基于手機遠程遙控和物聯網技術的智能家居控制系統

admin 2015-08-03 09:22:15 0

一、項目概述

1.1 引言

21世紀是信息化的世紀，各種電信和互聯網新技術推動了人類文明的巨大進步。你是否想一踏入家門就是一個光照度和溫濕度舒適的環境，你是否在外邊擔心家里的安全，你是否想遙在外邊想通過一個簡單的電話就能控制家里的電器等。本文介紹的數字化家居控制系統可以使得人們可以通過手機或電話在任何時候、任意地點對家中的任意電器（空調、熱水器、電飯煲、燈光、音響、DVD錄像機）進行遠程控制；也可以在下班途中，預先將家中的空調打開、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯……；而這一切的實現都僅僅是打一個簡單的電話。該系統除了具有手機遠程控制功能后，還能通過自身的傳感器模塊感知外界環境的具體情況，并會根據實際情況進行適當的調整。在陰暗的天氣里，它會自動打開燈，并調整燈的亮度，在陽光充足的天氣里，它會自動關閉燈，或者將燈光調暗，并且與百葉窗配合來控制家里的光照度，由于本項目采用的是亮度可調的LED燈，所以對于節能和環保都有很大的意義。此外，該系統還可使家庭具有多途徑報警、遠程監控等多種功能，如果不幸出現某種險情，您和110可以在第一時間獲得通知以便進一步采取行動。舒適、時尚的家居生活是社會進步的標志，智能家居控制系統能夠在不改變家中任何家電的情況下，對家里的電器、燈光、電源、家庭環境進行方便地控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時尚的現代生活。

實現智能化離不開運算和控制單元，本系統采用AT32UC3A0512作為主控器件，單片機應用系統由硬件和軟件組成。硬件由單片機擴展的存儲器、輸入/出設備以及各種實現單片機系統控制要求的接口電路和有關的外圍電路芯片或部件組成；軟件由單片機應用系統實現其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組成。在單片機應用系統開發的過程中，應不斷調整軟、硬件，協調地進行軟、硬件設計，以提高工作效率，當系統硬件和軟件緊密配合、協調一致，就可以組成高性能的單片機應用系統。本課題完成了單片機應用系統其開發過程的系統的總體設計、硬件設計、軟件設計和系統調試，根據開發的實際需要，相互協調、交叉，有機的進行。本設計的MCU與各個芯片和模塊的接口、各項標準都嚴格遵循國家有關標準，為以后的產品化提供了良好的基礎。

本系統的手機遠程控制是基于電話交換網絡的國際雙音頻通信標準DTMF通信方式，程控交換信令作為系統控制命令，采用MT8870雙音頻編解碼電路實現，單片機通過MT8870識別來自手機的網絡的控制信號，用戶只需撥通家中的控制手機就可以根據系統的語音提示進行按鍵選擇以實現用戶身份的識別、遠程控制和安防操作；各種傳感器的檢測是利用數據采集系統將多路被測量值轉換成數字量，再經過單片機進行數據處理，實現實時測控；短消息發送部分采用基于SIEMENS TC35 GSM模塊TC35 modem 和TI公司的電平轉換芯片MAX3238等器件構成的移動終端的硬件電路可以完成短消息收發等功能。

在設計本系統時，面對各種檢測對象和大量控制單元，需要利用各種接口標準和MCU進行連接，再經過MCU進行數據處理，實現實時測控。而此時采用單片機來實現智能家居控制系統不僅具有采集控制方便、簡單、靈活等優點，而且可以大幅度提高采各模塊和芯片的協調性，從而大大提高系統的可利用性。此次系統設計統正是把MT8870、TC35 modem與AT32UC3A0512單片機有機的結合起來，順利的完成了本設計的要求。并且實現了學習型遠程紅外遙控功能，為控制紅外家電和設備提供了良好的基礎。本系統也可應用于工農業中,實現對無人值守崗位的遠程監控等。

1.2 項目背景/選題動機

21世紀是信息時代，各種電信新技術推動了人類文明的進步。自從1876年，Alexander Graham Bell（貝爾）發明電話以來，世界各國的電話網絡發展非常迅速，近十年來，中國的固定電話業務呈現出舉世矚目的快速增長。1997年8月局用電話交換機總容量突破1億門，網絡規模躍居世界第二位，2006年初固定電話用戶總數達到35539.2萬戶，移動電話用戶達到40407.2萬戶，現代電話網絡是由程控交換機進行交換傳輸，移動通信也從模擬時代走向了高度數字化時代，它們的性能已經有了很大的進展，而且可靠性非常高。

