智能家居控制系统与详细的软硬件架构

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

1、项目概述

1.1 导言

21世纪是信息化的世纪，各类电信和互联网新手工鞭笞了人类文明的巨大行进。你是不是想一踏入家门即是一个光照度和温湿度温馨的状况，你是不是在外边忧虑家里的安全，你是不是想遥在外边想经由进程一个杂乱的德律风就能够控制家里的电器等。这篇文章引见的数字化家居控制琐细可使得大家能够经由进程手机或德律风在任什么时分候、任意地址对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯火、音响、DVD录相机）中止远程控制；也能够不才班途中，过后将家中的空调翻开、让热水器提早烧好热水、电饭煲煮好喷鼻喷喷的米饭……；而这一切的完结都仅仅是打一个杂乱的德律风。该琐细除具有手机远程控制功用后，还能经由进程自身的传感器模块感知外界状况的具体环境，并会依照实际环境中止恰当的调剂。在阴晦的气候里，它会自动翻开灯，并调剂灯的亮度，在阳光充分的气候里，它会自动关闭灯，或将灯火调暗，并且与百页窗一起来控制家里的光照度，由于本项目采用的是亮度可调的LED灯，所以对节能和环保都有很年夜的含义。其他，该琐细还能够使家庭具有多路子报警、远程监控等多种功用，如果意外出现某种险情，您和110能够在榜首时分取得通知以便进一步采用步履。温馨、时尚的家居糊口是社会行进的符号，智能家居控制琐细能够或许在不改动家中任何家电的环境下，对家里的电器、灯火、电源、家庭状况中止便当地控制，令大家尽享高科技带来的简洁而时尚的古代糊口。

完结智能化离不开运算和控制单位，本琐细采用AT32UC3A0512作为主控器件，单片机运用琐细由硬件和软件构成。硬件由单片机扩展的存储器、输出/出配备和各类完结单片机琐细控制请求的接口电路和有关的基地电路芯片或部件构成；软件由单片机运用琐细完结其特定控制功用的各类使命法度和处理法度构成。在单片机运用琐细拓荒的进程中，应不竭调剂软、硬件，谐和地中止软、硬件规划，以前进使命效能，当琐细硬件和软件慎密一起、谐和不合，便能够构成高机能的单片机运用琐细。本课题完结了单片机运用琐细其拓荒进程的琐细的整体规划、硬件规划、软件规划和琐细调试，依照拓荒的实际需要，互相谐和、穿插，无机的中止。本规划的MCU与各个芯片和模块的接口、各项标准都严酷恪守国度有关标准，为往后的产品化供应了出色的底子。

本琐细的手机远程控制是根据德律风交流搜集的世界双音频通讯标准DTMF通讯编制，程控交流信令作为琐细控制号令，采用MT8870双音频编解码电路完结，单片机经由进程MT8870辨认来自手机的搜集的控制旗帜暗号，用户只需拨通家中的控制手机便能够依照琐细的语音提示中止按键挑选以完结用户身份的辨认、远程控制和安防操作；各类传感器的检查是操作数据搜集琐细将多路被测量值变换成数字量，再始末单片机中止数据处置，完结及时测控；短动态发送有些采用根据SIEMENS TC35 GSM模块TC35 modem 和TI公司的电平变换芯片MAX3238等器件构成的移动终真个硬件电路能够完结短动态收发等功用。

在规划本琐细时，面对各类检查目标和年夜量控制单位，需要操作各类接口标准和MCU中止毗邻，再始末MCU中止数据处置，完结及时测控。而此时采用单片机来完结智能家居控制琐细不光具有搜集控制便当、杂乱、矫捷等利益，并且能够年夜起伏前进采各模块和芯片的谐和性，然后年夜年夜前进琐细的可操作性。这次琐细规划统恰是把MT8870、TC35 modem与AT32UC3A0512单片机无机的连系起来，顺利的完结了本规划的请求。并且完结了进修型远程红外遥控功用，为控制红娘家电和配备供应了出色的底子。本琐细也可运用于工农业中,完结对无人值守岗亭的远程监控等。

