmission

0引言

物聯網的概念最初來源于美國麻省理工學院(MIT)在1999年提出的網絡無線射頻識別(RFID)系統——把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理[1]。隨著生活節奏的加快，人們日益需求家居生活的智能化、自動化，進而能從繁重的家務事中解脫出來。作為新興產業，智能家居(smart home)在物聯網迅速發展的背景下應運而生。智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、通信技術及自動控制技術等有關技術實現家居設施的互聯，構建智能的住宅設施管理系統，從而實現安全舒適且環保節能的居住環境[2]。目前總體來說，與智能家居有關的產品還處在起步發展階段，沒有形成一個統一的技術標準和設計理念。

如何使系統低成本、低功耗、自組織、高效率地運行是現代智能家居系統設計過程中所要考慮的重要問題[3]。國內主流的智能家居產品在技術上還處在探索完善階段，功能上側重于理論研究,對普通消費者而言實用性不大，同時智能家居產品價格也超出普通消費者的承受能力。為了實現智能家居的普及，必須在降低價格的基礎上，將產品的功能實用化，避免華而不實。因此，本文提出并驗證了一款低成本智能家居系統實現方案。方案以無線傳感器網絡節點為基礎，通過節點間的數據傳輸處理實現了家庭自動化[4]，同時也大大降低了生產成本。

1系統概況

1.1　總體設計

系統物理構架由傳感器網絡節點構成星型無線連接[5]。傳感器網絡分為主控電路模塊、空氣質量檢測模塊、紅外測溫模塊、門窗防盜模塊、火災檢測模塊、光控節能燈模塊、自動窗簾模塊、繼電器控制模塊。由子模塊構成的感知層[6]將監測的數據傳送至主控電路,主控電路負責完成對數據的分析處理。系統設計框圖如圖1所示。

圖1　系統設計框圖

1.2　系統工作流程

系統開機運行，初始化完成后，會對各個子模塊發送數據刷新指令；在獲得各個模塊發送的數據后，主控電路進行相應的處理并發送執行命令。工作時，系統以固定周期刷新檢測數據。期間，系統可以執行外部中斷程序或進行系統的設置操作。系統工作流程如圖2所示。

圖2　系統工作流程圖

2系統電路設計

2.1　主控電路

主控電路由51單片機作為處理控制器，在功能和價格上均能滿足要求。無線模塊由Nordic公司生產的NRF24L01及其外圍電路組成的。這樣既能完成類似ZigBee的無線收發功能，又可以降低成本。顯示電路采用LCD12864作為用戶與系統的互動界面，輔以必要的操作按鍵。

語音控制電路是主控電路的輔助電路，采用ICRoute公司的一款非特定人語音識別專用芯片—LD332X。該芯片集成了語音識別處理器和相關外部電路，包括A/D、D/A轉換器、麥克風接口等。語音指令格式，如“你好，開燈”(其中“你好”為用戶預設語音，用于設備喚醒)，由主控電路發出無線指令，實現對家用電器的語音控制。主控電路如圖3所示。

圖3　主控電路圖

在系統設計階段將各模塊進行地址編碼，數據發送采用廣播形式。各模塊在收到數據時判斷地址是否正確，否則丟棄。出于安全考慮，可以在實際應用時對數據進行加密發送。

指令發送環節由主控電路發送指令碼，一個指令碼由四個字節構成：地址高位、地址低位、指令碼高位、指令碼低位。控制字節組成框圖如圖4所示。

圖4　控制字節組成框圖

數據接收環節由子電路發送數據碼，一個數據碼由四個字節構成：地址高位、地址低位、數據碼高位、數據碼低位。數據字節組成框圖如圖5所示。

圖5　數據字節組成框圖

主控電路硬件成本約300元。

2.2　空氣質量檢測模塊

空氣質量檢測模塊由室內和室外兩部分組成。室內空氣質量檢測采用MQ系列氣體傳感器，實現對CO、CO2、天然氣、煙霧的檢測。當空氣質量超標時，主控電路會向繼電器控制模塊發送工作指令，進行室內換氣。MQ系列傳感器結構圖如圖6所示。

