單片機(jī)及其接口技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

周麗華 李紹海 關(guān)鍵

摘要：本文結(jié)合單片機(jī)及其接口技術(shù)，論述單片機(jī)及其接口的特點(diǎn)，給出了其在智能家居中的應(yīng)用，并對(duì)智能家居系統(tǒng)的功能模塊各個(gè)組成部分進(jìn)行了描述，最后給出了在智能家居設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐過程中應(yīng)注意的一些問題，對(duì)智能家居的設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能家居；單片機(jī)；接口技術(shù)

隨著人們生活水平的提高，在家居生活中，智能設(shè)備的應(yīng)用越來越廣。智能家居的目的是讓家庭生活更加舒適、安全和便捷；其通過網(wǎng)絡(luò)信息等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)家用電器智能控制、緊急呼叫服務(wù)、安全門戶等功能，使其按照人們的設(shè)定或者意愿工作，而與人和家庭住所之間的距離的遠(yuǎn)近無關(guān)。智能化和遠(yuǎn)程控制是智能家居的兩大顯著特點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是無限網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合小型化單片機(jī)及其接口技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控家用電器的功能；實(shí)現(xiàn)家庭人員在緊急情況下，如突然的身體不適，可向其他家庭成員和預(yù)設(shè)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)發(fā)出呼救請(qǐng)求的功能；實(shí)現(xiàn)入戶門密碼鎖和指紋鎖的功能，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警功能等等，都變得非常容易和便捷。本文從總體介紹了單片機(jī)及其接口技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用，給出了一些遠(yuǎn)程控制和本地控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能家居的一種思路和方法，并提出了在實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)注意的問題。

1.單片機(jī)及其接口技術(shù)介紹

單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化，單片機(jī)可靠性高，可工作到106 ～107小時(shí)無故障[1]。單片機(jī)實(shí)際上是一個(gè)硬件系統(tǒng)，若要其發(fā)揮其功能，還需要有相應(yīng)的軟件運(yùn)行在其上。軟件的編寫采用匯編語言或者C語言，目前一般都采用C語言，因?yàn)镃語言的可讀性和可移植性都比匯編語言強(qiáng)。

單片機(jī)的接口（Interface）是指具有特殊功能硬件電路，其功能為把其獲得的信息轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可讀的數(shù)據(jù)。一般來講，有輸入接口，也有輸出接口；有模擬輸入輸出接口，也有數(shù)字輸入輸出接口等等。這些接口根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求來使用。

2.智能家居功能模塊的組成

智能家居（Smart Home），是融合了智能控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通訊技術(shù)于一體的具有網(wǎng)絡(luò)化、人性化、智能化等特點(diǎn)的家居控制系統(tǒng)，是以家居住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境[2]。智能家居控制系統(tǒng)的組成見圖1。圖1可見，用戶通過人機(jī)交互通道和單片機(jī)智能家居控制模塊進(jìn)行交互，可以是查詢控制對(duì)象的狀態(tài)，也可以設(shè)置控制對(duì)象的運(yùn)行模式。

單片機(jī)智能家居控制模塊得到用戶的指令（查詢、設(shè)置）后，通過自身的輸入輸出接口，獲得相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)和控制對(duì)象工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用戶的指令，完成相應(yīng)的操作。在特殊情況下，家庭成員在家居中出現(xiàn)緊急情況，如突然的身體不適，通過按下相關(guān)的緊急按鈕，單片機(jī)智能家居控制模塊捕捉到這個(gè)信息后，可自動(dòng)向其他家庭成員和預(yù)設(shè)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)發(fā)出呼救請(qǐng)求的功能，使家庭成員及時(shí)得到幫助；另外，居家室內(nèi)在系統(tǒng)開啟防盜模式后，單片機(jī)智能家居控制模塊可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)非法入侵信號(hào)，一旦捕捉到這個(gè)信號(hào)后，可以向110警方報(bào)警，并通知家庭成員，并在居室內(nèi)采用聲光報(bào)警，震懾非法入侵，起到防盜的作用。

2.1 人機(jī)交互通道

人機(jī)交互通道在智能家居控制系統(tǒng)中起到用戶和單片機(jī)智能家居控制模塊的數(shù)據(jù)交互的作用。這個(gè)通道可以采用語音、紅外通訊[3]、zigbee、藍(lán)牙、WiFi、有線網(wǎng)絡(luò)、射頻、指紋、數(shù)字密碼、按鍵等形式，目的是將用戶的要求，通過這個(gè)通道，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)智能家居控制模塊能夠理解的指令形式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能控制。

