試論基于單片機的智能家居遠程控制系統的設計路徑

牛偉明，許鵬飛

（1.河南工學院，河南 新鄉 453003；2.河南新電信息科技有限公司，河南 新鄉 453000）

隨著科技的發展，大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術得以應用于人們的生產生活中。智能家居能夠滿足人們目前對生活質量的要求，所以日益受到人們的青睞，但人們對智能家居的需求呈現出多樣化，如何滿足人們對智能家居的多樣化需求，已經成為當前智能家居需要進一步完善的方向。在智能家居系統中，控制系統始終占據核心地位，通過控制系統將智能家居各功能、各模塊實現聯通［1］。本文設計的主要內容是圍繞智能家居環境實施數據信息的追蹤和采集、實時監測以及安全防護，從而實現智能家居管理與服務的智能化和一體化。同時，在物聯網技術的支持下，智能家居將會進一步滿足人們的個性化需求，并實現智能家居各模塊功能的一體化，對于智能家居的節能環保以及生態安全等方面也極具價值和意義。

1 基于單片機的智能家居遠程控制系統的總體設計

基于單片機的智能家居遠程控制系統中，控制系統主要由單片機來實現，所以對單片機進行合理選型至關重要。本設計選用的單片機型號為STC89C52RC，并將其作為核心處理器，用戶與系統之間實現數據信息傳遞主要是通過GSM模塊搭設的平臺進行實現的。實現該系統定制功能，主要是通過如下邏輯來完成的：當撥通固話的情況下，會將大振鈴下產生的信息波動進行檢測，從而將語音提示發布出去，并且保證語音提示具有可操作性以及針對性。在此情況下，用戶會通過受到的提示將特定的指令鍵入到系統中，并將控制需求發送到系統，系統收到提示指令后，主控芯片便會通過無線網絡（Wifi）將傳感器收集到的所有數據信息進行搜集和整理，然后以短信或語音的方式將搜集到的數據信息向用戶發送，同時還可調控相關控制終端設施設備，從而使智能家居實現遠程控制［2］。此外，系統在運行過程中若檢測出系統自身存在危險情況，例如，燃氣泄漏、火災隱患等，將會通過系統平臺將危險信息發送至安保系統中，從而利用系統之間的聯動性避免危害擴大化。本研究設計的系統總體設計圖見圖1所示。

圖1 基于單片機的智能家居遠程控制系統總體設計圖

2 基于單片機的智能家居遠程控制系統的硬件設計

從圖1可以觀察到，基于單片機的智能家居遠程控制系統中包含了多個模塊，主要包括GSM模塊、控制終端模塊、WIFI模塊以及數據采集模塊等。所以該系統的硬件設計主要是對各模塊進行設計，以下便對各模塊的研發流程以及設計邏輯進行闡述：

2.1 硬件設計的總體概述

若要實現系統各硬件模塊的有效設計，需要清楚各模塊的設計邏輯。在本系統中，核心處理器是STC89C52RC單片機，所以在設計該遠程控制系統時，應該將該處理器作為核心，在其基礎上增加其他器件。例如，在本設計中需要增加GSM模塊以及傳感器模塊，從而通過傳感器模塊獲取數據信息，并且還能夠形成以家庭網關為主的硬件平臺；同時，在本設計系統中，各傳感器模塊以及主控系統之間之所以能夠實現數據信息的及時傳遞，主要是通過WIFI模塊來進行實現，該模塊發揮著重要的通訊功能，能夠使傳感器收集的各類數據信息實現共享。而本系統之所以能夠實現遠程智能化控制，主要是通過數據信息共享實現的，數據信息共享依托于傳感器模塊，該模塊不僅能夠將各類數據信息進行準確、完整的收集，而且對數據信息還具有實時監控的作用。當傳感器模塊監測數據信息時，若數據信息中的部分指標存在明顯的波動，則傳感器便會將這些波動數據信息提取，然后向其他模塊和系統進行反饋，同時向主控系統提交波動數據信息。

