基于單片機(jī)的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

汪雨涵+張文梟+王金迪++李瑞

摘要： 本文主要介紹基于單片機(jī)系統(tǒng)的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。其采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠自動(dòng)采集家居相關(guān)數(shù)據(jù)信息及調(diào)控（如溫度、濕度、火焰、煙霧、關(guān)聯(lián)家用電器等），主要由控制器模塊、電源模塊、顯示模塊、各種傳感器模塊、GSM無(wú)線通信模塊、WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊搭建而成，各模塊由各自子控制中心完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的處理，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如安防報(bào)警、燈光控制、煤氣報(bào)警、信息家電、場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)等有機(jī)地融合在一起，應(yīng)用WiFi通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)家居進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化綜合管理和智能化遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

關(guān)鍵詞： 智能家居； 遠(yuǎn)程控制； 安全防范； GSM模塊； WiFi網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP271+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-2163（2017）04-0118-03

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷更新，智能家居行業(yè)得到了快速的發(fā)展。而且，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也呈現(xiàn)可觀增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，這就使得智能家居的需求日趨豐富廣闊。因此，提供一套設(shè)計(jì)合理、方便、完善的智能家居控制系統(tǒng)也即愈發(fā)突顯其現(xiàn)實(shí)研究的重要性。在智能家居的整個(gè)體系中，核心模塊是智能家居控制系統(tǒng)，由其有效控制著智能家居的所有環(huán)節(jié)。本次研究指出，對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行跟蹤、報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與安全防護(hù)及遠(yuǎn)程維護(hù)等，構(gòu)建數(shù)字高端的管理與服務(wù)功能，物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)業(yè)也已彰顯出其個(gè)性化、智能化、便捷化和高效化的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)理想、節(jié)能、安全、環(huán)保的一體化全新家居生活環(huán)境具有重要意義。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

[PS汪雨涵1.EPS；S*2；X*2，BP#]

[ST6HZ][WT6HZ][JZ]圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

[JZ]Fig. 1System structure framework graph

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]

研究中，系統(tǒng)中央控制及處理器采用的是AT89S51單片機(jī)，系統(tǒng)與用戶之間的通訊基于GSM模塊。主體定制功能就是當(dāng)用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，通過撥打固定電話，系統(tǒng)檢測(cè)大振鈴自動(dòng)摘機(jī)并發(fā)布相應(yīng)的語(yǔ)音提示，用戶根據(jù)提示輸入需求指令生成操作控制。系統(tǒng)接收到指令后，主控芯片通過WiFi獲取各傳感器的信息，并以短信與語(yǔ)音的方式發(fā)送給用戶；同時(shí)可以對(duì)各個(gè)電器控制終端調(diào)控執(zhí)行、即實(shí)現(xiàn)智能化的遠(yuǎn)程控制。另外，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到家中有火災(zāi)、燃?xì)庑孤┑任ｋU(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)，會(huì)自動(dòng)通知安保系統(tǒng)，避免不必要的損失，確保居住環(huán)境的安全性。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述

在本次系統(tǒng)研究中，硬件部分主要包括的功能支持模塊有：以AT89S51單片機(jī)為核心、各傳感器模塊、GSM通訊模塊、WiFi模塊 、解碼電路等。在此，給出系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的研發(fā)流程可論述如下：

1）以AT89S51單片機(jī)為核心，以傳感器、GSM模塊、WiFi模塊等作為外部器件，搭建了家庭網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)。

2）利用WiFi模塊實(shí)現(xiàn)傳感器與主控系統(tǒng)間的互動(dòng)通信。

3）利用傳感器提供各個(gè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)的各個(gè)指標(biāo)變化時(shí)，數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)反饋至主控。

4）用戶與系統(tǒng)通過GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，利用GSM模塊的短消息和電話功能實(shí)現(xiàn)了智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控，若監(jiān)測(cè)指標(biāo)達(dá)到預(yù)警值，主控將發(fā)送信息給用戶。

