低成本智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of the Low-cost Smart Home System

馬　振1　宋雅慶2　王　珂2　陳祺超2

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所1，浙江 杭州　310000；江蘇師范大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院2，江蘇 徐州　221000)

低成本智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of the Low-cost Smart Home System

馬振1宋雅慶2王珂2陳祺超2

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所1，浙江 杭州310000；江蘇師范大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院2，江蘇 徐州221000)

摘要：鑒于現(xiàn)有智能家居產(chǎn)品存在的價(jià)格較高的問(wèn)題,為使智能家居得到推廣普及，對(duì)智能家居低成本實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究。方案以單片機(jī)為主控制器，以語(yǔ)音控制電路為輔助控制。傳感器測(cè)量電路構(gòu)成子模塊，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和相應(yīng)的控制。系統(tǒng)主要用于對(duì)家庭生活環(huán)境的監(jiān)測(cè)和對(duì)電器設(shè)備的系統(tǒng)自動(dòng)控制和語(yǔ)音識(shí)別控制，旨在讓家庭生活更加安全便捷。最終測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)外溫濕度、室內(nèi)空氣質(zhì)量、PM2.5、人體紅外體溫、防火防盜等的監(jiān)測(cè)，同時(shí)又降低了整體硬件成本。

關(guān)鍵詞：智能家居單片機(jī)傳感器語(yǔ)音控制無(wú)線(xiàn)傳輸

Abstract：At present, the existing products of smart home are all in higher prices, in order to widely popularize smart home, the low cost implementing strategy for intelligent household has been researched. In this strategy, single chip machine is used as the main controller, and the voice control circuit is working as auxiliary control. The sub-module is composed of sensor measurement circuits; data processing and appropriate control are realized through wireless transmission. The system is mainly used to monitor the environment of domesticity, and automatic control and voice recognition control of appliances, aims to make family life more secure and convenient. Through analyzing and processing the data from monitoring module, the result of final test shows that the system effectively realize the functions of monitoring the indoor and outdoor temperature and humidity, indoor AQI, PM2.5, human body infrared temperature, and fireproof and burglarproof monitoring, etc., in addition, the entire hardware cost is reduced.

Keywords：Smart homeSCMSensorVoice controlWireless transmission

0引言

物聯(lián)網(wǎng)的概念最初來(lái)源于美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)在1999年提出的網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)——把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理[1]。隨著生活節(jié)奏的加快，人們?nèi)找嫘枨蠹揖由畹闹悄芑?、自?dòng)化，進(jìn)而能從繁重的家務(wù)事中解脫出來(lái)。作為新興產(chǎn)業(yè)，智能家居(smart home)在物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的背景下應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線(xiàn)技術(shù)、通信技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)等有關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居設(shè)施的互聯(lián)，構(gòu)建智能的住宅設(shè)施管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)安全舒適且環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[2]。目前總體來(lái)說(shuō)，與智能家居有關(guān)的產(chǎn)品還處在起步發(fā)展階段，沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)理念。

如何使系統(tǒng)低成本、低功耗、自組織、高效率地運(yùn)行是現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中所要考慮的重要問(wèn)題[3]。國(guó)內(nèi)主流的智能家居產(chǎn)品在技術(shù)上還處在探索完善階段，功能上側(cè)重于理論研究,對(duì)普通消費(fèi)者而言實(shí)用性不大，同時(shí)智能家居產(chǎn)品價(jià)格也超出普通消費(fèi)者的承受能力。為了實(shí)現(xiàn)智能家居的普及，必須在降低價(jià)格的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品的功能實(shí)用化，避免華而不實(shí)。因此，本文提出并驗(yàn)證了一款低成本智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。方案以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸處理實(shí)現(xiàn)了家庭自動(dòng)化[4]，同時(shí)也大大降低了生產(chǎn)成本。

