智能家居控制系統與詳細的軟硬件架構

admin 2015-11-16 11:08:36 0

1、項目概述

1.1 導言

21世紀是信息化的世紀，各類電信和互聯網新手工鞭笞了人類文明的巨大行進。你是不是想一踏入家門即是一個光照度和溫濕度溫馨的狀況，你是不是在外邊憂慮家里的安全，你是不是想遙在外邊想經由進程一個雜亂的德律風就能夠控制家里的電器等。這篇文章引見的數字化家居控制瑣細可使得大家能夠經由進程手機或德律風在任什么時分候、任意地址對家中的任意電器（空調、熱水器、電飯煲、燈火、音響、DVD錄相機）中止遠程控制；也能夠不才班途中，過后將家中的空調翻開、讓熱水器提早燒好熱水、電飯煲煮好噴鼻噴噴的米飯……；而這一切的完結都僅僅是打一個雜亂的德律風。該瑣細除具有手機遠程控制功用后，還能經由進程自身的傳感器模塊感知外界狀況的具體環境，并會依照實際環境中止恰當的調劑。在陰晦的氣候里，它會自動翻開燈，并調劑燈的亮度，在陽光充分的氣候里，它會自動關閉燈，或將燈火調暗，并且與百頁窗一起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，所以對節能和環保都有很年夜的含義。其他，該瑣細還能夠使家庭具有多路子報警、遠程監控等多種功用，如果意外出現某種險情，您和110能夠在榜首時分取得通知以便進一步采用步履。溫馨、時尚的家居糊口是社會行進的符號，智能家居控制瑣細能夠或許在不改動家中任何家電的環境下，對家里的電器、燈火、電源、家庭狀況中止便當地控制，令大家盡享高科技帶來的簡潔而時尚的古代糊口。

完結智能化離不開運算和控制單位，本瑣細采用AT32UC3A0512作為主控器件，單片機運用瑣細由硬件和軟件構成。硬件由單片機擴展的存儲器、輸出/出配備和各類完結單片機瑣細控制請求的接口電路和有關的基地電路芯片或部件構成；軟件由單片機運用瑣細完結其特定控制功用的各類使命法度和處理法度構成。在單片機運用瑣細拓荒的進程中，應不竭調劑軟、硬件，諧和地中止軟、硬件規劃，以前進使命效能，當瑣細硬件和軟件慎密一起、諧和不合，便能夠構成高機能的單片機運用瑣細。本課題完結了單片機運用瑣細其拓荒進程的瑣細的整體規劃、硬件規劃、軟件規劃和瑣細調試，依照拓荒的實際需要，互相諧和、穿插，無機的中止。本規劃的MCU與各個芯片和模塊的接口、各項標準都嚴酷恪守國度有關標準，為往后的產品化供應了出色的底子。

本瑣細的手機遠程控制是根據德律風交流搜集的世界雙音頻通訊標準DTMF通訊編制，程控交流信令作為瑣細控制號令，采用MT8870雙音頻編解碼電路完結，單片機經由進程MT8870辨認來自手機的搜集的控制旗幟暗號，用戶只需撥通家中的控制手機便能夠依照瑣細的語音提示中止按鍵挑選以完結用戶身份的辨認、遠程控制和安防操作；各類傳感器的檢查是操作數據搜集瑣細將多路被測量值變換成數字量，再始末單片機中止數據處置，完結及時測控；短動態發送有些采用根據SIEMENS TC35 GSM模塊TC35 modem 和TI公司的電平變換芯片MAX3238等器件構成的移動終真個硬件電路能夠完結短動態收發等功用。

在規劃本瑣細時，面對各類檢查目標和年夜量控制單位，需要操作各類接口標準和MCU中止毗鄰，再始末MCU中止數據處置，完結及時測控。而此時采用單片機來完結智能家居控制瑣細不光具有搜集控制便當、雜亂、矯捷等利益，并且能夠年夜起伏前進采各模塊和芯片的諧和性，然后年夜年夜前進瑣細的可操作性。這次瑣細規劃統恰是把MT8870、TC35 modem與AT32UC3A0512單片機無機的連系起來，順利的完結了本規劃的請求。并且完結了進修型遠程紅外遙控功用，為控制紅娘家電和配備供應了出色的底子。本瑣細也可運用于工農業中,完結對無人值守崗亭的遠程監控等。

