基于單片機(jī)的智能家居模擬系統(tǒng)

邢煒卿

（北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津 301830）

0 引言

近年來，國家相繼出臺(tái)了一系列支持智能家居設(shè)備行業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策，智能家居成為物聯(lián)網(wǎng)九大重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用示范工程之一。智能家居系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)、通信等多個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，功能多樣，可有效提高智能家居的各個(gè)維度。

行業(yè)發(fā)展趨勢不僅包括政策推動(dòng)行業(yè)發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新也會(huì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。產(chǎn)品智能化程度不斷提高，才能達(dá)到“以人為本”的目的，使人們的生活更舒適和便捷，進(jìn)而提高社會(huì)的消費(fèi)水平，擴(kuò)大消費(fèi)市場規(guī)模［1］。所以，有必要對(duì)智能家居系統(tǒng)開展研究。

1 3D家居模型設(shè)計(jì)及搭建

1.1 3D家居模型設(shè)計(jì)思路

手工模型是展示設(shè)計(jì)方案的重要方法之一。在設(shè)計(jì)初期，需要確定構(gòu)建模型所需的材料，并通過2D 草圖來計(jì)算出模型的空間比例，從而確定獨(dú)立空間模塊所在位置，包括客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間、門這5個(gè)獨(dú)立空間模塊。

1.2 3D家居模型的搭建

利用設(shè)計(jì)好的3D 圖片對(duì)模擬智能家居進(jìn)行搭建，從而能更直觀地展示模擬智能家居的整體布局和硬件布線。同時(shí)，利用剩余空間來展示智能家居中的各類DIY家具。

2 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 APP開發(fā)

在設(shè)計(jì)用戶界面（列表選擇框、復(fù)選框、標(biāo)簽等）時(shí)，使用標(biāo)簽進(jìn)行合理布局，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)計(jì)操作（藍(lán)牙客戶端、列表選擇框、按鈕等）。

該系統(tǒng)的硬件藍(lán)牙模塊采用的是HC-05 藍(lán)牙模塊，該模塊是一款主從一體的藍(lán)牙串口模塊。HC-05藍(lán)牙模塊主要適用于較短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，能非常方便和上位機(jī)（如手機(jī)、電腦端等）藍(lán)牙設(shè)備連接在一起。

通過對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行初始化操作，可調(diào)用藍(lán)牙客戶端來判斷藍(lán)牙啟動(dòng)的真與假。

2.2 手機(jī)APP連接藍(lán)牙模塊

客廳空間模塊、衛(wèi)生間空間模塊、臥室空間模塊、門模塊均采用51 單片機(jī)最小系統(tǒng)，這些模塊通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP 相連接，從而分別控制LED燈的亮滅、直流電機(jī)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)停、窗簾的開閉、門的開關(guān)（SG90舵機(jī)）等。

通過AT指令來配置藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊的TXD與單片機(jī)P3.0 針腳相連，藍(lán)牙模塊的RXD 與單片機(jī)P3.1針腳相連。手機(jī)APP連接藍(lán)牙及手機(jī)APP成功連接藍(lán)牙如圖1、圖2所示。

圖1 手機(jī)APP連接藍(lán)牙

圖2 手機(jī)APP成功連接藍(lán)牙

3 家居模型硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)開發(fā)板控制部分設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用的主控芯片HC6800-ES V2.0 單片機(jī)開發(fā)板提供USB2.0 和串口兩種通信方式，該開發(fā)板兼容STC、SST 等51 系列的單片機(jī)。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要采用HC6800-ES V2.0 單片機(jī)開發(fā)板上的蜂鳴器、溫度傳感器、液晶顯示等模塊。

蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓的方式進(jìn)行供電［2］。傳感器是一種檢測裝置，對(duì)被測量的信息進(jìn)行采集，并將采集到的信息以一定規(guī)律轉(zhuǎn)變成電信號(hào)或其他所需形式的信息，并將信息進(jìn)行有效輸出［3］。DS18B20 溫度傳感器是一種單總線型溫度測量元器件，可使用總線進(jìn)行供電。LCD1602 液晶是一種用來顯示字符、數(shù)字和符號(hào)的點(diǎn)陣型模塊，主要由若干個(gè)點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可用來顯示對(duì)應(yīng)的字符，并作用于字符間距和行間距［4］。