1系統(tǒng)概況

1.1　總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)物理構(gòu)架由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型無(wú)線(xiàn)連接[5]。傳感器網(wǎng)絡(luò)分為主控電路模塊、空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊、紅外測(cè)溫模塊、門(mén)窗防盜模塊、火災(zāi)檢測(cè)模塊、光控節(jié)能燈模塊、自動(dòng)窗簾模塊、繼電器控制模塊。由子模塊構(gòu)成的感知層[6]將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳送至主控電路,主控電路負(fù)責(zé)完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2　系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行，初始化完成后，會(huì)對(duì)各個(gè)子模塊發(fā)送數(shù)據(jù)刷新指令；在獲得各個(gè)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后，主控電路進(jìn)行相應(yīng)的處理并發(fā)送執(zhí)行命令。工作時(shí)，系統(tǒng)以固定周期刷新檢測(cè)數(shù)據(jù)。期間，系統(tǒng)可以執(zhí)行外部中斷程序或進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)置操作。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)工作流程圖

2系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1　主控電路

主控電路由51單片機(jī)作為處理控制器，在功能和價(jià)格上均能滿(mǎn)足要求。無(wú)線(xiàn)模塊由Nordic公司生產(chǎn)的NRF24L01及其外圍電路組成的。這樣既能完成類(lèi)似ZigBee的無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能，又可以降低成本。顯示電路采用LCD12864作為用戶(hù)與系統(tǒng)的互動(dòng)界面，輔以必要的操作按鍵。

語(yǔ)音控制電路是主控電路的輔助電路，采用ICRoute公司的一款非特定人語(yǔ)音識(shí)別專(zhuān)用芯片—LD332X。該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和相關(guān)外部電路，包括A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口等。語(yǔ)音指令格式，如“你好，開(kāi)燈”(其中“你好”為用戶(hù)預(yù)設(shè)語(yǔ)音，用于設(shè)備喚醒)，由主控電路發(fā)出無(wú)線(xiàn)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的語(yǔ)音控制。主控電路如圖3所示。

圖3　主控電路圖

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段將各模塊進(jìn)行地址編碼，數(shù)據(jù)發(fā)送采用廣播形式。各模塊在收到數(shù)據(jù)時(shí)判斷地址是否正確，否則丟棄。出于安全考慮，可以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密發(fā)送。

指令發(fā)送環(huán)節(jié)由主控電路發(fā)送指令碼，一個(gè)指令碼由四個(gè)字節(jié)構(gòu)成：地址高位、地址低位、指令碼高位、指令碼低位?？刂谱止?jié)組成框圖如圖4所示。

圖4　控制字節(jié)組成框圖

數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)由子電路發(fā)送數(shù)據(jù)碼，一個(gè)數(shù)據(jù)碼由四個(gè)字節(jié)構(gòu)成：地址高位、地址低位、數(shù)據(jù)碼高位、數(shù)據(jù)碼低位。數(shù)據(jù)字節(jié)組成框圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)字節(jié)組成框圖

主控電路硬件成本約300元。

2.2　空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊

空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊由室內(nèi)和室外兩部分組成。室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)采用MQ系列氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO、CO2、天然氣、煙霧的檢測(cè)。當(dāng)空氣質(zhì)量超標(biāo)時(shí)，主控電路會(huì)向繼電器控制模塊發(fā)送工作指令，進(jìn)行室內(nèi)換氣。MQ系列傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6　MQ系列傳感器結(jié)構(gòu)圖

工作原理：該傳感器需要施加2個(gè)電壓，加熱器電壓(UH)和測(cè)試電壓(UC)。UH用于為傳感器提供特定的工作溫度，UC則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻(RL)上的電壓(URL)。這種傳感器具有輕微的極性，UC需用直流電源。在滿(mǎn)足傳感器電性能要求的前提下，UC和UH可以共用同一個(gè)電源電路。該傳感器在不同氣體濃度下，其電導(dǎo)率隨測(cè)量氣體濃度的增加而增大。故可用通過(guò)測(cè)量傳感器電阻(Rs)阻值計(jì)算出待測(cè)氣體濃度。Rs的計(jì)算公式為：

Rs=(Uc/URL-1)RL

(1)

室外空氣質(zhì)量檢測(cè)主要對(duì)PM2.5進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)測(cè)量室外溫度、濕度。每小時(shí)將室外PM2.5濃度值、溫度、濕度數(shù)值傳送至主控電路并顯示。

