無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)

林子昊

摘要：針對(duì)現(xiàn)代家居中家用電器種類繁多、操作繁瑣且難以科學(xué)管理的問(wèn)題，本文結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，研制一個(gè)無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PC的強(qiáng)大功能和紅外線、無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的無(wú)線智能控制，具有靈活性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線局域網(wǎng)；組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案；分析1引言

智能家居是以住宅為平臺(tái)，將家電、安防系統(tǒng)、照明設(shè)備及娛樂(lè)設(shè)施等通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)控制等智能化的現(xiàn)代家居環(huán)境。本文結(jié)合紅外線、無(wú)線電通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，研發(fā)一個(gè)無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器統(tǒng)一、協(xié)調(diào)控制。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1，是設(shè)計(jì)的無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為應(yīng)用層、控制層。其中，應(yīng)用層包括專用遙控器、現(xiàn)場(chǎng)客戶端、網(wǎng)絡(luò)客戶端，控制層包括現(xiàn)場(chǎng)控制PC、紅外線接收器、紅外線發(fā)送器、紅外線接收及無(wú)線電發(fā)射器、無(wú)線電接收及紅外線發(fā)射器和各類家用電器設(shè)備。

無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)配備一個(gè)PC專用遙控器，該遙控器通過(guò)紅外線接收器短距離或紅外線接收及無(wú)線電發(fā)射器、無(wú)線電接收及紅外線發(fā)射器遠(yuǎn)距離控制現(xiàn)場(chǎng)控制PC的軟件層和外部設(shè)備，該遙控器與現(xiàn)場(chǎng)控制PC構(gòu)成一個(gè)學(xué)習(xí)型遙控器；現(xiàn)場(chǎng)客戶端、網(wǎng)絡(luò)客戶端分別通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)控制現(xiàn)場(chǎng)控制PC的軟件層和外部設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)控制PC再通過(guò)紅外線發(fā)送器實(shí)時(shí)控制各類家用電器設(shè)備。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是學(xué)習(xí)型遙控器、紅外線通信技術(shù)和無(wú)線電收發(fā)模塊的實(shí)現(xiàn)。

3.1 學(xué)習(xí)型遙控器

針對(duì)一般學(xué)習(xí)型遙控器通用性、存儲(chǔ)容量、學(xué)習(xí)能力受限等不足，本文利用普通遙控器和PC構(gòu)建新型學(xué)習(xí)型遙控器。該學(xué)習(xí)型遙控器工作原理是：由于遙控器每一位信號(hào)維持時(shí)間為0.5ms-5ms，當(dāng)遙控信號(hào)低電平到達(dá)紅外線接收器時(shí)其單片機(jī)以100μs周期采樣；當(dāng)高電平到達(dá)時(shí)存儲(chǔ)采樣次數(shù)，并以同樣周期采樣高電平信號(hào)；當(dāng)?shù)碗娖降竭_(dá)時(shí)存儲(chǔ)采樣次數(shù)，再次采樣低電平信號(hào)；如此循環(huán)采樣直至信號(hào)接收完畢(電平維持10ms無(wú)變化)。之后以32位為單位處理、解碼數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度在200字節(jié)左右。單片機(jī)將采樣、處理后的整個(gè)數(shù)據(jù)包傳送至PC。PC接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行分析、識(shí)別、存儲(chǔ)，再通過(guò)串口發(fā)送控制信號(hào)給紅外線發(fā)送器，其單片機(jī)接收數(shù)據(jù)包后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后經(jīng)紅外發(fā)射電路發(fā)射出去。

該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，利用PC大容量存儲(chǔ)、友好直觀操作界面、數(shù)據(jù)庫(kù)管理，減少單片機(jī)開(kāi)銷，同時(shí)使時(shí)序控制更簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。

3.2 紅外線通信技術(shù)

為提高紅外信號(hào)的抗干擾能力和減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，紅外線發(fā)射器對(duì)紅外遙控編碼信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后再發(fā)送出去。經(jīng)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)調(diào)制的方波脈沖信號(hào)為38KHz時(shí)，紅外信號(hào)傳輸效果最好。（圖2）是本系統(tǒng)采用的紅外線發(fā)射電路，其中紅外遙控編碼信號(hào)利用51系列單片機(jī)進(jìn)行串行編碼輸出。紅外編碼信號(hào)和38KHz脈沖信號(hào)經(jīng)與門(mén)輸出得到調(diào)制信號(hào)，再將調(diào)制信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管LTD001C，便發(fā)射出遙控信號(hào)。

3.3 無(wú)線電收發(fā)模塊

大部分家用電器通過(guò)紅外接口進(jìn)行控制，但紅外線通信距離較近且無(wú)法穿越障礙物，故本系統(tǒng)內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)采用紅外線、無(wú)線電混合聯(lián)網(wǎng)方式，克服紅外線通信受限、無(wú)線電與家用電器接口不兼容等不足。

圖3是紅外線接收及無(wú)線電發(fā)射器模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，該模塊采用USB接口作為紅外遙控信號(hào)的輸入端；單片機(jī)(MCU)協(xié)調(diào)各部分電路工作，采樣紅外線信號(hào)后，不對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解碼，而直接根據(jù)該信號(hào)控制無(wú)線電發(fā)射器發(fā)送信號(hào)，節(jié)省了單片機(jī)開(kāi)銷。

圖4是無(wú)線電接收及紅外線發(fā)射器模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，利用單片機(jī)進(jìn)行地址譯碼和信息處理，可設(shè)置帶紅外線接口的設(shè)備，也可通過(guò)微型繼電器控制其他設(shè)備的電源。此模塊與無(wú)線電發(fā)射及紅外線接收器配套使用，為滿足控制要求，可選用多組此類模塊。

圖5是無(wú)線電數(shù)據(jù)DF發(fā)射電路圖，其工作頻率為315M，采用頻率穩(wěn)定度極高的聲表諧振器SAW穩(wěn)頻。DF發(fā)射電路中數(shù)據(jù)調(diào)制三極管Q1方便與固定編碼電路、單片機(jī)無(wú)縫連接，不必考慮編碼電路的工作電壓和輸出信號(hào)幅度值。該DF發(fā)射電路具有較寬的工作電壓范圍3-12V，當(dāng)電壓變化時(shí)發(fā)射頻率基本不變，保證無(wú)線電數(shù)據(jù)接收電路無(wú)需任何調(diào)整便能穩(wěn)定接收。

4系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證本文無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)圖8所示的測(cè)試系統(tǒng)，圖9紅外接收無(wú)線發(fā)射模塊實(shí)物圖。

表1、表2是該系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明對(duì)系統(tǒng)中各種家電的控制，在100m之內(nèi)均準(zhǔn)確，但在100m之外準(zhǔn)確度較差，部分信號(hào)的發(fā)出與接收出現(xiàn)故障，主控器無(wú)法接收到信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)法做出判斷及控制整個(gè)系統(tǒng)。

5結(jié)論

(1)利用普通遙控器和PC構(gòu)建新型學(xué)習(xí)型遙控器，該新型遙控器通用性強(qiáng)、存儲(chǔ)容量、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、管理方便；

(2)該無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)在100m內(nèi)可對(duì)各種叫家用電器進(jìn)行準(zhǔn)確控制；

(3)該無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)利用功能強(qiáng)大的PC和紅外線、無(wú)線電通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的無(wú)線智能控制，具有靈活性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)。