自適應智能家居控制系統的設計

胡澤　謝小輝　葛亮　丁昕煒

摘 要： 設計了一個簡易智能家居控制系統。該系統的設計以B/TH765觸摸屏為人機界面，以飛思卡爾MC9S128MAA單片機為控制核心，以ZigBee無線模塊為傳輸媒介，完成對已知家用電氣設備的搜索控制和未知新設備的自適應控制。在開發試驗中，該設計采用發光二極管、小型繼電器等來代替實際使用中的燈光、電氣開關等。實驗表明，該系統成功實現了智能搜索電器、智能開關控制、自適應燈光調節等功能。

關鍵詞： 智能家居； MC9S128MAA； ZigBee； 自適應燈光調節

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0051?04

Abstract： A simple smart home control system was designed. The B/TH765 touch screen is taken as the human?machine interface of the system， Freescale MC9S128MAA as the microcontroller， and ZigBee wireless module as the transmission medium to complete the searching control of the known household electrical equipments and adaptive control of the unknown new equipments. In the development experiment， the lights and electrical switches in actual use are replaced by LEDs， small relays， etc. The experimental results show that the system can successfully realize the functions of equipments intelligent search， smart switching control， and adaptive light?control.

Keywords： smart home； MC9S128MAA； ZigBee； adaptive light?control

0 引 言

隨著科技的發展和人們居住生活水平的提高，家居智能化已成為一種必然趨勢。智能家居產品融合自動化控制系統、計算機網絡系統于一體，將各種家庭設備（如音視頻設備、照明系統、窗簾控制、空調控制、安防系統、數字影院系統、網絡家電等）通過智能家庭網絡實現自動化，通過無線傳輸模式，實現對家居所有用電設備的分布式集中控制[1?2]。

智能家居現在正處于起步階段，智能家居受產品生產廠家的限制，在短時間內還沒有統一的標準協議，作為有益嘗試，本文基于分布式控制理論設計制作了一個自適應智能家居控制系統。該設計可以實現控制器自動搜索區域內的智能電器、實現對搜索到的智能電器進行開關控制和實現多個用電器的集中控制，包括定時控制、用電器間的邏輯控制。為了增強該控制系統的自適應性，智能家居系統中的燈光控制系統可以實現對外界光線的采集和自適應調整。

1 分布式控制設計思想

該自適應智能家居控制系統采用分布式控制理論來實現，它以人機交換界面為控制輸入的主要節點，以家用電器控制端為對象，在整個系統中所有控制節點地位平等；采用無嚴格的控制中心的控制理念，該控制方式是一個對等式控制網絡，無明顯的等級之分，該系統中的數據傳輸主要采用無線方式[3]；采用分布式控制最大的優點是所有控制端節點可以隨時加入或離開控制網絡，任何節點的故障不會影響整個系統的運行，具有很強的抗毀性。分布式控制網絡構成如圖1所示。

2 系統的硬件構成

該自適應智能家居控制系統的硬件組成主要由人機交換界面、無線數據模塊、終端核心控制器等部分組成，其結構框圖如圖2所示。

2.1 人機交互界面

人機界面是用來監控管理和處理各種信息的多功能顯示屏幕，是操作人員與機器設備之間雙向溝通的橋梁。本設計采用信捷B/TH765系列觸摸屏，該型號觸摸屏具有7英寸顯示屏幕，流線型外觀設計6萬色真彩，支持BMP，JPEG格式圖片，除此之外它還有完善的校準功能，該型號觸摸屏可以提供很好的人機交換界面，適合在家庭智能控制中應用。

2.2 無線模塊

本次設計采用的無線模塊為順舟科技的SZ05系列Z?BEE嵌入式無線串口通信模塊，該模塊采用了加強型的ZigBee無線技術，該無線數據通信設備符合工業應用標準，它具有通信距離遠、抗干擾能力強、組網靈活等優點和特性，可實現多設備間的數據透明傳輸，可組MESH型的網狀網絡結構。ZigBee技術譯為紫蜂技術，是一個有關組網、安全和應用軟件方面的新型傳感器網絡，被稱作IEEE 802.15.4（ZigBee）技術標準。其結構簡單、功耗低、速率低、成本低、可靠性高，主要適用于自動控制領域，其可以嵌入到各種設備中，同時支持地理定位功能[4?5]。

2.3 控制器

對于控制終端的設計，單片機是其核心器件，本設計通過單片機與無線接收模塊的數據傳輸完成對終端家用電器設備的控制。在本設計中采用的是飛思卡爾MC9S128MAA單片機，作為新一代的雙核微控制器，擁有卓越的性能，堪比32位微控制器。S12X除了擁有主控CPU外，還擁有一個平行處理器XGATE模塊，該模塊是一個智能的、可編程的直接存儲器取存模塊，可以進行中斷處理以及通信和數據預處理，并為其他任務釋放一部分CPU空間，從而提高了該芯片的整體性能[6]。