1.2 項目布景/選題想法

21世紀是信息期間，各類電信新手工鞭笞了人類文明的行進。自從1876年，Alexander Graham Bell（貝爾）發現德律風以來，世界列國的德律風搜集生長很是靈敏，近十年來，中國的固定德律風經營顯現出舉世凝視的快速添加。1997年8月局用德律風交流機總容量沖破1億門，搜集規劃躍居世界第二位，2006年頭固定德律風用戶總數抵達35539.2萬戶，移動德律風用戶抵達40407.2萬戶，古代德律風搜集是由程控交流機中止交流傳輸，移動通訊也從摹擬期間走向了高度數字化期間，它們的機能已有了很年夜的停頓，并且靠得住性很是高。

恰是由于通訊手工、計較機手工、搜集手工、控制手工的迅猛生長與前進，促使了家庭完結了糊口古代化，棲息狀況溫馨化、安全化。這些高科技已影響到大家糊口的各個方面，改動了大家糊口習氣，前進了大家糊口質量，家居智能化也恰是在這類方法下應運而生的。智能家居控制瑣細的首要功用包含通訊、配備自動控制、安全提防三個方面。

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跟著新手工和自動化的生長，傳感器的運用數目愈來愈年夜，功用也愈來愈強，各類傳感器都已標準化、模塊化這給智能家居控制瑣細的規劃供應極年夜便當。

手機遠程控制作為一較新的課題與常規的遙控編制比較，顯現出必定的優勝性，不需中止專門的布線。一起，由于手機各地聯網，能夠充分操作現有的手機網，是以遙控距離可跨省市，甚至跨過國度。其他手機屬雙工通訊手腕。是以，這能夠年夜年夜表現出操作手機中止遙控的更年夜優勝性。操作者能夠經由進程各類提示音即時體會受控目標的有關信息，然后中止進一步的操作。手機遙控有些課標題疑問前已有進入者，但是只是還只限于測驗室期間，因而距離實際運用，特別是對往常糊口還有必定的差距，本來不能完悉數現出手機遙控編制的雙工通訊特色。本規劃恰是對于這一點中止了較年夜改進，采用單片機靈能控制，操作不合的提示音抵達對不合操作的提示及對受控方狀況的信息反響，然后使操作者能夠或許實時體會受控方信息，使產品抵達交互式與智能化。

短信息就事（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Comm unication）瑣細中供應的一種GSM終端（手機）之間，經由進程就事基地(service center)中止文本信息收發的運用就事，此中就事基地完結信息的存儲和轉發功用。短信息就事作為GSM搜集的一種根基經營，已取得愈來愈多的瑣細運營商和瑣細拓荒商的重視，根據這類經營的各類運用也繁榮生長起來。由于GSM搜集在全國規劃內完結了聯網和漫游，具有搜集才華強的特色，用戶無需其他組網，在極年夜前進搜集籠蓋規劃的一起為客戶節流了貴重的建網費用和維護費用。一起，他對用戶的數目也沒無限制，降服了傳統的專網通訊瑣細出本錢錢年夜、維護費用高、且搜集監控的籠蓋規劃和用戶數目無限的缺點。比傳統的集群瑣細在無線搜集籠蓋上具有沒有法比照的優勢，加上GSM的SMS自個具有的數據傳送功用，都使得這些運用取得靈敏的遍及。操作GSM短信息瑣細中止無線通訊還具有雙向數據傳輸功用，機能不變，為遠程數據傳送和監控配備的通訊供應了一個強大的支撐渠道。在此以GSM搜集作為數據無線傳輸搜集，它能夠運用在銀行、儲蓄點機房監控、電信機房動力狀況監控、通訊職業遠端無人值守站機房監控和遠程維護（如移動通訊基站、微波站、光纖中繼站等）及其他無人值守點（如庫房、辦公樓等）監控及城市公用事業及時監控維護瑣細像煤氣調壓站、自來水、污水管網和熱力瑣細、電力瑣細城市中電網等環境中。在此本瑣細采用了Siemens公司新一代無線通訊GSM模塊TC35是，它規劃小巧、功耗很低很年夜水平上便當了智能家居控制瑣細的規劃。