5）利用語(yǔ)音播報(bào)模塊及控制GSM模塊的相關(guān)指令操控移動(dòng)電話接聽、播報(bào)而與用戶有效展開信息交互。

6）利用MT8870芯片來(lái)推進(jìn)DTMF解碼用戶發(fā)送指令并傳送到單片機(jī)中。

7）使用一臺(tái)IBM-PC/XT兼容機(jī)、ME-5103單片機(jī)仿真機(jī)、MF116萬(wàn)用表、計(jì)算機(jī)5V穩(wěn)壓電源、SR8雙蹤示波器進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

8）完成各功能模塊的硬件選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件編程和調(diào)試后，則實(shí)現(xiàn)了家庭網(wǎng)絡(luò)利用GSM模塊設(shè)計(jì)展開遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

2.2WiFi 無(wú)線通信技術(shù)

傳統(tǒng)的智能家居的通信方式多為有線連接， 因此呈現(xiàn)出布線麻煩、擴(kuò)展性差等弊端劣勢(shì)。由于無(wú)線技術(shù)的普及，云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，無(wú)線通信智能家居開始流行，并逐漸發(fā)展，目前已成為智能家居系統(tǒng)的主流首選。進(jìn)一步地，ZigBee 通信技術(shù)、紅外通信技術(shù)、Z-Wave、WiFi 技術(shù)等均是目前智能家居產(chǎn)品常用的網(wǎng)絡(luò)通訊方式。其中，紅外通信技術(shù)較成熟，但存在著一些技術(shù)問題及缺陷，例如傳輸距離短、通信角度小、自帶多重限制等，并不適合智能家居。ZigBee 是一種可以近距離傳輸且復(fù)雜度、功耗、速率及成本都較低的無(wú)線通信技術(shù)，但會(huì)受到傳輸速度和距離的限制。而 WiFi 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：無(wú)線電波覆蓋范圍廣，傳輸速度快，WiFi 技術(shù)將智能家居的不同家電設(shè)備、通信設(shè)備、安全防護(hù)設(shè)備高效地連接起來(lái)，提供比傳統(tǒng)智能家居更安全、舒適、便捷的生活空間。為此，本次研究中選用了WiFi無(wú)限通信技術(shù)。

2.3GSM 通訊模塊

GSM模塊，是一個(gè)類似于手機(jī)的通訊模塊，在一塊小電路板上集成了手機(jī)的若干功能。不僅可以發(fā)送短消息，支持通話等等，具備了很多手機(jī)的實(shí)用功能。形象來(lái)說(shuō)，該模塊就相當(dāng)于配置了手機(jī)的核心部分，因而在很多應(yīng)用領(lǐng)域中都獲得了廣泛的應(yīng)用。若要操作控制GSM模塊，則需使用AT指令，模塊可以與電腦RS232串口相連，也可以用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)中使用的GSM模塊是由Siemens公司生產(chǎn)的TC35，其內(nèi)部框架以及與外部連接構(gòu)架即如圖2所示，GSM模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻部分、供電部分、（ASIC）FLASH、 ZIF連接器、天線接口六部分組成。該模塊通過串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9 600 Kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。endprint

[PS汪雨涵2.EPS；S*2；X*2，BP#]

[ST6HZ][WT6HZ][JZ]圖2GSM模塊工作原理圖

[JZ]Fig. 2The working principle of GSM module

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]

GSM模塊的短消息工作模式設(shè)置有3種：BLOCK模式、TEXT模式、PDU模式。其中，PDU模式是使用AT命令集來(lái)具體控制移動(dòng)終端的短消息功能。該種模式方便快捷，只需一條指令就能完成短信息的處理，所以本系統(tǒng)選用PDU模式進(jìn)行短信息處理。

2.4傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

要實(shí)現(xiàn)對(duì)家居中環(huán)境監(jiān)測(cè)以及一系列功能需求，通過測(cè)試和篩選，研究選取了各類適宜傳感器，并對(duì)每一傳感器的工作過程及原理分別展開概述如下。

