自適應(yīng)智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡澤　謝小輝　葛亮　丁昕煒

摘 要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以B/TH765觸摸屏為人機(jī)界面，以飛思卡爾MC9S128MAA單片機(jī)為控制核心，以ZigBee無線模塊為傳輸媒介，完成對已知家用電氣設(shè)備的搜索控制和未知新設(shè)備的自適應(yīng)控制。在開發(fā)試驗(yàn)中，該設(shè)計(jì)采用發(fā)光二極管、小型繼電器等來代替實(shí)際使用中的燈光、電氣開關(guān)等。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了智能搜索電器、智能開關(guān)控制、自適應(yīng)燈光調(diào)節(jié)等功能。

關(guān)鍵詞： 智能家居； MC9S128MAA； ZigBee； 自適應(yīng)燈光調(diào)節(jié)

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0051?04

Abstract： A simple smart home control system was designed. The B/TH765 touch screen is taken as the human?machine interface of the system， Freescale MC9S128MAA as the microcontroller， and ZigBee wireless module as the transmission medium to complete the searching control of the known household electrical equipments and adaptive control of the unknown new equipments. In the development experiment， the lights and electrical switches in actual use are replaced by LEDs， small relays， etc. The experimental results show that the system can successfully realize the functions of equipments intelligent search， smart switching control， and adaptive light?control.

Keywords： smart home； MC9S128MAA； ZigBee； adaptive light?control

0 引 言

隨著科技的發(fā)展和人們居住生活水平的提高，家居智能化已成為一種必然趨勢。智能家居產(chǎn)品融合自動化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)于一體，將各種家庭設(shè)備（如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電等）通過智能家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動化，通過無線傳輸模式，實(shí)現(xiàn)對家居所有用電設(shè)備的分布式集中控制[1?2]。

智能家居現(xiàn)在正處于起步階段，智能家居受產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的限制，在短時(shí)間內(nèi)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，作為有益嘗試，本文基于分布式控制理論設(shè)計(jì)制作了一個(gè)自適應(yīng)智能家居控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)控制器自動搜索區(qū)域內(nèi)的智能電器、實(shí)現(xiàn)對搜索到的智能電器進(jìn)行開關(guān)控制和實(shí)現(xiàn)多個(gè)用電器的集中控制，包括定時(shí)控制、用電器間的邏輯控制。為了增強(qiáng)該控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性，智能家居系統(tǒng)中的燈光控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對外界光線的采集和自適應(yīng)調(diào)整。

1 分布式控制設(shè)計(jì)思想

該自適應(yīng)智能家居控制系統(tǒng)采用分布式控制理論來實(shí)現(xiàn)，它以人機(jī)交換界面為控制輸入的主要節(jié)點(diǎn)，以家用電器控制端為對象，在整個(gè)系統(tǒng)中所有控制節(jié)點(diǎn)地位平等；采用無嚴(yán)格的控制中心的控制理念，該控制方式是一個(gè)對等式控制網(wǎng)絡(luò)，無明顯的等級之分，該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸主要采用無線方式[3]；采用分布式控制最大的優(yōu)點(diǎn)是所有控制端節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開控制網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。分布式控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

該自適應(yīng)智能家居控制系統(tǒng)的硬件組成主要由人機(jī)交換界面、無線數(shù)據(jù)模塊、終端核心控制器等部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 人機(jī)交互界面

人機(jī)界面是用來監(jiān)控管理和處理各種信息的多功能顯示屏幕，是操作人員與機(jī)器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁。本設(shè)計(jì)采用信捷B/TH765系列觸摸屏，該型號觸摸屏具有7英寸顯示屏幕，流線型外觀設(shè)計(jì)6萬色真彩，支持BMP，JPEG格式圖片，除此之外它還有完善的校準(zhǔn)功能，該型號觸摸屏可以提供很好的人機(jī)交換界面，適合在家庭智能控制中應(yīng)用。

2.2 無線模塊

本次設(shè)計(jì)采用的無線模塊為順舟科技的SZ05系列Z?BEE嵌入式無線串口通信模塊，該模塊采用了加強(qiáng)型的ZigBee無線技術(shù)，該無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，它具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸，可組MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee技術(shù)譯為紫蜂技術(shù)，是一個(gè)有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)，被稱作IEEE 802.15.4（ZigBee）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、速率低、成本低、可靠性高，主要適用于自動控制領(lǐng)域，其可以嵌入到各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能[4?5]。

2.3 控制器

對于控制終端的設(shè)計(jì)，單片機(jī)是其核心器件，本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)與無線接收模塊的數(shù)據(jù)傳輸完成對終端家用電器設(shè)備的控制。在本設(shè)計(jì)中采用的是飛思卡爾MC9S128MAA單片機(jī)，作為新一代的雙核微控制器，擁有卓越的性能，堪比32位微控制器。S12X除了擁有主控CPU外，還擁有一個(gè)平行處理器XGATE模塊，該模塊是一個(gè)智能的、可編程的直接存儲器取存模塊，可以進(jìn)行中斷處理以及通信和數(shù)據(jù)預(yù)處理，并為其他任務(wù)釋放一部分CPU空間，從而提高了該芯片的整體性能[6]。