其他本瑣細運用了往后最熱點的物聯網手工，在智能家居的終端控制配備和呼應的節點上采用無線手工，籌辦運用zigbee或rf模塊來抵達無線化的抱負家居狀況。其他，智能樓宇在如今也算是一個比力新式的商場，國務院在十二五中就提到了物聯網，也提到了智能家居的生長標的意圖和要點公關，相信智能家居和物聯網等相干手工會在將來十年內取得很年夜的生長。

并且，在中國，智能家居的生長時分雖不長，但是從世界家電巨頭及搜集巨頭的紛紜出手試水智能家居商場和許多世界年夜公司對世界智能家居廠家并購案能夠看出，智能FUN商場潛伏著巨大商機。全國房地產業繁榮生長，小區智能化已成為一項根基請求，再配上智能家居，“全智能”的概念必定給房地產業帶來新的賣點和生機，是以“全智能”是二十一世紀房產拓荒商力推的主題，這也意味著，中國智能家居產業迎來生長關鍵。

中國富有階層正在構成，該有些家庭戶均年支出在5.6萬元以上，生齒約4460萬人，1400多萬戶，占城市生齒的10%，總生齒的3.5%，占全社會花費采辦力總和6萬億元的17%支配，是以首要對于這有些人的智能家居瑣細其商場總量為1400萬套。恰是在這類環境下，近兩年來，智能家居瑣細的發賣數目和總發賣額都顯現繼續爬高的氣勢，智能家居商場從南邊濱海地域和邊遠地方年夜中型城市已輻射到西部地域。中國2009年智能家居商場規劃抵達420億元，由于一系列向好身分的安慰感染，往后幾年商場規劃增速將跨過20%，2015年估量將抵達1240億元。本項目恰是居于此商場身分的酌量下，逐手構成智能家居終端控制瑣細的，是以具有較年夜的商場前景。

2、需要分析

2.1 功用請求

1.依照往后的狀況溫濕度和光照度與過后設置的溫濕度和光照度，自動經由進程調劑百頁窗，PWM控制的LED日光燈，空諧和加濕器來對屋內狀況中止調劑，使得整體的狀況抵達最適合狀況。

2.能夠經由進程手機遠程控制家里的電器，用手機控制時辰，經由進程語音芯片從前錄好的音，語音提示輸出暗碼，輸出暗碼準確后，會播放事前設置好的語音號令，例如空調請按1，電視請按2等，然后按進入往后會有相干的關閉和敞開提示，按下呼應的按鍵將能夠控制家里的電器。

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3.能完結雜亂的防盜和報警功用，并能采用雜亂的處置，例如家里煤氣走漏時辰，能夠或許自動檢查到，并且翻開抽氣機，并經由進程短信實時的陳述屋主。能夠或許防止外來人侵略，完結熱釋電等來人檢查等。

4.妙手動控制家里的LED燈火的亮暗水平，能夠經由進程PWM來控制整體的燈，完結節能和減排，這也適宜如今期間發起的環保。

5.在電腦端能夠或許完結雜亂的控制和檢查功用，能夠經由進程遠程搜集節點對該配備中止操作。

圖1 瑣細架構

2.2 機能請求

1.該瑣細能夠或許預留將來能夠需要用到的電器的接口

2.該手機遠程控制器能夠或許便當運用和防止誤操作，能夠或許辨認暗碼和振鈴旗幟暗號，只要輸出暗碼準確的條件下才華對電器和瑣細控制。能夠對暗碼中止修改，但修改必需始末特別手腕，例如在控制大駕設置自鎖開關，如果要修改暗碼，必需將該開關閉合，修改后，必需將該開關斷開才華正常使命。

