在智能家居中基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燈光控制的研究與應(yīng)用

王洋洋，郭 斌，孫 偉

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

目前在家庭中使用的開關(guān)大多為墻壁開關(guān)，墻壁內(nèi)埋線工程非常復(fù)雜，出現(xiàn)問題不易解決，且老人、兒童、殘疾人使用起來不方便。光線是自然醒的必要條件，通過燈光喚醒，人們逐漸從熟睡過渡到淺睡，直到醒來。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以使用無線方式實現(xiàn)物與物之間的感知、通信和相互控制，可以解決上述問題，并給人們帶來更多的便利。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)喚起了信息技術(shù)行業(yè)的第三次浪潮[1]，國內(nèi)外政府和一些企業(yè)都特別重視物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。它包含了傳感器，通信，計算機等多項技術(shù)，用途十分廣泛[2]，涉及到門禁管理，工業(yè)檢測，環(huán)境保護，智能交通，城市管理，溯源管理等各方面的應(yīng)用[3]。在家居使用中，海爾正在推廣U-home物聯(lián)網(wǎng)智能家居戰(zhàn)略，通過使用ZigBee協(xié)議使冰箱、攝像頭、空調(diào)等與Haier設(shè)備相連[4]。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通信和控制開關(guān)的研究也相對較少，由于房屋中使用頻率最高的電器設(shè)備大多是照明系統(tǒng)，所以本設(shè)計以控制照明系統(tǒng)為研究對象，實現(xiàn)多種無線控制方式，為后期的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居智能設(shè)備的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計簡介

系統(tǒng)主要由藍牙接收模塊、GSM接收模塊、驅(qū)動繼電器模塊、變壓模塊、定時設(shè)置模塊等部分組成。通過藍牙、GSM接收模塊向單片機傳送指令，1602液晶顯示屏顯示時間，揚聲器給予時間提醒，經(jīng)各模塊相互配合工作實現(xiàn)無線控制燈光的控制功能，燈光控制系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 燈光控制系統(tǒng)的功能圖Fig.1 Function diagram of light control system

3 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為系統(tǒng)的主控芯片，DS12C887+時鐘芯片配合其工作，采用SP2338DP多串口擴展芯片作為藍牙模塊、GSM模塊與單片機串口相連的橋梁。利用單片機對接收到的指令進行判斷，該系統(tǒng)還增加了芯片組PT2262/2272，經(jīng)放大電路配合常開型繼電器完成相應(yīng)的控制，通過串聯(lián)IN4007二極管，用以完成電壓的變化，從而起到調(diào)節(jié)燈光的亮度狀態(tài)，實現(xiàn)了無線控制燈光系統(tǒng)的功能。原理圖設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的原理圖Fig.2 The schematic diagram of the system

3.1 藍牙模塊、GSM模塊與單片機連接

藍牙和GSM模塊使用串口與單片機通信，本系統(tǒng)中STC12C5A60S2單片機僅提供一個UART串口，利用SP2338DP多串口擴展器，可以解決藍牙模塊、GSM模塊不能同時與單片機串口相連的問題。

藍牙模塊是無線控制系統(tǒng)的重要組成部分，其通信協(xié)議采用藍牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，核心模塊使用HC-07從模塊，引出接口包括 STATE、EN、VCC、GND、TXD、RXD 連接單片機串口[5]。藍牙模塊RXD端連接SP2338DP的TX0端；藍牙模塊TXD端連接SP2338DP的RX0端；藍牙模塊5 V端連接電源模塊的5 V端；藍牙模塊GND端連接電源模塊的GND端。

GSM模塊通過RS-232接口與設(shè)備相連，經(jīng)過單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232芯片處理后，將信號傳給多串口擴展芯片SP2338DP，其中MAX232的T2IN端連接SP2338DP的TX1端；MAX232的R2OUT端連接SP2338DP的RX1端。詳細連接方式如圖3所示。

3.2 手機APP和短信發(fā)送端模塊

在通過手機藍牙方式發(fā)送指令之前，手機需要安裝Arduino連接程序，打開安裝好的APP并與藍牙模塊連接，藍牙模塊上的LED指示藍牙連接狀態(tài)，閃爍時表示沒有連接，常亮?xí)r表示藍牙已經(jīng)連接成功并打開了端口。當(dāng)該用戶首次連接時，手機會彈出要求輸入配對密碼窗口，手動輸入密碼就可以連接藍牙模塊，以后再次連接則會自動配對。在手機端輸入 ‘on’、‘high’、‘low’、‘off’、‘y5’、‘y30’‘open’、‘close’等字符，系統(tǒng)即可實現(xiàn)控制燈光的狀態(tài)，其中8個字符分別用于控制A燈的打開、強光、弱光、關(guān)閉、延時5秒后自動關(guān)閉、延時30秒后自動關(guān)閉、打開B燈、關(guān)閉B燈。單片機接收到數(shù)據(jù)之后將原數(shù)據(jù)返回給手機APP并在屏幕顯示，以確認指令是否發(fā)送成功。若此時手機藍牙發(fā)送端與系統(tǒng)的藍牙接收模塊的距離超出可接收信號的范圍，可通過編輯短信發(fā)送指令至GSM接收模塊，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3.3 紅外控制模塊