緊急按鈕是個(gè)在非正常狀態(tài)下使用的一個(gè)交互，這個(gè)按鈕是在家庭成員緊急時(shí)使用的，是在居室內(nèi)部，比如老人睡床旁，客廳沙發(fā)邊等，這個(gè)交互相對(duì)簡(jiǎn)單，是一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，一旦信號(hào)觸發(fā)，單片機(jī)智能家居控制模塊就會(huì)得到這個(gè)信號(hào)，并且這個(gè)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)較高，單片機(jī)智能家居控制模塊就會(huì)通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的家庭成員電話號(hào)碼和預(yù)設(shè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的號(hào)碼，進(jìn)行電話呼出（預(yù)制的語音內(nèi)容），同時(shí)短信發(fā)出相關(guān)信息，達(dá)到緊急求援的目的，這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)可以借助于GSM通訊模塊來實(shí)現(xiàn)。

密碼鍵盤和指紋一般是指家庭的入室門的控制。隨著人們生活水平的提高，很多家庭將入室門傳統(tǒng)的機(jī)械鎖更換成密碼鎖或者指紋鎖，這就為智能家居的控制提供了新的管理對(duì)象。一旦密碼鎖或者指紋鎖的開鎖次數(shù)達(dá)到一定的次數(shù)后，單片機(jī)智能家居控制模塊得到這個(gè)信息后，通過GSM通訊通知家庭成員，讓家庭成員處理，可以選擇報(bào)警或者不報(bào)警。

紅外通訊、Zigbee、藍(lán)牙、WiFi、有線網(wǎng)絡(luò)、射頻等均是一個(gè)數(shù)據(jù)通道，用戶可以對(duì)居家內(nèi)的控制對(duì)象進(jìn)行控制。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)通道，紅外通訊、Zigbee、藍(lán)牙通訊技術(shù)一般距離較短，紅外通訊，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中容易受到障礙物的影響，藍(lán)牙技術(shù)一般傳輸距離在10m-15m，而zigbee技術(shù)一般需要中繼才能傳得更遠(yuǎn)，這三種人機(jī)交互通道，一般是在室內(nèi)使用，像目前應(yīng)用較為廣泛的電視機(jī)遙控器、空調(diào)遙控器，都是采用紅外通訊的；而藍(lán)牙音響等都是藍(lán)牙技術(shù)控制的。WiFi、有線網(wǎng)絡(luò)、射頻是數(shù)據(jù)可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆绞?，WiFi和有線網(wǎng)絡(luò)我們比較熟悉，而且在國內(nèi)的應(yīng)用較為廣泛，手機(jī)、電腦都可以在其上鏈接，網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用數(shù)以萬計(jì)，無論你在地球上什么地方，只要有網(wǎng)絡(luò)，就可以找到你的居家，可以控制你想要控制的對(duì)象。射頻技術(shù)（RF）是Radio Frequency的縮寫。較常見的應(yīng)用有無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID），常稱為感應(yīng)式電子晶片或近接卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子標(biāo)簽、電子條碼等[4]。目前應(yīng)用較廣的是射頻卡，在家庭應(yīng)用中主要在門禁上使用。

2.2 系統(tǒng)核心

系統(tǒng)核心部分由單片機(jī)智能家居控制模塊、溫度、濕度、煙霧、防盜等傳感單元，電話呼叫系統(tǒng)（預(yù)制的電話號(hào)碼和醫(yī)療機(jī)構(gòu)、110）等組成。單片機(jī)智能家居控制模塊是由單片機(jī)及其接口組成，并且在其中內(nèi)置了應(yīng)用程序。單片機(jī)在軟件的控制下，可以實(shí)現(xiàn)判斷、比較、執(zhí)行某項(xiàng)動(dòng)作（開關(guān)機(jī)）、獲取某個(gè)傳感器信號(hào)等。整個(gè)智能家居系統(tǒng)控制，由單片機(jī)智能家居控制模塊來完成。溫度、濕度、煙霧、防盜[5]等是一系列傳感器，指示家居的環(huán)境狀態(tài)和安全狀態(tài)，其測(cè)量的信息被單片機(jī)智能家居控制系統(tǒng)獲取，使單片機(jī)智能家居控制系統(tǒng)對(duì)家居的環(huán)境狀態(tài)有一個(gè)較為全面的了解。隨著科技額進(jìn)步，這些傳感器還會(huì)增加，比如，現(xiàn)在的PM2.5，PM10傳感器，根據(jù)這個(gè)測(cè)量信號(hào)，可以控制室內(nèi)的凈化設(shè)備啟動(dòng)和停止，使家庭更加宜家。