3.該瑣細能夠或許知足家庭用電安全，請求LED燈能夠或許中止手動調度亮度，其他請求該瑣細在配備不用時辰能夠或許關閉配備，防止耗電。

4.操作熱釋電等瑣細，能夠或許完結替代門鈴等和有些防盜功用，請求有兩種方法，家里有人和家里無人方法，門磁開關也相同。

3、計劃規劃

3.1 瑣細功用完結道理

這篇文章操作AT32UC3A0512、MT8870、TC35 modem和各類家居傳感器來完結呼應的功用。

智能家居控制瑣細其硬件有些首要由五年夜有些構成，即手機遠程控制有些、控制單位、傳感器數據搜集瑣細、GSM模塊TC35 modem與接口和電源有些。手機遠程控制有些首要由MT8870和電壓檢查元件構成，它是瑣細中控制有些關頭的元件，它與控制單位構成控制有些功用；傳感器數據搜集瑣細、GSM模塊TC35 modem和控制單位完結報警等旗幟暗號的處置和發送；電源有些則為各個有些供應使命電源。

3.1.1瑣細硬件規劃框圖

瑣細硬件規劃框圖

3.1.2遠程控制規劃與分析

瑣細控制器由MT8870秉承遠端發送來的DTMF旗幟暗號、并對其中止解碼，解碼后的旗幟暗號由基地處置單位搜集處置。為了便當用戶運用，瑣細規劃了語音提示智能FUN。手機遠程控制瑣細一般使命在無人值守狀況，所以應具有自動離線、上線、復位功用。為了適宜智能化請求，瑣細采用AT32UC3A0512作為基地處置器。一起，德律風遠程控制瑣細正常使命還需電源供電電路、驅動電路等輔佐電路。瑣細構成框圖如圖2.2-1示。由圖可知，瑣細首要由振鈴檢查電路、摹擬摘掛電機路、DTMF音頻解碼電路、語音提示電路、基地處置單位（AT32UC3A0512）、控制電路、電源電路等構成。

圖2.2-1遠程控制瑣細

圖3.2-3雙音頻解碼MT8870電路

圖3.2-4說話錄放電路

控制器經由進程手機耳機端口來完結相干的控制。

3.1.3傳感器旗幟暗號搜集規劃與分析

1.防火災發作煙霧傳感器

火災煙霧傳感器是一種在消防處理、安全提防瑣細中常常運用的報警器件，它使命靠得住、體積小巧，火災煙霧傳感器是把煙霧旗幟暗號變換為電旗幟暗號，電路規劃時能夠在面前規劃公用的卡口以便地固定在墻體或天花板上，運用時經由進程設置在廚房的感溫探測器和設置在客堂、臥室等的感煙探測器，監督各個房間內有沒有火災的發作。若有火災發作控制器回收聲光和短信報警旗幟暗號，通知家人及小區物業處理有些。家庭控制器還能夠依照有人在家或無人在家的環境，調度感溫探測器和感煙探測器的活絡度。本瑣細采用NIS-09C型煙霧傳感器。

2可燃氣體走漏傳感器

經由進程設置在廚房的可燃氣體探測器，監督燃氣管道、灶具有沒有燃氣走漏。若有燃氣走漏家庭控制器回收聲光報警旗幟暗號，并聯動關閉燃氣管道上的電磁閥，翻開窗戶中止排氣，一起短信通知家人及小區物業處理有些。這兒采用TP-2低溫型一氧化碳傳感器報警器需在一氧化碳濃度抵達設定制值時瑣細應發動報警。

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3防盜傳感器

防盜報警的防護區域分紅兩有些，即室第周界防護和室第內區域防護。室第周界防護是指在室第的門裝置門磁開關，室第內區域防護是指在首要通道、首要的房間內裝置熱外釋傳感器。當家中有人時，室第周界防護的防盜報警配備(門磁開關)設防，室第內區域防護的防盜報警配備(熱外釋傳感器)撤防。當家人出門后，室第周界防護的防盜報警配備(門磁開關)和室第內區域防護的防盜報警配備(熱外釋傳感器)均設防。當有不法侵入時，家庭控制器回收聲光報警旗幟暗號，并短信通知家人及小區物業處理有些。其他，經由進程法度可設定報警安裝的等第和報警器的活絡度。