正是因為通信技術、計算機技術、網絡技術、控制技術的迅猛發展與提高，促使了家庭實現了生活現代化，居住環境舒適化、安全化。這些高科技已經影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習慣，提高了人們生活質量，家居智能化也正是在這種形勢下應運而生的。智能家居控制系統的主要功能包括通信、設備自動控制、安全防范三個方面。

隨著新技術和自動化的發展，傳感器的使用數量越來越大，功能也越來越強，各種傳感器都已經標準化、模塊化這給智能家居控制系統的設計提供極大方便。

手機遠程控制作為一較新的課題與常規的遙控方式相比，顯示出一定的優越性，不需進行專門的布線。同時，由于手機各地聯網，可以充分利用現有的手機網，因此遙控距離可跨省市，甚至跨越國家。另外手機屬雙工通信手段。因此，這可以大大體現出利用手機進行遙控的更大優越性。操作者可以通過各種提示音即時了解受控對象的有關信息，從而進行進一步的操作。手機遙控部分課題目前已有涉足者，但是只是還只限于實驗室階段，因而距離實際應用，尤其是對于日常生活尚有一定的差距，并不能完全體現出手機遙控方式的雙工通信特點。本設計正是針對這一點進行了較大改進，采取單片機智能控制，利用不同的提示音達到對于不同操作的提示及對受控方狀態的信息反饋，從而使操作者能夠及時了解受控方信息，使產品達到交互式與智能化。

短信息服務（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Comm unication）系統中提供的一種GSM終端（手機）之間，通過服務中心(service center)進行文本信息收發的應用服務，其中服務中心完成信息的存儲和轉發功能。短信息服務作為GSM網絡的一種基本業務，已得到越來越多的系統運營商和系統開發商的重視，基于這種業務的各種應用也蓬勃發展起來。由于GSM網絡在全國范圍內實現了聯網和漫游，具有網絡能力強的特點，用戶無需另外組網，在極大提高網絡覆蓋范圍的同時為客戶節省了昂貴的建網費用和維護費用。同時，他對用戶的數量也沒有限制，克服了傳統的專網通信系統投資成本大、維護費用高、且網絡監控的覆蓋范圍和用戶數量有限的缺陷。比傳統的集群系統在無線網絡覆蓋上具有無法比擬的優勢，加上GSM的SMS本身具備的數據傳送功能，都使得這些應用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統進行無線通信還具有雙向數據傳輸功能，性能穩定，為遠程數據傳送和監控設備的通信提供了一個強大的支持平臺。在此以GSM網絡作為數據無線傳輸網絡，它可以應用在銀行、儲蓄點機房監控、電信機房動力環境監控、通信行業遠端無人值守站機房監控和遠程維護（如移動通信基站、微波站、光纖中繼站等）及其他無人值守點（如倉庫、辦公樓等）監控及城市公用事業實時監控維護系統像煤氣調壓站、自來水、污水管網和熱力系統、電力系統城市中電網等情況中。在此本系統采用了Siemens公司新一代無線通信GSM模塊TC35是，它設計小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系統的設計。

另外本系統應用了當前最熱門的物聯網技術，在智能家居的終端控制設備和相應的節點上采用無線技術，準備應用zigbee或者rf模塊來達到無線化的理想家居環境。另外，智能樓宇在當今也算是一個比較新興的市場，國務院在十二五中就提到了物聯網，也提到了智能家居的發展方向以及重點公關，相信智能家居和物聯網等相關技術會在未來十年內得到很大的發展。

而且，在中國，智能家居的發展時間雖不長，但是從國內家電巨頭及網絡巨子的紛紛出手試水智能家居市場以及許多國際大企業對國內智能家居廠家并購案可以看出，中國智能家居市場潛在著巨大商機。全國房地產業蓬勃發展，小區智能化已成為一項基本要求，再配上智能家居，“全智能”的概念必然給房地產業帶來新的賣點和活力，因此“全智能”是二十一世紀房產開發商力推的主題，這也意味著，我國智能家居產業迎來發展契機。