1.2 项目布景/选题想法

21世纪是信息期间，各类电信新手工鞭笞了人类文明的行进。自从1876年，Alexander Graham Bell（贝尔）发现德律风以来，世界列国的德律风搜集生长很是灵敏，近十年来，中国的固定德律风经营显现出举世凝视的快速添加。1997年8月局用德律风交流机总容量冲破1亿门，搜集规划跃居世界第二位，2006年头固定德律风用户总数抵达35539.2万户，移动德律风用户抵达40407.2万户，古代德律风搜集是由程控交流机中止交流传输，移动通讯也从摹拟期间走向了高度数字化期间，它们的机能已有了很年夜的停顿，并且靠得住性很是高。

恰是由于通讯手工、计较机手工、搜集手工、控制手工的迅猛生长与前进，促使了家庭完结了糊口古代化，栖息状况温馨化、安全化。这些高科技已影响到大家糊口的各个方面，改动了大家糊口习气，前进了大家糊口质量，家居智能化也恰是在这类方法下应运而生的。智能家居控制琐细的首要功用包含通讯、配备自动控制、安全提防三个方面。

page

跟着新手工和自动化的生长，传感器的运用数目愈来愈年夜，功用也愈来愈强，各类传感器都已标准化、模块化这给智能家居控制琐细的规划供应极年夜便当。

手机远程控制作为一较新的课题与常规的遥控编制比较，显现出必定的优胜性，不需中止专门的布线。一起，由于手机各地联网，能够充分操作现有的手机网，是以遥控距离可跨省市，甚至跨过国度。其他手机属双工通讯手腕。是以，这能够年夜年夜表现出操作手机中止遥控的更年夜优胜性。操作者能够经由进程各类提示音即时体会受控目标的有关信息，然后中止进一步的操作。手机遥控有些课标题疑问前已有进入者，但是只是还只限于测验室期间，因而距离实际运用，特别是对往常糊口还有必定的差距，本来不能完悉数现出手机遥控编制的双工通讯特色。本规划恰是对于这一点中止了较年夜改进，采用单片机灵能控制，操作不合的提示音抵达对不合操作的提示及对受控方状况的信息反响，然后使操作者能够或许实时体会受控方信息，使产品抵达交互式与智能化。

短信息就事（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Comm unication）琐细中供应的一种GSM终端（手机）之间，经由进程就事基地(service center)中止文本信息收发的运用就事，此中就事基地完结信息的存储和转发功用。短信息就事作为GSM搜集的一种根基经营，已取得愈来愈多的琐细运营商和琐细拓荒商的重视，根据这类经营的各类运用也繁荣生长起来。由于GSM搜集在全国规划内完结了联网和漫游，具有搜集才华强的特色，用户无需其他组网，在极年夜前进搜集笼盖规划的一起为客户节流了贵重的建网费用和维护费用。一起，他对用户的数目也没无限制，降服了传统的专网通讯琐细出本钱钱年夜、维护费用高、且搜集监控的笼盖规划和用户数目无限的缺点。比传统的集群琐细在无线搜集笼盖上具有没有法比照的优势，加上GSM的SMS自个具有的数据传送功用，都使得这些运用取得灵敏的遍及。操作GSM短信息琐细中止无线通讯还具有双向数据传输功用，机能不变，为远程数据传送和监控配备的通讯供应了一个强大的支撑渠道。在此以GSM搜集作为数据无线传输搜集，它能够运用在银行、储蓄点机房监控、电信机房动力状况监控、通讯职业远端无人值守站机房监控和远程维护（如移动通讯基站、微波站、光纤中继站等）及其他无人值守点（如库房、办公楼等）监控及城市公用事业及时监控维护琐细像煤气调压站、自来水、污水管网和热力琐细、电力琐细城市中电网等环境中。在此本琐细采用了Siemens公司新一代无线通讯GSM模块TC35是，它规划小巧、功耗很低很年夜水平上便当了智能家居控制琐细的规划。

其他本琐细运用了往后最热点的物联网手工，在智能家居的终端控制配备和呼应的节点上采用无线手工，筹办运用zigbee或rf模块来抵达无线化的抱负家居状况。其他，智能楼宇在如今也算是一个比力新式的商场，国务院在十二五中就提到了物联网，也提到了智能家居的生长标的意图和要点公关，相信智能家居和物联网等相干手工会在将来十年内取得很年夜的生长。

并且，在中国，智能家居的生长时分虽不长，但是从世界家电巨头及搜集巨头的纷纭出手试水智能家居商场和许多世界年夜公司对世界智能家居厂家并购案能够看出，智能FUN商场潜伏着巨大商机。全国房地产业繁荣生长，小区智能化已成为一项根基请求，再配上智能家居，“全智能”的概念必定给房地产业带来新的卖点和生机，是以“全智能”是二十一世纪房产拓荒商力推的主题，这也意味着，中国智能家居产业迎来生长关键。