4溫濕度傳感器

這兒采用DHT-11型濕度傳感器，來完結室內溫濕度的檢查

5屋內溫度自動調度傳感器

經由進程設置在屋里的溫度傳感器，能夠監測到溫度有無跨過設定值，如果跨過了設定值，就自動翻開吊扇或經由進程進修型遙控安裝翻開屋外面空調，調度室溫，這兒采用板上集成的溫度傳感器。

6屋內亮度自動調度傳感器

經由進程設置在屋里的光照強度傳感器，能夠監控到屋里的光照強度，一旦屋里的光照強度在必定的規劃以外時辰，經由進程控制百頁窗和屋里的照明燈安裝來調度屋里的光照強度，使屋內光線在一個最適合的亮度,這兒采用板上集成對光照強度中止檢查。

3.1.4 GSM模塊的接口與規劃

1 TC35模塊構成

Siemens公司的TC35模塊首要由GSM基帶處置器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF毗鄰器、天線接口六有些構成。作為TC35的焦點，基帶處置器首要處置GSM終端內的語音、數據旗幟暗號，并涵蓋了蜂窩射頻配備中的一切的摹擬和數字功用。在不需要額定硬件電路的條件下，可支撐FR、HR和EFR語音信道編碼。

2 TC35模塊通訊電路

數據通訊電路首要完結短動態收發、與微機機通訊、軟件流控制等功用。TC35的數據接口采用串行異步收發，適宜ITU-T RS-232接口電路標準，使命在CMOS電平(2.65V)。數據接口設置配備鋪排為8位數據位、1位遏制位、無校驗位，能夠在300bps～115kbps的波特率下工作，支撐的自動波特率為4.8kbps～115kbps（14.4kbps和28.8kbps在外）。TC35模塊還支撐RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的軟件流控制。

3 TC35模塊與MCU毗鄰編制

單片機與TC35一般采用串行異步通訊接口，具有紅外和通訊電纜兩種毗鄰編制此中電平變換及串口通訊功用以TI公司的MAX3238芯片為焦點，通訊速度可設定，但凡為19200bps。采用紅外接口的利益是單片機瑣細與手電機氣阻隔，互相不煩擾，接口各自自力，運用便當；過錯謬誤是通訊距離較短，紅別傳達的標的意圖性對接口肯定位置有請求。采用電纜毗鄰時，數據傳輸的靠得住性較好；其首要過錯謬誤是接口的電氣參數不兼容，規劃不妥時就會敵手機的通訊質量發作影響。這個單片機瑣細本來即是一個具有GPRS功用的GSM手機模塊加上單片機控制瑣細，GSM手機模塊首要是用來建立無線信道，秉承和回收短動態。單片機瑣細用來控制手機模塊，并且對收到的短動態信息中止詮釋并履行，今朝全國共有8種短動態格式包含從互聯網渠道回收的短動態。本瑣細采用通訊電纜的毗鄰編制。

3.1.4紅外進修遙控規劃

1.紅外進修遙控的假想

對空調、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使命狀況的。是以自個提出運用紅外遙控中止對空諧和其他紅外電氣的控制計劃，使瑣細具有的紅外進修功用可完結對這類家電的有用控制。又如紅外插座、紅外開關等，當然紅外遙控在家電產品中有遍及運用，但各產品的遙控器不克不及互相兼容，今朝市道上罕見的萬能遙控器只能對某幾種產品中止控制，不是實在的“萬能”。本瑣細能夠進修并回憶各類紅外控制類家電的遙控指令，操作單片機對遙控器的發射旗幟暗號的波形中止測量，然后將測量的數據回放，由于只關懷發射旗幟暗號波形中的高低電平的寬度，不論其若何編碼，是以做到了實在的“萬能”。也為悉數控制器的完結供應了出色的底子。當用戶能夠經由進程任意操作編制對這類家電中止控制時，紅外插座或開關會向受控電器發送呼應的紅外遙控指令，然后控制電器的工作狀況。