圖6　MQ系列傳感器結構圖

工作原理：該傳感器需要施加2個電壓，加熱器電壓(UH)和測試電壓(UC)。UH用于為傳感器提供特定的工作溫度，UC則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻(RL)上的電壓(URL)。這種傳感器具有輕微的極性，UC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，UC和UH可以共用同一個電源電路。該傳感器在不同氣體濃度下，其電導率隨測量氣體濃度的增加而增大。故可用通過測量傳感器電阻(Rs)阻值計算出待測氣體濃度。Rs的計算公式為：

Rs=(Uc/URL-1)RL

(1)

室外空氣質量檢測主要對PM2.5進行測量，同時測量室外溫度、濕度。每小時將室外PM2.5濃度值、溫度、濕度數值傳送至主控電路并顯示。

空氣質量檢測模塊硬件成本約300元。

2.3　紅外測溫模塊

紅外測溫模塊主要用于家庭生活中體溫的快速測量，采用ZyTemp公司生產的TN901數字式紅外溫度傳感器。該型傳感器工作電壓為5 V，測量范圍為-33~220 ℃，測量精度±0.6 K，視場D∶S=1∶1，發射率為0.95，響應時間1 s。

紅外測溫是基于黑體輻射定律，物體的溫度越高，所發出的紅外輻射能力越強。紅外溫度傳感器將紅外輻射強度轉換為電信號，從而實現對物體表現的紅外溫度進行測量。TN901采用SPI總線接口，在一個測量周期內完成環境溫度和目標溫度的測量，其數據格式如圖7所示。

ItemMSBLSBSumCR

圖7SPI總線接口格式圖

Fig.7Interface format of SPI bus

圖7中，Item (4CH)為Tobj (目標溫度)；(66H)為Tamb (環境溫度)；MSB為8 bit Data 最高有效位；LSB；8 bit Data 最低有效位；Sum為Item+MSB+LSB=Sum；CR(0DH)為數據結束位。

實際溫度計算公式為：

T=[Hex2Dec(MSB+LSB)]/16-273.15

(2)

紅外測溫模塊硬件成本約200元。

2.4　自動窗簾模塊

自動窗簾模塊主要實現對窗簾的四種控制：①定時開關；②溫度和光強共同控制開關；③手動開關；④語音控制。

自動窗簾結構如圖8所示。

圖8　自動窗簾結構圖

2.4.1定時開關

定時開關由用戶通過主控電路設置窗簾的開合時間，數據存儲在DS1302時鐘芯片內。當定時時間到來時，由主控電路向窗簾模塊發送相應的開合指令。

2.4.2溫度和光強控制開關

在該模式下，窗簾的開合由溫度和光照強度控制，在室內光線較暗時開啟窗簾，在室內溫度較高時關閉窗簾。通過DS18B20溫度傳感器和BH175光強傳感器采集溫度和光強值來控制窗簾開關。

2.4.3手動開關

當用戶不需要自動操作時，系統為用戶提供紅外遙控模式。通過紅外遙控器，實現窗簾手動開合。

紅外遙控模式采用兩路繼電器控制電路，通過讀取紅外編碼，判斷是否開合。由繼電器控制電路實現窗簾電機的正反轉。

2.4.4語音控制

用戶在此模式下可以通過語音控制實現窗簾開關，且在同等條件下優先級別最高。

自動窗簾模塊硬件成本約600元。

2.5　火災監測模塊

該模塊以空氣質量檢測模塊為基礎，以檢測空氣中二氧化碳濃度和煙霧濃度判斷是否存在火災隱患。

火災監測模塊硬件成本約50元。

2.6　門窗防盜模塊

門窗防盜模塊在工作時，通過紅外對管檢測門窗是否開啟，同時用人體釋熱傳感器判斷是否有人。當檢測到門窗被意外打開時，主控電路通過對地址碼的判斷，在主屏上顯示開啟門窗的信息。