空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊硬件成本約300元。

2.3　紅外測(cè)溫模塊

紅外測(cè)溫模塊主要用于家庭生活中體溫的快速測(cè)量，采用ZyTemp公司生產(chǎn)的TN901數(shù)字式紅外溫度傳感器。該型傳感器工作電壓為5 V，測(cè)量范圍為-33~220 ℃，測(cè)量精度±0.6 K，視場(chǎng)D∶S=1∶1，發(fā)射率為0.95，響應(yīng)時(shí)間1 s。

紅外測(cè)溫是基于黑體輻射定律，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。紅外溫度傳感器將紅外輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表現(xiàn)的紅外溫度進(jìn)行測(cè)量。TN901采用SPI總線(xiàn)接口，在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)完成環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度的測(cè)量，其數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

ItemMSBLSBSumCR

圖7SPI總線(xiàn)接口格式圖

Fig.7Interface format of SPI bus

圖7中，Item (4CH)為T(mén)obj (目標(biāo)溫度)；(66H)為T(mén)amb (環(huán)境溫度)；MSB為8 bit Data 最高有效位；LSB；8 bit Data 最低有效位；Sum為Item+MSB+LSB=Sum；CR(0DH)為數(shù)據(jù)結(jié)束位。

實(shí)際溫度計(jì)算公式為：

T=[Hex2Dec(MSB+LSB)]/16-273.15

(2)

紅外測(cè)溫模塊硬件成本約200元。

2.4　自動(dòng)窗簾模塊

自動(dòng)窗簾模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的四種控制：①定時(shí)開(kāi)關(guān)；②溫度和光強(qiáng)共同控制開(kāi)關(guān)；③手動(dòng)開(kāi)關(guān)；④語(yǔ)音控制。

自動(dòng)窗簾結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　自動(dòng)窗簾結(jié)構(gòu)圖

2.4.1定時(shí)開(kāi)關(guān)

定時(shí)開(kāi)關(guān)由用戶(hù)通過(guò)主控電路設(shè)置窗簾的開(kāi)合時(shí)間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DS1302時(shí)鐘芯片內(nèi)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到來(lái)時(shí)，由主控電路向窗簾模塊發(fā)送相應(yīng)的開(kāi)合指令。

2.4.2溫度和光強(qiáng)控制開(kāi)關(guān)

在該模式下，窗簾的開(kāi)合由溫度和光照強(qiáng)度控制，在室內(nèi)光線(xiàn)較暗時(shí)開(kāi)啟窗簾，在室內(nèi)溫度較高時(shí)關(guān)閉窗簾。通過(guò)DS18B20溫度傳感器和BH175光強(qiáng)傳感器采集溫度和光強(qiáng)值來(lái)控制窗簾開(kāi)關(guān)。

2.4.3手動(dòng)開(kāi)關(guān)

當(dāng)用戶(hù)不需要自動(dòng)操作時(shí)，系統(tǒng)為用戶(hù)提供紅外遙控模式。通過(guò)紅外遙控器，實(shí)現(xiàn)窗簾手動(dòng)開(kāi)合。

紅外遙控模式采用兩路繼電器控制電路，通過(guò)讀取紅外編碼，判斷是否開(kāi)合。由繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)窗簾電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2.4.4語(yǔ)音控制

用戶(hù)在此模式下可以通過(guò)語(yǔ)音控制實(shí)現(xiàn)窗簾開(kāi)關(guān)，且在同等條件下優(yōu)先級(jí)別最高。

自動(dòng)窗簾模塊硬件成本約600元。

2.5　火災(zāi)監(jiān)測(cè)模塊

該模塊以空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊為基礎(chǔ)，以檢測(cè)空氣中二氧化碳濃度和煙霧濃度判斷是否存在火災(zāi)隱患。

火災(zāi)監(jiān)測(cè)模塊硬件成本約50元。

2.6　門(mén)窗防盜模塊

門(mén)窗防盜模塊在工作時(shí)，通過(guò)紅外對(duì)管檢測(cè)門(mén)窗是否開(kāi)啟，同時(shí)用人體釋熱傳感器判斷是否有人。當(dāng)檢測(cè)到門(mén)窗被意外打開(kāi)時(shí)，主控電路通過(guò)對(duì)地址碼的判斷，在主屏上顯示開(kāi)啟門(mén)窗的信息。