2.3 智能家居控制對(duì)象

智能家居控制對(duì)象是單片機(jī)智能家居控制系統(tǒng)經(jīng)過分析判斷或者經(jīng)過指令控制，通過輸出部分控制的對(duì)象。這部分對(duì)象包括家電，像空調(diào)、冰箱、照明、門禁、供暖等，也包括由電機(jī)和軸承等部件組成的自動(dòng)窗簾。這部分控制有開關(guān)控制和運(yùn)動(dòng)控制，需要采用不同的接口和控制方式。

3實(shí)現(xiàn)智能家居過程中應(yīng)該注意的一些問題

智能家居控制使我們的生活更加舒適、更加便捷。由于在實(shí)際應(yīng)用過程使用了單片機(jī)及其接口技術(shù)，所以在設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐中要注意一些問題。

3.1 供電系統(tǒng)的冗余和供電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

居家的供電一般為220V，50Hz的交流供電，但在異常的情況下，可能會(huì)停電檢修，但智能家居系統(tǒng)是一個(gè)不間斷工作系統(tǒng)，這就需要采用供電冗余來解決這個(gè)問題，一般單片機(jī)系統(tǒng)都采用直流5V供電，一般采用直流UPS的方式提供給系統(tǒng)供電，一旦220V交流供電消失，直流供電在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)開始供電，使智能家居系統(tǒng)保持正常的工作狀態(tài)。

在智能家居系統(tǒng)的運(yùn)行工程，應(yīng)當(dāng)考慮對(duì)電池的電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即時(shí)掌握電池電量，并對(duì)電池供電的時(shí)間（根據(jù)電池電量和系統(tǒng)功耗換算）進(jìn)行估算，即時(shí)報(bào)告用戶電池電量的情況，提示用戶做進(jìn)一步處理。

3.2 單片機(jī)軟件運(yùn)行可靠性設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件在運(yùn)行的過程中可能會(huì)受到來自供電，輸入輸出信號(hào)的干擾，導(dǎo)致程序“跑飛”，而使整個(gè)系統(tǒng)不能按照軟件設(shè)定的過程和步驟工作，這是需要結(jié)合WatchDog技術(shù)，軟硬件結(jié)合，技術(shù)發(fā)現(xiàn)軟件“跑飛”情況，通過硬件系統(tǒng)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)軟件重新回到正常的過程中來。這個(gè)過程中，要將智能家居系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)保護(hù)好，軟件重新回到正常過程中，將恢復(fù)智能家居系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。

3.3輸出控制部分電磁干擾的消除

智能家居系統(tǒng)的輸出部分控制，一般是家用電器的啟停。家用電器中由于負(fù)載的類型不同，如感性負(fù)載居多，導(dǎo)致在電器啟停過程會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，可能會(huì)對(duì)其它電器設(shè)備或者單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。設(shè)計(jì)時(shí)是考慮抗干擾措施，比如采用吸收電路、隔離電路等降低干擾的影響，單片機(jī)供電上采用TVS器件，減少脈沖群和其它干擾的影響。

3.4 人機(jī)交互安全性設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合較為緊密，這就產(chǎn)生了一個(gè)人機(jī)交互安全問題。在智能家居系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)考慮采用加密算法用戶認(rèn)證，并且采用硬件減少或者避免網(wǎng)絡(luò)攻擊對(duì)智能家居系統(tǒng)的影響。

4 結(jié)語

隨著人民生活水平的提高，對(duì)智能家居的需求會(huì)越來越多，智能家居為人們提供便利，舒適的生活。單片機(jī)及其接口技術(shù)以其可靠性、成熟性，在智能家居中應(yīng)用會(huì)更廣泛。本文論述的單片機(jī)及其接口技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用，并對(duì)智能家居系統(tǒng)的功能模塊各個(gè)組成部分進(jìn)行了描述，最后給出了在智能家居設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐過程中應(yīng)注意的一些問題，對(duì)智能家居的設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]https：//baike.so.com/doc/30473-31769.html

[2]趙健百.智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2018（03）：174-175

[3]王素芹，程連生. 基于單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)的研究[J]. 中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（16）：156

[4]https：//baike.so.com/doc/5540626-5756291.html

[5]單興巧. 基于單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)—傳感器信號(hào)采集、GSM模塊和紅外學(xué)習(xí)遙控設(shè)計(jì)與分析[J]. 好家長(zhǎng)，2018（15）：236