通過芯片組PT2262/2272紅外遙控的無線控制方式與燈光系統(tǒng)直接相連，采用鎖存輸出PT2272解碼芯片，只要接收端成功的接收到相應(yīng)指令，系統(tǒng)設(shè)備就能一直保持對應(yīng)的電平狀態(tài)，直到再次接收到不同的指令，才發(fā)生電平狀態(tài)的改變。在遙控端按下‘A’、‘B’、‘C’、‘D’4 個按鈕中的一個，系統(tǒng)即可實現(xiàn)控制燈光的狀態(tài)，其中四個字符分別用于控制A燈的打開、強光、弱光、關(guān)閉。

圖3 藍牙模塊、GSM模塊與單片機連接示意圖Fig.3 Bluetooth module，GSM module and MCU connection diagram

3.4 定時控制模塊

設(shè)計采用DS12C887+時鐘芯片，該芯片可用于產(chǎn)生日期、星期、時間等信息，控制芯片可通過自動采集它的時間信息來控制定時。利用模塊上的S1、S2、S3、S4 4個按鍵，系統(tǒng)即可實現(xiàn)定時控制的設(shè)定[6]。當(dāng)系統(tǒng)到達定時提醒時刻，處理器立即向P2.3輸出低電平，經(jīng)放大電路驅(qū)動揚聲器進行聲音提醒，并同時向P2.6輸出低電平，經(jīng)放大電路驅(qū)動B燈工作，此時燈光與蜂鳴器同時工作，若只需要關(guān)閉揚聲器報警可通過手機APP端發(fā)送相應(yīng)的字符如：‘shut’、‘douse’或通過按下設(shè)備上S5按鍵關(guān)閉燈光和揚聲器報警。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計及流程圖

依據(jù)功能，系統(tǒng)軟件可劃分為如下模塊：

1）系統(tǒng)初始化，包括串口初始化模塊，數(shù)據(jù)初始化模塊，定時器初始化模塊，藍牙初始化模塊和GSM初始化模塊，如圖4所示。

系統(tǒng)初始化函數(shù)如下：

圖4 系統(tǒng)初始化流程圖Fig.4 Flow chart of the system initialization

2）短信發(fā)送指令模塊設(shè)計：通過手機編輯短信的形式發(fā)送相應(yīng)的指令字符到GSM接收端，經(jīng)過GSM模塊的RS232串口將接收到的指令提取出來傳給單片機并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3）藍牙接收指令模塊設(shè)計：藍牙模塊將接收到的指令經(jīng)模塊的RXD、TXD傳給串口擴展芯片SP2338DP，最終傳給單片機待處理，若單片機成功接收到指令，則通過程序判斷后執(zhí)行相應(yīng)的驅(qū)動繼電器操作，并選擇SP2338DP的RX0、TX0接收串口后，將接收到的指令重新發(fā)送給手機APP。如圖5所示。

圖5 接收指令流程圖Fig.5 Flow chart of the receive instruction

4）定時控制模塊設(shè)計：包括按鍵掃描、中斷控制的設(shè)計，若有按鍵按下，則開始設(shè)置提醒時間，設(shè)定成功并退出后屏幕顯示當(dāng)前時間，若到達預(yù)訂時刻，則啟動相應(yīng)繼電器照明，如圖6所示。

圖6 定時控制流程圖Fig.6 Flow chart of the timing control

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)在控制方面共由藍牙控制模塊，GSM控制模塊，紅外控制模塊和定時控制模塊4個部分組成。手機藍牙模塊控制燈光系統(tǒng)的有效距離大約10 m，只需簡單發(fā)送一個指令就可以很方便的在有效范圍內(nèi)進行操作。若超出藍牙設(shè)備的可接收范圍，GSM方式則可以彌補藍牙方式傳輸距離的不足。紅外控制模塊可以防止因手機發(fā)生故障時而無法操作設(shè)備，并且可以很方便的移植到家庭遙控器上，是以上兩種設(shè)備功能上的補充。用戶可根據(jù)需要對燈的光照強弱進行調(diào)整，也可通過設(shè)置延時的時長來減少關(guān)燈的操作，給夜晚起床的人們帶來了許多方便之處。通過使用定時功能，可以以聲、光等形式準(zhǔn)時的喚醒人們。本設(shè)計不但實現(xiàn)了燈光與定時器的結(jié)合，同時也實現(xiàn)了智能家居中的多種無線燈光控制，由此可推廣到操作房屋內(nèi)所有需要控制的設(shè)備，也為下一步開發(fā)更方便的基于物聯(lián)網(wǎng)的控制設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

[1]李金瑩，張日升，楊宏業(yè)，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)自動控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程，2014（21）:97-100.

[2]葛東，張國海，胡國棟，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].價值工程，2012（12）:182-183.

[3]程曼，王讓會.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].地理信息世界，2010（5）:22-28.

[4]荊艷艷.面向智慧家庭情境感知的物聯(lián)網(wǎng)信息融合技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[5]朱宇，李靜，岳勇.基于藍牙4.0的設(shè)備通信方案設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2014（19）:150-152，155.

[6]王洋洋，古麗米拉·克孜爾別克，張婧婧.基于單片機的智能時鐘控制裝置的設(shè)計[J].現(xiàn)代計算機，2013（8）:65-68.