中國富有階層正在形成，該部分家庭戶均年收入在5.6萬元以上，人口約4460萬人，1400多萬戶，占城市人口的10%，總人口的3.5%，占全社會消費購買力總和6萬億元的17%左右，因此主要針對這部分人的智能家居系統其市場總量為1400萬套。正是在這種情況下，近兩年來，智能家居系統的銷售數量和總銷售額都呈現連續攀升的勢頭，智能家居市場從南方沿海地區和內地大中型城市已經輻射到西部地區。我國2009年智能家居市場規模達到420億元，由于一系列向好因素的刺激作用，之后幾年市場規模增速將超過20%，2015年預計將達到1240億元。本項目正是居于此市場因素的考慮下，逐手組建智能家居終端控制系統的，因此具有較大的市場前景。

二、需求分析

2.1 功能要求

1.根據當前的環境溫濕度和光照度與預先設置的溫濕度和光照度，自動通過調整百葉窗，PWM控制的LED日光燈，空調和加濕器來對屋內環境進行調整，使得整體的環境達到最適宜狀態。

2.可以通過手機遠程控制家里的電器，用手機控制時候，通過語音芯片先前錄好的音，語音提示輸入密碼，輸入密碼正確后，會播放事前設置好的語音命令，例如空調請按1，電視請按2等，然后按進入以后會有相關的關閉和開啟提示，按下相應的按鍵將可以控制家里的電器。

3.能實現簡單的防盜和報警功能，并能采取簡單的處理，例如家里煤氣泄漏時候，能夠自動檢測到，并且打開抽氣機，并通過短信及時的報告屋主。能夠防止外來人入侵，實現熱釋電等來人檢測等。

4.能手動控制家里的LED燈光的亮暗程度，可以通過PWM來控制整體的燈，實現節能和減排，這也符合當今時代倡導的環保。

5.在電腦端能夠實現簡單的控制和檢測功能，可以通過遠程網絡節點對該設備進行操作。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

1.該系統能夠預留未來可能需要用到的電器的接口

2.該手機遠程控制器能夠方便使用和防止誤操作，能夠識別密碼和振鈴信號，只有輸入密碼正確的條件下才能對電器和系統控制。可以對密碼進行修改，但修改必須經過特殊手段，例如在控制臺端設置自鎖開關，如果要修改密碼，必須將該開關閉合，修改后，必須將該開關斷開才能正常工作。

3.該系統能夠滿足家庭用電安全，要求LED燈能夠進行手動調節亮度，另外要求該系統在設備不用時候能夠關閉設備，防止耗電。

4.利用熱釋電等系統，能夠實現代替門鈴等和部分防盜功能，要求有兩種模式，家里有人和家里無人模式，門磁開關也一樣。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

本文利用AT32UC3A0512、MT8870、TC35 modem和各類家居傳感器來實現相應的功能。

智能家居控制系統其硬件部分主要由五大部分構成，即手機遠程控制部分、控制單元、傳感器數據采集系統、GSM模塊TC35 modem與接口和電源部分。手機遠程控制部分主要由MT8870和電壓檢測元件組成，它是系統中控制部分關鍵的元件，它與控制單元組成控制部分功能；傳感器數據采集系統、GSM模塊TC35 modem和控制單元完成報警等信號的處理和發送；電源部分則為各個部分提供工作電源。

3.1.1系統硬件結構框圖

系統硬件結構框圖

3.1.2遠程控制設計與分析

系統控制器由MT8870接收遠端發送來的DTMF信號、并對其進行解碼，解碼后的信號由中央處理單元采集處理。為了方便用戶使用，系統設計了語音提示界面。手機遠程控制系統一般工作在無人值守環境，所以應具有自動離線、上線、復位功能。為了符合智能化要求，系統采用AT32UC3A0512作為中央處理器。同時，電話遠程控制系統正常工作還需電源供電電路、驅動電路等輔助電路。系統組成框圖如圖2.2-1示。由圖可知，系統主要由振鈴檢測電路、模擬摘掛機電路、DTMF音頻解碼電路、語音提示電路、中央處理單元（AT32UC3A0512）、控制電路、電源電路等組成。

圖2.2-1遠程控制系統

圖3.2-3雙音頻解碼MT8870電路

圖3.2-4語言錄放電路

控制器通過手機耳機端口來實現相關的控制。

3.1.3傳感器信號采集設計與分析

1.防火災發生煙霧傳感器

火災煙霧傳感器是一種在消防管理、安全防范系統中常用的報警器材，它工作可靠、體積小巧，火災煙霧傳感器是把煙霧信號轉換為電信號，電路設計時可以在背后設計專用的卡口以便地固定在墻體或者天花板上，使用時通過設置在廚房的感溫探測器和設置在客廳、臥室等的感煙探測器，監視各個房間內有無火災的發生。如有火災發生控制器發出聲光和短信報警信號，通知家人及小區物業管理部門。家庭控制器還可以根據有人在家或無人在家的情況，調節感溫探測器和感煙探測器的靈敏度。本系統采用NIS-09C型煙霧傳感器。