在本次設計的系統中，對該系統進行設計主要是為了滿足用戶的個性化需求，而用戶的各類需求必然是通過系統來實現的，所以需要將用戶與系統之間進行數據信息交互、傳輸等［3］。這一功能主要是通過GSM模塊實現的，由于GSM模塊中附帶電話語音功能以及短信功能，有助于實現智能家居的遠程監控。但是系統在對各項指標進行檢測的過程中，若出現指標偏離的情況，主控系統便會將偏離的指標信息通過GSM模塊向用戶推送；用戶則會通過系統中嵌入的信息瀏覽模塊、語音播報模塊以及控制GSM的模塊對推送的語音信息和文字信息進行播報和瀏覽，從而實現用戶交互；當用戶接收到語音信息，該系統的主控芯片會將用戶的指令進行定向傳遞，使用戶的指令信息能夠聚集到STC89C52RC單片機上，進而能夠依據用戶的指令信息進行執行，實現遠程控制。同時還可以通過系統設備來完成相關調試工作。

根據上述流程及邏輯，在系統硬件設計過程中，需要圍繞所有的功能模塊來開展硬件選擇工作和電路設計工作，與此同時，還應該實施軟件編程的調試工作，從而為系統遠程監控提供基礎條件。

2.2 無線通信模塊的設計與確定

當前智能家居應用的通信技術豐富多樣。但大部分通信技術仍處于有線連接狀態，這種有線通信技術存在較多的缺陷，尤其是在布線設計方面比較復雜，并且在擴展性方面也比較差。隨著科技的不斷發展，無線技術以及物聯網技術得以推廣和發展，智能家居的通訊領域已經開始應用無線技術，無線通訊技術為人們的生活帶來便利性，所以用戶在選擇智能家居時，會將附帶無線通信技術的智能家居作為首選。隨著新技術的發展與應用，智能家居在通信方式上也實現了更新發展，傳統通訊技術已逐漸被取代，產生了一系列新式通訊技術，例如，WIFI技術、ZigBee技術、Z－Wave技術以及紅外通訊技術等。其中，紅外通訊技術存在傳輸距離較短、通訊角度較小等缺陷，因此該技術很少應用于智能家居領域中；ZigBee技術能夠實現近距離傳輸，并且還具備成本優勢和功耗優勢，但在實際開展遠程控制時，ZigBee技術的傳輸距離以及速度均受到了限制，導致該技術在實際應用過程中也同樣受到限制；Z－Wave技術的傳輸速率一般在9.6kbps左右，在室內應用時，其信號有效覆蓋范圍可達到30m，在室外應用時，其信號有效覆蓋范圍可達到100m之外，在窄帶寬場合條件下比較適用，并且具備一定的穩定性以及安全性，但ZWave屬于一種樹狀組網結構，若樹狀組網結構的上端部分斷掉，則下端全部處于連接狀態的設備將會出現癱瘓，智能家居連接的設備一般比較多，一旦采用Z－Wave技術進行無線通訊，將容易造成設備癱瘓［4］，所以當前該技術在國內一般屬于非民用無線通訊技術，且國內對該技術的應用也不常見；而WIFI技術能夠滿足智能家居遠程控制的各方面需求，不僅覆蓋范圍較廣、傳輸速度較快，而且還具備較高的安全性，可將智能家居所使用的各類安防器材和電氣設備進行安全、高效的連接，從而使智能家居無線通信得以有效實現。因此，本設計將WIFI技術應用于智能家居的遠程控制系統中。

2.3 GSM 模塊的設計

GSM模塊類似于移動電話通訊模塊，該模塊的主要作用是將電路板實現功能集成，使系統具備移動電話的部分功能，例如，本系統中涉及的語音信息發送功能。若要實現GSM模塊的有效控制，必須通過控制系統使用AT指令對其實現控制，GSM模塊同RS232串口之間連接，同時也可以通過單片機對GSM模塊進行控制。

GSM模塊主要包括GSM射頻、基帶處理器、ZIF連接器、FLASH以及供電模塊等部分［5］。在GSM模塊中，短信息模式是其關鍵的功能單元，其設置模式包括TEXT模式、BLOCK模式以及PDU模式。三種模式中，PDU模式比較適用于GSM模塊，主要是因為該模式能夠通過AT指令對重點信息功能進行調控。相對于其他模式，PDU模式更加具備可操作性和便捷性，通過發布一條AT指令便能夠對短信息實施有效的編輯處理。基于PDU模式的優勢，本系統設計中GSM模塊采用的模式可選擇PDU模式。