2紅外進修遙控的完結

始末充分的證明和研究，本瑣細采用各配備會集控制的編制完結。會集各配備的方法是首先對各配備的紅外遙控旗幟暗號中止辨認并存儲，然后在需要時中止恢復，以控制對應配備行動。由單片機構成會集控制器，它是自進修與恢復的焦點有些，紅外秉承有些由CX20106解調電路或一體化紅外秉承頭構成，發射有些有紅外發光管極為驅動有些構成。

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但凡，紅外遙控器將遙控旗幟暗號調制在38KHz的載波上，經緩沖縮小后送至紅外發光二極管，轉化為紅外旗幟暗號發射出去。二進制脈沖碼的方法有多種，此中最為常常運用的是PWM碼(脈沖寬度調制碼)和PPM碼(脈沖位置調制碼)。PWM碼以寬脈沖暗示1，窄脈沖暗示0。PPM碼脈沖寬度相同，但是碼位的寬度不一樣，碼位寬的代表1，碼位窄的代表0。

遙控編碼脈沖旗幟暗號（以PPM碼為例）但凡由指導碼、瑣細碼、瑣細反碼、功用碼、功用反碼等旗幟暗號構成。指導碼也叫肇端碼，由寬度為9ms的高電安定安靜寬度為4.5ms的低電平構成（不合的遙控瑣細在高低電平上有必定的區別），用來符號遙控編碼脈沖的起頭。瑣細碼也叫辨認碼，它用來教唆遙控瑣細的種類，以區別其他遙控瑣細，防止各類遙控瑣細的誤操作。功用碼也叫指令碼，它代表了呼應的控制功用，秉承機中的微控制器可依照功用碼的數值完結各類功用操作。瑣細反碼與功用反碼是瑣細碼與功用碼的反碼，反碼的插手是為了能在秉承端校訂傳輸進程中是不是發作過錯。為了前進抗煩擾機能和下降電源耗費，將上述的遙控編碼脈沖對頻率為38KHz（周期為26.3ms）的載波旗幟暗號中止脈幅調制（PAM），再經緩沖縮小后送到紅外發光管，將遙控旗幟暗號發射出去。

由于遙控器的二進制編碼脈沖有必定的寬度，并且它的高低電均勻不竭的交替改變，是以容易讓我們想到一種容易且便當的方法，脈寬測量。當然它的二進制脈沖的高低電平的寬度有所不合，但它們年夜都是毫秒級的，因而，采用單片機的按時器來測量它的脈沖寬度，然后存儲，恢復是完萬能夠完結的。實際證實這類思緒是可行的，并且電路雜亂，容易完結。

應聯系并且存儲到內部儲蓄器24C256中期待發送挪用。

圖3.5-1 紅外進修遙控秉承電路規劃

圖3.5-2 紅外進修遙控發送電路規劃

3.1.5電源電路規劃

1． 5V開關電源穩壓器電路

由于本控制瑣細單位電路較多對且對5V電源的請求比力高，此中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需抵達足以供應TC35和其他電路額定電流的條件。在本瑣細中,采用了開關電源芯片LM2576完結從12V到5V的變換,作為對TC35終端和其他5V單位的供電。必需出格重視的是,如圖3.3-1由LM2576芯片完結開關電源變換需要年夜功率的電感(100uH)和電容,以前進儲能的才華,抵達單位電路的耗電需要。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

本瑣細的規劃還觸及到傳感器旗幟暗號搜集與旗幟暗號縮小，此中縮小器等有些需要用到±12V電源，是以依照規劃請求增添了7812/7912三端穩壓IC供應的±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，高壓交流電再始末全橋整流變成脈動直流17V支配為三端穩壓供應電源，脈動直流電經4700u電解電容和0.1u瓷片電容濾波，送到穩壓塊輸出端，中止穩壓，然后由三端穩壓輸入端輸入±12V直流電壓，±12V直流電再由2200u和0.1u電容中止濾波，輸入比力不變的±12V直流電壓，給模塊供電源。