智能家居系統的設計與實現

劉軒 史秀男 沈陽工學院

智能家居系統的設計與實現

劉軒 史秀男 沈陽工學院

本設計基于物聯網藍牙遙控以STC12C5A60S2單片機作為控制核心，實現藍牙指令的解析和控制開關指令的發出，工業級藍牙2.0模塊HC-05實現和手機藍牙的通信，藍牙模塊把接收到的指令通過串口通信的方式傳輸給單片機，系統顯示終端采用LCD12864中文液晶屏，當系統執行家電的開啟和關閉時，液晶顯示屏實時更新家電的開關狀態，以便設備出現故障的情況下判斷是控制部分出現故障還是家電部分故障，為了更好的模擬演示系統功能，系統采用冰箱、電視、空調、燈泡作為控制對象，為了硬件實物演示方便，4路家電分別用4種顏色的LED燈來代替，通過繼電器開關控制LED燈的亮滅來代替家電的開啟和關閉。系統遙控藍牙遙控距離不小于10米，開關響應時間小于1秒鐘。本文在家電開關控制的基礎上增加了室內溫濕度和煙霧濃度檢測報警功能，當室內環境參數超限時，系統會發出鳴笛報警提示功能。

主要是基于51單片機和2.0藍牙模塊來設計實現，硬件方案主要包括單片機最小系統電路、電源管理電路、4路繼電器開關電路、LCD12864液晶顯示屏電路和HC-05藍牙模塊電路組成，其中單片機最小系統電路為系統的控制核心，完成控制信號的采集和控制信號的輸出控制，HC-05藍牙模塊負責藍牙指令的接收，然后和單片機控制電路之間通過串口通信電路完成數據的傳輸，家電開關的控制通過單片機控制4路繼電器的斷開和吸合來實現，繼電器開關采用高電平輸出使能，當單片機對應的端口輸出高電平即可完成對應繼電器開關的接通，相反對應端口輸出低電平，繼電器開關斷開。為了直觀的觀測繼電器開關的開啟和關閉。

系統硬件電路設計主要包括單片機主控電路設計，藍牙通信電路設計，液晶顯示電路設計，室內環境參數采集電路，家電開關輸出控制電路設計和電源處理電路等幾部分組成，下面將對上述各部分電路進行詳細的闡述和分析。單片機最小系統控制電路主要有STC12C5A60S2單片機、11.0592M晶振、復位電路三部分組成，藍牙串口通信模塊主要有HC-05主從一體藍牙芯片、3.3VLDO穩壓電路和信號指示燈電路組成，室內環境參數采集電路主要由溫度采集、濕度采集和煙霧采集3部分組成，溫度采集使用DS18B20溫度傳感器，此傳感器為單總線數字輸出型的傳感器，和單片機之間可以直接進行通信和數據傳輸，不要增加其它外圍電路；濕度傳感器采用DHT11實現，DHT11也是數字輸出型傳感器，不需要其它外圍電路支持就能完成和單片機之間的數據傳輸和通信；煙霧采集采用MQ-2煙霧傳感器模塊，煙霧采集傳感器為模擬信號輸出型傳感器，需要接單片機的AD端口方可進行數據傳輸與通信。智能家電的開啟和關閉采用繼電器控制實現，繼電器是一種常用的弱點控制強電的自動開關，由于本文單片機系統采用5V供電單片機，單片機信號輸出高電平為5V，因而本文繼電器型號選擇DC5V松樂繼電器，此繼電器輸出端可接220V家用電器，帶負載能力可達到20A電流，完全能夠承受一般家用電器的負載要求。繼電器開關控制電路主要有繼電器、輸出端子、信號控制端子以及脈沖泄放回路組成。系統軟件編程采用C語言編程，編譯環境為KeilC51，下載工具采用STC-ISP下載軟件進行下載，對于單片機系統，傳統的編程方式是將單片機先從電路板上取下，放入專用的編程器進行編程，再放人電路板進行調試。其缺點是頻繁的拔插器件容易損壞器件的引腳；如果頻繁的更換程序，必須重復拔插，大大降低了開發效率。ISP技術是未來發展的方向，其優勢是無需編程器就可進行單片機程序的在線下載，免去調試時由于頻繁插入取出對器件造成的損壞和帶來的不便。ISP可降低研發成本，縮短從設計、制造到現場調試的時間，簡化生產流程，大大提高工作效率；在試驗新品或學生試驗等常需用不同的程序調試器件的場合中，ISP在線編程技術尤為重要。

設計采用USB-ISP下載線，實現在KeilC51軟件開發環境下調試的C語言程序機器碼能在線下載到STC12C5A60S2單片機片內Flash中，并可在線修改。系統軟件功能測試主要是把通過KeilC51編程軟件編譯通過的程序代碼下載到硬件實物中進行功能的驗證，系統功能測試包括環境檢測功能測試和藍牙遙控開關功能測試。以51內核的STC12C5A60S2單片機為核心，結合晶振電路、復位電路完成單片機最小系統控制單元，藍牙模塊采用工業級HC-05藍牙模塊完成手機藍牙指令的接收和通信，通過手機藍牙APP操作界面完成操控指令的發送，單片機控制單元通過解析所接收到的藍牙指令，然后對相應的家電開關進行開啟和關閉的操作，LCD12864液晶顯示屏用來顯示4路家電開關的開關狀態，室內環境檢測主要檢測溫度、濕度和煙霧濃度三個環境參數，溫度采集采用DS18B20溫度傳感器采集，濕度采集采用DHT11濕度傳感器實現，煙霧采集通過MQ-2煙霧傳感器實現。該系統可以方便的實現智能家居的控制，并且設計簡單，經濟實惠。

史秀男（通訊作者），沈陽工學院通信教研室講師。