2.4 傳感器模塊的設計

在智能家居遠程控制系統中，家居環境監測是關鍵，可采取篩選以及測試的方法。本系統設計包含了多個傳感器模塊，而傳感器的類型也比較多，且各類傳感器的功能也存在差異，所以在傳感器實際選型時，還要根據系統以及用戶的實際需要來選擇傳感器類型。常見的傳感器類型如下：

（1）火焰傳感器：這種傳感器的靈敏度具有可調節性，針對火焰光譜具有強烈的敏感度，其外觀比較簡潔化，可對繼電器模塊形成驅動力，能夠實現室內環境溫度的準確控制。

（2）煙霧傳感器：這種傳感器主要應用于家庭和工廠，通常可對泄漏氣體進行檢測，例如，家庭使用的液化氣、燃氣等，工廠出現的丙烷、煙霧等有害氣體，煙霧傳感器有著非常明顯的檢測效果，其靈敏度能夠適當調節。該傳感器在實際工作時的電壓可達到5V，對傳感器裝置進行啟動之前，應該對其進行預熱，預熱時間至少要達到2min，若檢出氣體的濃度在預設范圍之外，則傳感器模塊DO輸出將會轉變成低電平，在這種情況下，電壓也會因氣體濃度的上升而出現提升，并且DO輸出可直接連接單片機，故可通過單片機來檢測并確定高低電平。

（3）溫濕度傳感器：此類傳感器多為數字傳感器，一般用于室內相對溫度以及相對濕度的測量，也可用于能耗傳輸以及長距離傳輸方面的測量，所以此類傳感器在數據記錄器、氣象站、暖通空調、設備測試以及醫療等方面和領域均有所應用。

（4）紅外傳感器：此類傳感器附帶自動感應功能，當人體進入到某一特定區域范圍內，該傳感器便會轉變成高電平輸出，當人體離開這一特點區域范圍后，該傳感器便會通過自動延遲功能將高電平逐漸關閉，并轉變成低電平輸出。感應模塊在輸出后會步入封鎖時段，在此時段內無法收到感應信號，這一情況是實現封鎖時間以及輸出時間的基礎條件。所以在開展間隔探測的過程中，紅外傳感器比較適用，除此之外，紅外傳感器還可將負載切換過程中受到的外部干擾予以降低，且形成的功耗非常低。當人體從各向走動時，紅外光譜存在一定差值，當差值較為明顯的情況下，正式紅外傳感器的靈敏度增長。

3 基于單片機的智能家居遠程控制系統的軟件設計

如圖2所示，該軟件系統運行后，串口定時器會處于初始化狀態，初始化后會與GSM模塊進行連接，通過GSM模塊發送開機短信，通過運行后，傳感器會將智能家居各部分產生的數據進行收集，然后系統會對傳感器數據進行獲取，并對獲取的傳感器數據進行檢驗。當檢驗結果顯示數據超出預警的情況下，系統會發出警報，并通過GSM模塊編輯和發送報警信息，報警信息由用戶接收，用戶根據報警信息作出指令，通過GSM模塊執行，形成新的數據。當檢驗結果顯示數據未超出預警的情況下，便會將正常的溫度、濕度以及時間等信息顯示出來，然后進入Led初始化階段，最后結束，具體軟件設計邏輯圖見圖2所示。

圖2 軟件設計邏輯圖

4 結論

綜合上述內容，在當前物聯網技術背景下，智能家居已成為人們家居生活的首選，而在利用單片機控制的條件下，能夠實現智能家居的遠程控制，更加方便了人們的日常生活。在本設計中，通過單片機控制，聯合GSM模塊、傳感器模塊以及無線通信模塊等硬件設施，結合軟件設計，基本能夠實現智能家居遠程控制系統的設計，使人們對智能家居的需求得到滿足。