該系統(tǒng)的主控芯片HC6800-ES V2.0 單片機(jī)開發(fā)板主要對(duì)廚房空間模塊溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警。廚房空間模塊采用獨(dú)立的STC89C52單片機(jī)開發(fā)板和液晶顯示屏，可實(shí)時(shí)檢測當(dāng)前的室內(nèi)溫度，此外，可根據(jù)環(huán)境變化來對(duì)設(shè)定后的溫度閾值進(jìn)行修改。當(dāng)DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器讀取到的溫度超過閾值時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)。廚房空間模塊實(shí)測如圖3所示。

圖3 廚房空間模塊實(shí)測

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)藍(lán)牙控制部分設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)控制部設(shè)計(jì)分為客廳空間模塊的LED 燈硬件設(shè)計(jì)、臥室空間模塊的窗簾自動(dòng)控制設(shè)計(jì)、衛(wèi)生間空間模塊的風(fēng)扇設(shè)計(jì)和開關(guān)門設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)最小系統(tǒng)對(duì)整體進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)空間模塊的具體功能。此外，智能家居的全面應(yīng)用要符合現(xiàn)代室內(nèi)的空間設(shè)計(jì)感的要求。

本研究采用的是28BYJ4步進(jìn)電機(jī)，由于步進(jìn)電機(jī)要加裝驅(qū)動(dòng)板才能進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所以采用與其匹配度較高的ULN2003 驅(qū)動(dòng)板，從而增強(qiáng)單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，在沒有脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)為靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)加入脈沖信號(hào)后，就會(huì)以一定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，所以比較適合單片機(jī)控制［5］。

衛(wèi)生間空間模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于風(fēng)扇開關(guān)的控制。風(fēng)扇的開關(guān)由L298N 驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行控制，L298N驅(qū)動(dòng)板包括兩個(gè)輸入端、輸出端A、輸出端B、通道A使能、通道B使能及4個(gè)邏輯輸出端。IN1、IN2、IN3、IN4 為邏輯輸出口，共有6 個(gè)引腳，其中，IN1、IN2 負(fù)責(zé)控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，IN3、IN4 負(fù)責(zé)控制另一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)上的P1.0 端口連接驅(qū)動(dòng)板IN1，P1.1端口連接驅(qū)動(dòng)板IN2，P1.2端口連接驅(qū)動(dòng)板ENA。

開關(guān)門空間模塊利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變化對(duì)門開關(guān)進(jìn)行控制。該模塊以SG90 舵機(jī)為模擬電機(jī)，SG90舵機(jī)在運(yùn)行過程中的角度可不斷變化，并能保持位置。在實(shí)際操作過程中，需要不斷發(fā)送相應(yīng)角度的PWM 信號(hào)，才能使該舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定位置。不同角度的模擬系統(tǒng)如圖4、圖5所示。

圖4 模擬系統(tǒng)（俯瞰）

圖5 模擬系統(tǒng)（側(cè)看）

4 控制代碼設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的代碼設(shè)計(jì)框架包括UART、定時(shí)器、中斷程序、延時(shí)驅(qū)動(dòng)程序。STC89C52 芯片內(nèi)置UART接口，主要用于外部異步串行通信。安裝電腦驅(qū)動(dòng)如圖6所示，stc-isp操作界面如圖7所示。

圖6 安裝電腦驅(qū)動(dòng)

圖7 stc-isp操作界面

在對(duì)該系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要使用Keil uVision5對(duì)51單片機(jī)進(jìn)行軟件開發(fā)，從而建立基于51單片機(jī)的軟件開發(fā)環(huán)境。

該系統(tǒng)的軟件通過編譯交互框顯示無誤后，應(yīng)將設(shè)計(jì)的程序編譯成目標(biāo)文件.hex，通過下載器將其下載到STC89C52單片機(jī)中，并接通相關(guān)硬件的電源，即可完成程序下載。

5 結(jié)語

本研究將51 單片機(jī)中的藍(lán)牙控制系統(tǒng)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)在手機(jī)終端控制硬件設(shè)備等功能。通過使用一種快捷、兼容性強(qiáng)的無線方式，能有效解決智能家居系統(tǒng)中家用電器因種類繁多而導(dǎo)致的兼容性差的問題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的實(shí)時(shí)控制與高效管理［6］。