門(mén)窗防盜結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　門(mén)窗防盜結(jié)構(gòu)圖

門(mén)窗防盜模塊硬件成本約150元。

2.7　光控節(jié)能燈模塊

光控節(jié)能燈是以室內(nèi)光線(xiàn)強(qiáng)度和人體釋熱傳感器探測(cè)范圍內(nèi)是否有人為判斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的調(diào)節(jié)。節(jié)能燈由多個(gè)高亮LED燈構(gòu)成，根據(jù)需求控制打開(kāi)燈的數(shù)量?？刂七^(guò)程具體如下：①在光線(xiàn)較暗時(shí)，由人體釋熱傳感器探測(cè)是否有人，有人則點(diǎn)亮所有燈；②當(dāng)光線(xiàn)偏亮?xí)r，由光強(qiáng)傳感器和人體釋熱傳感器共同決定燈的開(kāi)關(guān)和打開(kāi)燈的數(shù)量。同時(shí)也受語(yǔ)音控制，且在同等條件下，語(yǔ)音控制優(yōu)先級(jí)高。

光控節(jié)能燈結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10　光控節(jié)能燈結(jié)構(gòu)圖

光控節(jié)能燈模塊硬件成本約100元。

2.8　繼電器控制模塊

繼電器控制電路用于無(wú)線(xiàn)控制。當(dāng)接收到來(lái)自主控電路的開(kāi)啟或者關(guān)斷指令時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作，控制繼電器的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

繼電器控制結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11　繼電器控制結(jié)構(gòu)圖

繼電器控制模塊硬件成本約50元。

3結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種低成本智能家居實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭生活環(huán)境的監(jiān)測(cè)和電器設(shè)備的自動(dòng)控制，而且總體硬件成本在兩千元以?xún)?nèi)，符合預(yù)定目標(biāo)。從推廣角度上看，本系統(tǒng)價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯。

目前,我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈仍處于概念和探索階段,物聯(lián)網(wǎng)的整個(gè)技術(shù)構(gòu)架和產(chǎn)業(yè)模式尚未形成[7]，應(yīng)在國(guó)家、企業(yè)和學(xué)術(shù)三個(gè)層面運(yùn)營(yíng)和規(guī)劃[8]。作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，智能家居在將來(lái)有著廣闊的市場(chǎng)。現(xiàn)在部分廠家嘗試將 WiFi 模塊加入到空調(diào)、電視等家電設(shè)備中，搭建無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)[9]。在智能手機(jī)普及的今天，智能家居的發(fā)展必須將智能手機(jī)納入其中，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以采取類(lèi)似WiFi的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將智能家居系統(tǒng)同互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)相連。在具體功能上更加突出使用性，避免華而不實(shí)。產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計(jì)，由用戶(hù)按需選擇功能模塊。穩(wěn)定性和安全性也是設(shè)計(jì)過(guò)程中需要著重考慮的部分。最后，只有在價(jià)格上能被大眾接收，才能實(shí)現(xiàn)智能家居的普及。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫其博,劉杰,黎羴,等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(3):1-9.

[2] 俞文俊，凌志浩.一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究[J].自動(dòng)化儀表,2011,32(8):56-59.

[3] 李勇,趙劉陽(yáng),王平,等.智能家居無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2013,34(7):58-61.

[4] 高小平.中國(guó)智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].低壓電器,2005(4):18-21.

[5] 王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2009,23(12):1-7.

[6] 申斌,張桂青,汪明,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表,2013,28(2):6-10.

[7] 錢(qián)志鴻,王義君.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J].電子學(xué)報(bào),2012,40(5):1023-1029.

[8] 寧煥生,徐群玉.全球物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)若干思考[J].電子學(xué)報(bào),2010,38(11):2590-2599.

[9] 宋威,黃進(jìn),尹航,等.基于WIFI物聯(lián)網(wǎng)的家電智能控制系統(tǒng)信息控制端的研究[J].信息通信,2013(1):199-200.

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503013

2013國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：201310320004)。

修改稿收到日期：2014-08-27。

第一作者馬振(1992-)，男，現(xiàn)為杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所(715所)水聲工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生；主要從事數(shù)字信號(hào)處理、通信等方面的研究。