2.4.1火焰?zhèn)鞲衅鱵l-38

可以檢測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在 760～1 100 nm范圍內(nèi)的光源。探測(cè)范圍在60°左右。對(duì)火焰光譜尤為靈敏。靈敏度可調(diào)，是標(biāo)準(zhǔn)雙面板，布局美觀大方。小板數(shù)字量輸出 DO 可以直接驅(qū)動(dòng)本板繼電器模塊，由此可以組成一個(gè)火焰開關(guān)；小板模擬量輸出 AO 可以和AD 模塊相連，通過 AD 轉(zhuǎn)換，可以獲得環(huán)境溫度更為精準(zhǔn)的測(cè)定數(shù)值。

2.4.2溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，具有相對(duì)濕度和溫度測(cè)量、全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出、不需額外部件、卓越的穩(wěn)定性、較長(zhǎng)的傳輸距離、低能耗、引腳安裝、完全互換等特點(diǎn)，可應(yīng)用于暖通空調(diào)、測(cè)試設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器、消費(fèi)品、自動(dòng)控制、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、除濕器等多類應(yīng)用領(lǐng)域中。

2.4.3煙霧傳感器MQ-2

可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等的探測(cè)；靈敏度可調(diào)，工作電壓5 V，在使用前，供電稍預(yù)熱2 min左右便可正常工作。傳感器對(duì)環(huán)境液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等較敏感。當(dāng)可檢測(cè)氣體濃度超過設(shè)定閾值時(shí)，模塊數(shù)字接口D0 輸出低電平，模擬接口A0 輸出的電壓會(huì)隨著氣體的濃度攀升而逐漸增大；小板數(shù)字量輸出D0可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來(lái)辨識(shí)高低電平，由此來(lái)檢測(cè)環(huán)境氣體。

2.4.4紅外傳感器 HC-SR501

全自動(dòng)感應(yīng)功能，也就是人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平， 人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。

感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后，則將隨即設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段，在該段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)器不接收感應(yīng)信號(hào)。這一功能可以實(shí)現(xiàn)“感應(yīng)輸出時(shí)間”和“封鎖時(shí)間”兩者的間隔工作，因而可應(yīng)用于間隔探測(cè)產(chǎn)品；同時(shí)，該功能也可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾，并僅為微功耗。當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時(shí)，紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)靈敏度就越高。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

[JP3]至此，綜合前文論述，研究得到系統(tǒng)軟件流程可如圖3所示。

4結(jié)束語(yǔ)

[JP2]智能家居系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用上包括家居安保系統(tǒng)和家用電器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)兩部分。其中，家居安保系統(tǒng)能夠精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶住宅的火災(zāi)、有害氣體泄露、盜竊以及入室搶劫等險(xiǎn)情的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警功能；家用電器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)則通過語(yǔ)音電路和解碼電路生成提供用戶和系統(tǒng)的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制功能。移動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展為家電遠(yuǎn)程遙控設(shè)定了現(xiàn)實(shí)可能。而以單片機(jī)的研發(fā)為基礎(chǔ)，將信息技術(shù)與家電控制技術(shù)通過深度探索融合，從而最終有效達(dá)成了現(xiàn)代家庭生活的信息化和自動(dòng)化，滿足了人們舒適、快節(jié)奏的生活需求。[JP]

參考文獻(xiàn)：

[1] 龐泳，李光明. 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)改進(jìn)研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014，35（5）：1547-1550，1582.

[2] 蔡俊宇. 基于Linux的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[3] 姜楠. 基于STC89C51單片機(jī)的紅外遙控智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（24）：162-164.

[4] 汪濤，謝志軍. 基于WSN的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 無(wú)線電通信技術(shù)，2015，41（2）：71-75.

[5] 謝輝，王體見，黃俊森. 基于HT46RU232單片機(jī)的智能家居電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（4）：117-121.

[6] 楊耀. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京：南京郵電大學(xué)，2014.

[7] 張雁琳. 基于Arduino的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)，2015.

[8] 薛雪嬌. 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居環(huán)境監(jiān)控設(shè)計(jì)[D]. 沈陽(yáng)：遼寧大學(xué)，2015.

[9] 董哲，宋紅霞. ZigBee-WiFi協(xié)同無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2015，36（1）：22-29.endprint