2.4 自適應(yīng)智能燈光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在智能家居控制系統(tǒng)中，燈光控制是一個(gè)很重要的組成部分，舒適、絢麗的燈光變幻會給家庭生活帶來溫馨、和諧的環(huán)境。在本次設(shè)計(jì)中，對于燈光系統(tǒng)主要采用了PWM脈寬調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對燈光變幻的控制。同時(shí)通過光敏電阻對外界光線的感應(yīng)，引起電壓的變化，通過單片機(jī)對其模擬信號的采集，再由飛思卡MC9S128MAA單片機(jī)集成的A/D轉(zhuǎn)換功能完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換，最終通過一定算法，完成相應(yīng)PWM調(diào)制波的輸出，完成室內(nèi)燈光自適應(yīng)控制。圖3為燈光系統(tǒng)電路圖[7?8]。

3 軟件設(shè)計(jì)

本軟件設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)和控制器的軟件設(shè)計(jì)以及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)總的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)開機(jī)初始化后，首先進(jìn)入人機(jī)界面，通過自適應(yīng)搜索到開機(jī)的家用電器。通過觸摸屏的觸摸輸入選擇要控制的電器。通過無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸及終端控制單片機(jī)的數(shù)據(jù)識別和處理，完成家用電器的控制并傳回?cái)?shù)據(jù)，在觸摸屏上顯示各參數(shù)。

3.1 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

（1） Touch Win簡介

Touch Win為TH系列觸摸屏提供了理想的編輯平臺，Touch Win編程軟件采用全中文操作界面，其操作具有良好的操作界面及簡單易學(xué)的開發(fā)編程界面，是TH系列最常用的開發(fā)軟件。對于一個(gè)觸摸屏開發(fā)過程，完整流程如圖5所示。

（2） 人機(jī)界面窗口設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的畫面窗口主要包括：開機(jī)界面、電器搜索界面以及各個(gè)電器控制界面。

3.2 控制終端軟件設(shè)計(jì)[9?10]

（1） 控制器開發(fā)環(huán)境簡介

控制器采用的開發(fā)環(huán)境是飛思卡爾公司研制的CodeWarrior開發(fā)環(huán)境，該軟件功能強(qiáng)大，CodeWarrior環(huán)境主要包括以下幾個(gè)模塊：編譯器、源代碼瀏覽器、構(gòu)造系統(tǒng)、調(diào)試器、工程管理器等。編輯器、編譯器、連接器和調(diào)試器是軟件開發(fā)的4個(gè)主要階段。其他的模塊用以支持軟件開發(fā)的主要過程。該集成環(huán)境是一個(gè)多線程應(yīng)用，能在內(nèi)存中保存狀態(tài)信息、符號表和對象代碼，從而提高了操作速度，進(jìn)行自動編譯以及鏈接。

（2） 主程序編寫

對于主程序的編寫采用C語言編寫的方式，主要由3個(gè)模塊構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)返回。

無線數(shù)據(jù)的采集采用同步串行通信方式，該方式主要采用SPI模塊。該模塊通過在CodeWarrior軟件中設(shè)置，采用9 600 b/s的波特率完成數(shù)據(jù)的傳輸，在主函數(shù)中使用AS1_RecvChar（）函數(shù)完成對無線傳輸數(shù)據(jù)的采集。

對于由光敏電阻構(gòu)成的電壓采集采用單片機(jī)集成的A/D轉(zhuǎn)換芯片完成。本次設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)所集成A/D采集精度為12位。可以很好地滿足本次設(shè)計(jì)的要求。

3.3 人機(jī)界面與控制終端的通信協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)觸摸屏與控制終端的無線傳輸，本系統(tǒng)設(shè)置了相應(yīng)的通信協(xié)議，其主要通信指令如表1所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

4.1 硬件電路調(diào)試

對Max232電路進(jìn)行檢測，通過觸摸屏發(fā)送無線數(shù)據(jù)，經(jīng)電腦的串口調(diào)試進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)測試符合要求。對控制終端單片機(jī)的最小系統(tǒng)進(jìn)行檢測，通過對光敏電阻進(jìn)行遮光和有光照的情況下，對A/D采集引腳進(jìn)行電壓測試，在有光情況下最大輸出為3 V，最小輸出為0.2 V，由于對燈光的自適應(yīng)控制采用脈寬調(diào)制技術(shù)，由單片機(jī)生成的PWM調(diào)制波可以隨光敏電阻的阻值發(fā)生明顯的變化，滿足設(shè)計(jì)要求。光敏電阻端電壓與調(diào)制波輸出關(guān)系經(jīng)測量如圖7所示。

4.2 軟件調(diào)試

觸摸屏開發(fā)軟件Touch Win具有在線模擬功能，通過該功能的模擬，在電腦上完全實(shí)現(xiàn)所需功能，通過下載進(jìn)觸摸屏，經(jīng)過相關(guān)測試，其功能滿足設(shè)計(jì)要求，具體測試如圖8所示。

4.3 結(jié)果分析

通過對硬件和軟件的測試，以及在正常環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際操作成功率的測試，測試結(jié)果表明，該智能家居控制系統(tǒng)的綜合性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其測試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)綜合測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)作為智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一次有益嘗試，通過利用人機(jī)界面以及控制終端來實(shí)現(xiàn)對家居電器的分布式智能控制。通過一系列的調(diào)試工作，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了控制器自動搜索區(qū)域內(nèi)的智能電器、實(shí)現(xiàn)了對搜索到的智能電器進(jìn)行開關(guān)控制；同時(shí)該系統(tǒng)還能自適應(yīng)的調(diào)節(jié)燈光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用電器的集中控制。

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