2可燃氣體泄漏傳感器

通過設置在廚房的可燃氣體探測器，監視燃氣管道、灶具有無燃氣泄漏。如有燃氣泄漏家庭控制器發出聲光報警信號，并聯動關閉燃氣管道上的電磁閥，打開窗戶進行排氣，同時短信通知家人及小區物業管理部門。這里采用TP-2高溫型一氧化碳傳感器報警器需在一氧化碳濃度達到設定制值時系統應啟動報警。

3防盜傳感器

防盜報警的防護區域分成兩部分，即住宅周界防護和住宅內區域防護。住宅周界防護是指在住宅的門安裝門磁開關，住宅內區域防護是指在主要通道、重要的房間內安裝熱外釋傳感器。當家中有人時，住宅周界防護的防盜報警設備(門磁開關)設防，住宅內區域防護的防盜報警設備(熱外釋傳感器)撤防。當家人出門后，住宅周界防護的防盜報警設備(門磁開關)和住宅內區域防護的防盜報警設備(熱外釋傳感器)均設防。當有非法侵入時，家庭控制器發出聲光報警信號，并短信通知家人及小區物業管理部門。另外，通過程序可設定報警裝置的等級和報警器的靈敏度。

4溫濕度傳感器

這里采用DHT-11型濕度傳感器，來實現室內溫濕度的檢測

5屋內溫度自動調節傳感器

通過設置在屋里的溫度傳感器，可以監測到溫度有沒有超過設定值，如果超過了設定值，就自動打開吊扇或者通過學習型遙控裝置打開屋里面空調，調節室溫，這里采用板上集成的溫度傳感器。

6屋內亮度自動調節傳感器

通過設置在屋里的光照強度傳感器，可以監控到屋里的光照強度，一旦屋里的光照強度在一定的范圍之外時候，通過控制百葉窗和屋里的照明燈裝置來調節屋里的光照強度，使屋內光線在一個最合適的亮度,這里采用板上集成對光照強度進行檢測。

3.1.4 GSM模塊的接口與設計

1 TC35模塊組成

Siemens公司的TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為TC35的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內的語音、數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR和EFR語音信道編碼。

2 TC35模塊通信電路

數據通信電路主要完成短消息收發、與微機機通信、軟件流控制等功能。TC35的數據接口采用串行異步收發，符合ITU-T RS-232接口電路標準，工作在CMOS電平(2.65V)。數據接口配置為8位數據位、1位停止位、無校驗位，可以在300bps～115kbps的波特率下運行，支持的自動波特率為4.8kbps～115kbps（14.4kbps和28.8kbps除外）。TC35模塊還支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的軟件流控制。

3 TC35模塊與MCU連接方式

單片機與TC35一般采用串行異步通信接口，具有紅外和通信電纜兩種連接方式其中電平轉換及串口通信功能以TI公司的MAX3238芯片為核心，通信速度可設定，通常為19200bps。采用紅外接口的優點是單片機系統與手機電氣隔離，相互不干擾，接口各自獨立，使用方便；缺點是通信距離較短，紅外傳播的方向性對接口相對位置有要求。采用電纜連接時，數據傳輸的可靠性較好；其主要缺點是接口的電氣參數不兼容，設計不當時就會對手機的通信質量產生影響。這個單片機系統其實就是一個具有GPRS功能的GSM手機模塊加上單片機控制系統，GSM手機模塊主要是用來建立無線信道，接收和發出短消息。單片機系統用來控制手機模塊，并且對收到的短消息信息進行解釋并執行，目前全國共有8種短消息格式包含從互聯網平臺發出的短消息。本系統采用通信電纜的連接方式。

3.1.4紅外學習遙控設計

1.紅外學習遙控的設想

對于空調、電視等需要紅外遙控器才可控制的紅外控制類家電僅靠接通交流電源是無法使其進入工作狀態的。因此本人提出使用紅外遙控進行對空調以及其他紅外電氣的控制方案，使系統具有的紅外學習功能可實現對這類家電的有效控制。又如紅外插座、紅外開關等，雖然紅外遙控在家電產品中有廣泛應用，但各產品的遙控器不能相互兼容，目前市面上常見的萬能遙控器只能對某幾種產品進行控制，不是真正的“萬能”。本系統可以學習并記憶各種紅外控制類家電的遙控指令，利用單片機對遙控器的發射信號的波形進行測量，然后將測量的數據回放，由于只關心發射信號波形中的高低電平的寬度，不管其如何編碼，因此做到了真正的“萬能”。也為整個控制器的實現提供了良好的基礎。當用戶可以通過任意操作方式對這類家電進行控制時，紅外插座或開關會向受控電器發送相應的紅外遙控指令，從而控制電器的運行狀態。