門窗防盜結構如圖9所示。

圖9　門窗防盜結構圖

門窗防盜模塊硬件成本約150元。

2.7　光控節能燈模塊

光控節能燈是以室內光線強度和人體釋熱傳感器探測范圍內是否有人為判斷依據，實現對燈光的調節。節能燈由多個高亮LED燈構成，根據需求控制打開燈的數量。控制過程具體如下：①在光線較暗時，由人體釋熱傳感器探測是否有人，有人則點亮所有燈；②當光線偏亮時，由光強傳感器和人體釋熱傳感器共同決定燈的開關和打開燈的數量。同時也受語音控制，且在同等條件下，語音控制優先級高。

光控節能燈結構如圖10所示。

圖10　光控節能燈結構圖

光控節能燈模塊硬件成本約100元。

2.8　繼電器控制模塊

繼電器控制電路用于無線控制。當接收到來自主控電路的開啟或者關斷指令時，單片機執行相應的操作，控制繼電器的開關，從而實現對設備的控制。

繼電器控制結構如圖11所示。

圖11　繼電器控制結構圖

繼電器控制模塊硬件成本約50元。

3結束語

本文設計并驗證了一種低成本智能家居實現方案，實現了對家庭生活環境的監測和電器設備的自動控制，而且總體硬件成本在兩千元以內，符合預定目標。從推廣角度上看，本系統價格優勢明顯。

目前,我國的物聯網技術及產業鏈仍處于概念和探索階段,物聯網的整個技術構架和產業模式尚未形成[7]，應在國家、企業和學術三個層面運營和規劃[8]。作為物聯網中的重要組成部分，智能家居在將來有著廣闊的市場。現在部分廠家嘗試將 WiFi 模塊加入到空調、電視等家電設備中，搭建無線智能家居系統[9]。在智能手機普及的今天，智能家居的發展必須將智能手機納入其中，其網絡結構可以采取類似WiFi的技術標準，將智能家居系統同互聯網和手機相連。在具體功能上更加突出使用性，避免華而不實。產品采用模塊化設計，由用戶按需選擇功能模塊。穩定性和安全性也是設計過程中需要著重考慮的部分。最后，只有在價格上能被大眾接收，才能實現智能家居的普及。

參考文獻

[1] 孫其博,劉杰,黎羴,等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報,2010,33(3):1-9.

[2] 俞文俊，凌志浩.一種物聯網智能家居系統的研究[J].自動化儀表,2011,32(8):56-59.

[3] 李勇,趙劉陽,王平,等.智能家居無線控制網絡的設計與實現[J].自動化儀表,2013,34(7):58-61.

[4] 高小平.中國智能家居的現狀及發展趨勢[J].低壓電器,2005(4):18-21.

[5] 王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報,2009,23(12):1-7.

[6] 申斌,張桂青,汪明,等.基于物聯網的智能家居設計與實現[J].自動化與儀表,2013,28(2):6-10.

[7] 錢志鴻,王義君.物聯網技術與應用研究[J].電子學報,2012,40(5):1023-1029.

[8] 寧煥生,徐群玉.全球物聯網發展及中國物聯網建設若干思考[J].電子學報,2010,38(11):2590-2599.

[9] 宋威,黃進,尹航,等.基于WIFI物聯網的家電智能控制系統信息控制端的研究[J].信息通信,2013(1):199-200.

中圖分類號：TP274+.2

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503013

2013國家級大學生創新創業訓練計劃項目(編號：201310320004)。

修改稿收到日期：2014-08-27。

第一作者馬振(1992-)，男，現為杭州應用聲學研究所(715所)水聲工程專業在讀碩士研究生；主要從事數字信號處理、通信等方面的研究。