智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈斌濤，周源源

（蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215325）

1 引言

生活質(zhì)量的提高使人們對(duì)住宅環(huán)境的要求也越來越高，從而促成了智能家居技術(shù)的誕生與發(fā)展。智能家居本質(zhì)就是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)建立一個(gè)家庭綜合服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，包含家庭安防系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)和家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的采集、輸入、輸出以及集中控制，以實(shí)現(xiàn)家居智能化、便捷化、高效化、舒適化的目的。

2 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

這套智能家居控制系統(tǒng)主要基于51單片機(jī)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)家中燈光、家電等設(shè)備的控制，并且支持無線及有線的接入。它完全開源，方便自行擴(kuò)展系統(tǒng)。系統(tǒng)由控制主機(jī)、燈光控制模塊、插座控制模塊、ID卡門禁模塊、環(huán)境信息感知模塊、藍(lán)牙通訊模塊、紅外發(fā)射模塊以及電源和集線器構(gòu)成。系統(tǒng)實(shí)物圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體實(shí)物

2.1 智能家居控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)程及通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

綜合供電與通訊要求的考慮，主機(jī)通過收發(fā)令牌控制總線上各從機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)，從而避免總線數(shù)據(jù)的擁堵及干擾?？偩€采用四線結(jié)構(gòu)連接各模塊設(shè)備，對(duì)于有線通訊的模塊實(shí)行總線供電。但是總線線材存在內(nèi)阻，模塊獲得的實(shí)際電壓會(huì)隨著用電器電流波動(dòng)而發(fā)生波動(dòng)，從而引起單片機(jī)重啟或者發(fā)生程序跑飛等狀況。為了解決這一問題，使用了LM7805三端穩(wěn)壓管來實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊核心電路的穩(wěn)壓（圖2）。同時(shí)將總線電壓提升到了12V，這樣理論上可以實(shí)現(xiàn)總線在200mA下正常供電。LM7805輸入輸出端也加入了濾波電容，從而獲得高質(zhì)量的直流電。

圖2 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換順序示意

2.2 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)通訊協(xié)議

參照PROFIBUS總線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較小的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套簡化的總線通訊結(jié)構(gòu)，見圖3、圖4。

圖3 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖4 數(shù)據(jù)包基礎(chǔ)構(gòu)成

其中，目標(biāo)地址用于記錄接收此數(shù)據(jù)的設(shè)備地址，數(shù)據(jù)長度用于記錄數(shù)據(jù)包的長度。數(shù)據(jù)包中記錄著相應(yīng)的數(shù)據(jù)，操作碼用于標(biāo)記本數(shù)據(jù)包的用途，操作數(shù)則是用于具體的操作。不同的操作碼對(duì)應(yīng)者不同的操作，程序通過識(shí)別操作碼的值，判斷數(shù)據(jù)包的類型并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.3 令牌控制

由于串口特殊的雙線全雙工收發(fā)模式，主機(jī)在同一時(shí)間只可以接收一個(gè)從機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，為了避免總線的擁堵，保證同一時(shí)間只有一對(duì)設(shè)備進(jìn)行通訊，所以選用令牌對(duì)總線進(jìn)行控制。令牌由主機(jī)發(fā)出，只有接收到令牌的從機(jī)才可以向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（圖5）。

圖5 令牌控制基本原理

主基本操作操作方法為：主機(jī)發(fā)出空令牌，從機(jī)接收到空令牌后如果有需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成就結(jié)束，無需回復(fù)令牌。如果無數(shù)據(jù)發(fā)送，則將空令牌第四字節(jié)改為本機(jī)地址后發(fā)出。主機(jī)在發(fā)出令牌后自動(dòng)對(duì)總線進(jìn)行監(jiān)聽，等待數(shù)據(jù)接收。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)幀不是令牌時(shí)，根據(jù)操作碼的類型做出相應(yīng)動(dòng)作。如果接收到的依然是令牌，則知道該從機(jī)無數(shù)據(jù)，主機(jī)會(huì)向下一個(gè)地址發(fā)送令牌，按照地址順序不斷循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的控制。