2.4 自適應智能燈光系統的設計

在智能家居控制系統中，燈光控制是一個很重要的組成部分，舒適、絢麗的燈光變幻會給家庭生活帶來溫馨、和諧的環境。在本次設計中，對于燈光系統主要采用了PWM脈寬調制技術來實現對燈光變幻的控制。同時通過光敏電阻對外界光線的感應，引起電壓的變化，通過單片機對其模擬信號的采集，再由飛思卡MC9S128MAA單片機集成的A/D轉換功能完成數/模轉換，最終通過一定算法，完成相應PWM調制波的輸出，完成室內燈光自適應控制。圖3為燈光系統電路圖[7?8]。

3 軟件設計

本軟件設計主要包括人機界面的軟件設計和控制器的軟件設計以及通信協議的設計，該系統總的軟件設計流程圖如圖4所示。系統開機初始化后，首先進入人機界面，通過自適應搜索到開機的家用電器。通過觸摸屏的觸摸輸入選擇要控制的電器。通過無線模塊的數據傳輸及終端控制單片機的數據識別和處理，完成家用電器的控制并傳回數據，在觸摸屏上顯示各參數。

3.1 人機界面軟件設計

（1） Touch Win簡介

Touch Win為TH系列觸摸屏提供了理想的編輯平臺，Touch Win編程軟件采用全中文操作界面，其操作具有良好的操作界面及簡單易學的開發編程界面，是TH系列最常用的開發軟件。對于一個觸摸屏開發過程，完整流程如圖5所示。

（2） 人機界面窗口設計

在本次設計中，設計的畫面窗口主要包括：開機界面、電器搜索界面以及各個電器控制界面。

3.2 控制終端軟件設計[9?10]

（1） 控制器開發環境簡介

控制器采用的開發環境是飛思卡爾公司研制的CodeWarrior開發環境，該軟件功能強大，CodeWarrior環境主要包括以下幾個模塊：編譯器、源代碼瀏覽器、構造系統、調試器、工程管理器等。編輯器、編譯器、連接器和調試器是軟件開發的4個主要階段。其他的模塊用以支持軟件開發的主要過程。該集成環境是一個多線程應用，能在內存中保存狀態信息、符號表和對象代碼，從而提高了操作速度，進行自動編譯以及鏈接。

（2） 主程序編寫

對于主程序的編寫采用C語言編寫的方式，主要由3個模塊構成，分別為數據采集、數據處理及數據返回。

無線數據的采集采用同步串行通信方式，該方式主要采用SPI模塊。該模塊通過在CodeWarrior軟件中設置，采用9 600 b/s的波特率完成數據的傳輸，在主函數中使用AS1_RecvChar（）函數完成對無線傳輸數據的采集。

對于由光敏電阻構成的電壓采集采用單片機集成的A/D轉換芯片完成。本次設計所使用的單片機所集成A/D采集精度為12位。可以很好地滿足本次設計的要求。

3.3 人機界面與控制終端的通信協議

為實現觸摸屏與控制終端的無線傳輸，本系統設置了相應的通信協議，其主要通信指令如表1所示。

4 系統調試及結果分析

4.1 硬件電路調試

對Max232電路進行檢測，通過觸摸屏發送無線數據，經電腦的串口調試進行數據顯示，經測試符合要求。對控制終端單片機的最小系統進行檢測，通過對光敏電阻進行遮光和有光照的情況下，對A/D采集引腳進行電壓測試，在有光情況下最大輸出為3 V，最小輸出為0.2 V，由于對燈光的自適應控制采用脈寬調制技術，由單片機生成的PWM調制波可以隨光敏電阻的阻值發生明顯的變化，滿足設計要求。光敏電阻端電壓與調制波輸出關系經測量如圖7所示。

4.2 軟件調試

觸摸屏開發軟件Touch Win具有在線模擬功能，通過該功能的模擬，在電腦上完全實現所需功能，通過下載進觸摸屏，經過相關測試，其功能滿足設計要求，具體測試如圖8所示。

4.3 結果分析

通過對硬件和軟件的測試，以及在正常環境下對系統進行實際操作成功率的測試，測試結果表明，該智能家居控制系統的綜合性能達到了設計要求，其測試結果如表2所示。

表2 系統綜合測試結果

5 結 語

本設計作為智能家居系統設計的一次有益嘗試，通過利用人機界面以及控制終端來實現對家居電器的分布式智能控制。通過一系列的調試工作，本設計實現了控制器自動搜索區域內的智能電器、實現了對搜索到的智能電器進行開關控制；同時該系統還能自適應的調節燈光系統，實現了多個用電器的集中控制。

參考文獻

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