2紅外學習遙控的實現

經過充分的論證和研討，本系統采用各設備集中控制的方式實現。集中各設備的方法是首先對各設備的紅外遙控信號進行識別并存儲，然后在需要時進行還原，以控制對應設備動作。由單片機構成集中控制器，它是自學習與還原的核心部分，紅外接收部分由CX20106解調電路或一體化紅外接收頭組成，發射部分有紅外發光管極其驅動部分組成。

通常，紅外遙控器將遙控信號調制在38KHz的載波上，經緩沖放大后送至紅外發光二極管，轉化為紅外信號發射出去。二進制脈沖碼的形式有多種，其中最為常用的是PWM碼(脈沖寬度調制碼)和PPM碼(脈沖位置調制碼)。PWM碼以寬脈沖表示1，窄脈沖表示0。PPM碼脈沖寬度一樣，但是碼位的寬度不一樣，碼位寬的代表1，碼位窄的代表0。

遙控編碼脈沖信號（以PPM碼為例）通常由引導碼、系統碼、系統反碼、功能碼、功能反碼等信號組成。引導碼也叫起始碼，由寬度為9ms的高電平和寬度為4.5ms的低電平組成（不同的遙控系統在高低電平上有一定的區別），用來標志遙控編碼脈沖的開始。系統碼也叫識別碼，它用來指示遙控系統的種類，以區別其他遙控系統，防止各種遙控系統的誤操作。功能碼也叫指令碼，它代表了相應的控制功能，接收機中的微控制器可根據功能碼的數值完成各種功能操作。系統反碼與功能反碼是系統碼與功能碼的反碼，反碼的加入是為了能在接收端校對傳輸過程中是否產生差錯。為了提高抗干擾性能和降低電源消耗，將上述的遙控編碼脈沖對頻率為38KHz（周期為26.3ms）的載波信號進行脈幅調制（PAM），再經緩沖放大后送到紅外發光管，將遙控信號發射出去。

由于遙控器的二進制編碼脈沖有一定的寬度，而且它的高低電平均不斷的交替變化，因此容易讓我們想到一種容易且方便的方法，脈寬測量。雖然它的二進制脈沖的高低電平的寬度有所不同，但它們大都是毫秒級的，因而，采用單片機的定時器來測量它的脈沖寬度，然后存儲，還原是完全可以實現的。實際證明這種思路是可行的，而且電路簡單，容易實現。

應關系并且存儲到外部儲蓄器24C256中等待發送調用。

圖3.5-1 紅外學習遙控接收電路設計

圖3.5-2 紅外學習遙控發送電路設計

3.1.5電源電路設計

1． 5V開關電源穩壓器電路

由于本控制系統單元電路較多對且對5V電源的要求比較高，其中TC35模塊的突發耗電電流峰值可達2.5A,故外加的穩壓器件必須達到足以提供TC35和其他電路額定電流的條件。在本系統中,采用了開關電源芯片LM2576完成從12V到5V的轉換,作為對TC35終端和其他5V單元的供電。必須特別注意的是,如圖3.3-1由LM2576芯片完成開關電源轉換需要大功率的電感(100uH)和電容,以提高儲能的能力,達到單元電路的耗電需求。LM2576為5.0V3A開關電源穩壓器。

圖3.3-1 5V開關電源穩壓器電路

2 其他電源穩壓器電路

本系統的設計還涉及到傳感器信號采集與信號放大，其中放大器等部分需要用到±12V電源，因此根據設計要求增加了7812/7912三端穩壓IC提供的±12V電源，如圖3.3-2由220V的交流電經交流變壓器T降壓，變成12V交流電，低壓交流電再經過全橋整流變成脈動直流17V左右為三端穩壓提供電源，脈動直流電經4700u電解電容和0.1u瓷片電容濾波，送到穩壓塊輸入端，進行穩壓，然后由三端穩壓輸出端輸出±12V直流電壓，±12V直流電再由2200u和0.1u電容進行濾波，輸出比較穩定的±12V直流電壓，給模塊供電源。

圖3.3-2 ±12V電源穩壓器電路