在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，對(duì)很多簡單的指令如果都采用普通操作碼進(jìn)行操作會(huì)比較累贅。于是我們?cè)谄胀ú僮鞔a基礎(chǔ)上規(guī)定了新的快速操作碼。

3 智能家居控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 燈光控制模塊

燈光控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)燈光的本地開關(guān)及遠(yuǎn)程開關(guān)。面板由一個(gè)指示燈和一個(gè)薄膜按鍵組成。指示燈顯示當(dāng)前繼電器通斷狀態(tài)，即燈光狀態(tài)。模塊開關(guān)用于實(shí)現(xiàn)燈光的本地控制（圖6）。

圖6 模塊內(nèi)部電氣連接關(guān)系

使用繼電器模塊可以完成低壓直流電路對(duì)高壓交流電路的開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的通斷電控制。繼電器模塊自帶反向保護(hù)等功能，簡化開發(fā)過程。模塊專業(yè)的PCB設(shè)計(jì)可以保證系統(tǒng)具有良好的可靠性和安全性。

3.2 插座電源控制模塊

插座控制模塊用于控制插在插座上用電器是否通電，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)這些用電器的電源進(jìn)行控制。插座模塊控制的設(shè)備一般功率都比較大，安全期間所選用的繼電器模塊自帶光耦隔離，避免干擾。雙路繼電器模塊可以完成對(duì)兩個(gè)插座的控制，使得插座面板上的三孔和兩孔插座單獨(dú)進(jìn)行通斷操作。

3.3 ID卡門禁模塊

模塊面板包含刷卡器、指示燈1、指示燈2。其中刷卡器內(nèi)嵌入有線圈，用于和ID卡進(jìn)行通訊。指示燈1顯示當(dāng)前狀態(tài)。紅色表示當(dāng)前門處于上鎖狀態(tài)，反之為綠色。指示燈2表示當(dāng)前讀卡狀態(tài)。藍(lán)色表示等待讀卡。將ID卡靠近，如果ID有效，指示燈2顯示綠色，并伴隨一聲蜂鳴器長響。之后門鎖狀態(tài)取反，指示燈1顯示與刷卡前相反顏色。如果ID卡無效，指示燈2顯示紅色，并伴有兩聲短暫蜂鳴器響聲。門狀態(tài)不變，指示燈1顯示不變。當(dāng)模塊接收到遠(yuǎn)程鎖門指令后，蜂鳴器發(fā)出3聲短暫響聲，之后門鎖進(jìn)入鎖狀態(tài)，指示燈1顯示紅色。

3.4 環(huán)境信息感知模塊

環(huán)境信息感知模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的感知。模塊中包含溫度傳感器、濕度傳感器以及氣壓傳感器?？梢垣@得環(huán)境的溫度、濕度以及氣壓數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)精確的濕度、氣壓和溫度數(shù)據(jù)，我們分別選用了GY－65氣壓模塊和DHT11濕度模塊。

3.5 藍(lán)牙通訊模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)系統(tǒng)中各設(shè)備的無線控制。手機(jī)端安裝客戶端后，通過藍(lán)牙與該模塊配對(duì)。配對(duì)后通過客戶端軟件上的按鈕發(fā)送相關(guān)代碼，模塊進(jìn)行處理后變成模塊中通用的指令發(fā)送給主機(jī)，并采取相應(yīng)動(dòng)作。軟件功能類似PC端超級(jí)終端或串口助手功能，我們使用了其中的按鍵 模式。該模式提供了9個(gè)可定義按鍵。按下相應(yīng)按鍵發(fā)送對(duì)應(yīng)字符串或者ASC碼，對(duì)按鍵進(jìn)行定義后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中其他模塊的控制。

3.6 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家中紅外遙控設(shè)備的控制，拓展系統(tǒng)控制范圍。模塊主要功能是將主機(jī)發(fā)出的控制指令翻譯為家電對(duì)應(yīng)的紅外碼，并通過自帶的紅外發(fā)光二極管發(fā)送給家電。這里我們以運(yùn)用日本NEC的制式。當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后，遙控器發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的38kHz紅外方波，這些高低點(diǎn)評(píng)構(gòu)成紅外碼。

3.7 控制主機(jī)及PC客戶端

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度與控制，就需要一個(gè)控制主機(jī)用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，于是我們?cè)O(shè)計(jì)了這樣一個(gè)主機(jī)。主機(jī)自身帶有LCD顯示屏，可以顯示系統(tǒng)所有模塊的狀態(tài)信息。主機(jī)同時(shí)帶有USB接口，可以連接電腦并使用PC端控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制及監(jiān)視。主機(jī)程序流程圖如圖7。

4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)軟件實(shí)現(xiàn)

串口總線雖然沒有CAN總線運(yùn)用廣泛，但對(duì)于單片機(jī)而言，依靠自帶串口功能很容易實(shí)現(xiàn)。工作方式2波特率固定，工作方式3波特率可調(diào)。所謂9位串口就是串口每次發(fā)送或者接收的數(shù)據(jù)都是9位。串口數(shù)據(jù)的前八位都通過寄存器SBUF進(jìn)行發(fā)送或接收。第9位數(shù)據(jù)則存放在SCON中的RB8位或TB8位。

圖7 主機(jī)程序流程

串口工作在方式3時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入多機(jī)通訊模式。發(fā)送的數(shù)據(jù)均為9位。最高位也就是第9位是數(shù)據(jù)和地址的標(biāo)志位。第9位為1時(shí)，表示當(dāng)前發(fā)送的是地址，為0時(shí)表示當(dāng)前發(fā)送的是數(shù)據(jù)。所有單片機(jī)都會(huì)接收地址，并會(huì)和自身的地址進(jìn)行比較。如果比較結(jié)果一致，則將Sm2置0，等待接收數(shù)據(jù)。接收完成后Sm2置1，重新等待接收地址。如果比較結(jié)果不一致，則Sm2保持1不變。之后單片機(jī)會(huì)對(duì)第9位為0的所有數(shù)據(jù)自動(dòng)忽略。即使收到也不會(huì)產(chǎn)生接收中斷，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊（圖8）。

圖8 數(shù)據(jù)發(fā)送、接收程序流程

發(fā)送函數(shù)用于將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送出去。函數(shù)會(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)幀組裝；串口中斷處理函數(shù)用于在串口接收到數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷時(shí)做出相應(yīng)的響應(yīng)，單片機(jī)在產(chǎn)生中斷后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)中；牌分配及處理函數(shù)用于分配和處理令牌數(shù)據(jù)。主機(jī)在程序中會(huì)按照地址順序逐個(gè)發(fā)送令牌，從機(jī)接收的令牌后根據(jù)自己的需要發(fā)送相應(yīng)的令牌或者數(shù)據(jù)給主機(jī)。在該函數(shù)中主要完成對(duì)令牌的分配以及對(duì)從機(jī)回復(fù)的程序做出相應(yīng)處理。

函數(shù)中根據(jù)操作碼的不同調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)快速操作。快速操作函數(shù)用于處理快速操作指令。狀態(tài)上報(bào)函數(shù)用于將本機(jī)的狀態(tài)字節(jié)打包成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主機(jī)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)各從機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。選用了PROTUES平臺(tái)進(jìn)行仿真，在元件庫中直接選擇AT89C51單片機(jī)連接后就可以實(shí)現(xiàn)仿真。使用軟件自帶的串口工具可以對(duì)串口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過主機(jī)的令牌控制，成功避免了主從結(jié)構(gòu)信道擁堵的問題。

5 結(jié)語

智能家居控制系統(tǒng)完成了計(jì)劃的所有功能，可以實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程的開關(guān)量控制和模擬量數(shù)據(jù)采集。在后期調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)缺陷，包括通訊口必須嚴(yán)格接線，若將電源線錯(cuò)誤接入通訊線會(huì)造成系統(tǒng)大規(guī)模損壞，未來需要重新設(shè)計(jì)，將TTL電平轉(zhuǎn)換為其它高電壓電平后接入總線，以避免這一狀況。另外所有接入總線的設(shè)備都必須正常供電，若有設(shè)備被斷電，會(huì)造成總線被強(qiáng)制拉低，引起系統(tǒng)癱瘓，自檢程序也無法檢出錯(cuò)誤，需要人工檢查。這將會(huì)作為系統(tǒng)下一步改進(jìn)的目標(biāo)。

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