中国富有阶层正在构成，该有些家庭户均年支出在5.6万元以上，生齿约4460万人，1400多万户，占城市生齿的10%，总生齿的3.5%，占全社会花费采办力总和6万亿元的17%支配，是以首要对于这有些人的智能家居琐细其商场总量为1400万套。恰是在这类环境下，近两年来，智能家居琐细的发卖数目和总发卖额都显现继续爬高的气势，智能家居商场从南边滨海地域和边远地方年夜中型城市已辐射到西部地域。中国2009年智能家居商场规划抵达420亿元，由于一系列向好身分的安慰感染，往后几年商场规划增速将跨过20%，2015年估量将抵达1240亿元。本项目恰是居于此商场身分的酌量下，逐手构成智能家居终端控制琐细的，是以具有较年夜的商场前景。

2、需要分析

2.1 功用请求

1.依照往后的状况温湿度和光照度与过后设置的温湿度和光照度，自动经由进程调剂百页窗，PWM控制的LED日光灯，空谐和加湿器来对屋内状况中止调剂，使得整体的状况抵达最适合状况。

2.能够经由进程手机远程控制家里的电器，用手机控制时辰，经由进程语音芯片从前录好的音，语音提示输出暗码，输出暗码准确后，会播放事前设置好的语音号令，例如空调请按1，电视请按2等，然后按进入往后会有相干的关闭和敞开提示，按下呼应的按键将能够控制家里的电器。

page

3.能完结杂乱的防盗和报警功用，并能采用杂乱的处置，例如家里煤气走漏时辰，能够或许自动检查到，并且翻开抽气机，并经由进程短信实时的陈述屋主。能够或许防止外来人侵略，完结热释电等来人检查等。

4.妙手动控制家里的LED灯火的亮暗水平，能够经由进程PWM来控制整体的灯，完结节能和减排，这也适宜如今期间发起的环保。

5.在电脑端能够或许完结杂乱的控制和检查功用，能够经由进程远程搜集节点对该配备中止操作。

图1 琐细架构

2.2 机能请求

1.该琐细能够或许预留将来能够需要用到的电器的接口

2.该手机远程控制器能够或许便当运用和防止误操作，能够或许辨认暗码和振铃旗帜暗号，只要输出暗码准确的条件下才华对电器和琐细控制。能够对暗码中止修改，但修改必需始末特别手腕，例如在控制大驾设置自锁开关，如果要修改暗码，必需将该开关闭合，修改后，必需将该开关断开才华正常使命。

3.该琐细能够或许知足家庭用电安全，请求LED灯能够或许中止手动调度亮度，其他请求该琐细在配备不用时辰能够或许关闭配备，防止耗电。

4.操作热释电等琐细，能够或许完结替代门铃等和有些防盗功用，请求有两种方法，家里有人和家里无人方法，门磁开关也相同。

3、计划规划

3.1 琐细功用完结道理

这篇文章操作AT32UC3A0512、MT8870、TC35 modem和各类家居传感器来完结呼应的功用。

智能家居控制琐细其硬件有些首要由五年夜有些构成，即手机远程控制有些、控制单位、传感器数据搜集琐细、GSM模块TC35 modem与接口和电源有些。手机远程控制有些首要由MT8870和电压检查元件构成，它是琐细中控制有些关头的元件，它与控制单位构成控制有些功用；传感器数据搜集琐细、GSM模块TC35 modem和控制单位完结报警等旗帜暗号的处置和发送；电源有些则为各个有些供应使命电源。

3.1.1琐细硬件规划框图

琐细硬件规划框图

3.1.2远程控制规划与分析

琐细控制器由MT8870秉承远端发送来的DTMF旗帜暗号、并对其中止解码，解码后的旗帜暗号由基地处置单位搜集处置。为了便当用户运用，琐细规划了语音提示智能FUN。手机远程控制琐细一般使命在无人值守状况，所以应具有自动离线、上线、复位功用。为了适宜智能化请求，琐细采用AT32UC3A0512作为基地处置器。一起，德律风远程控制琐细正常使命还需电源供电电路、驱动电路等辅佐电路。琐细构成框图如图2.2-1示。由图可知，琐细首要由振铃检查电路、摹拟摘挂电机路、DTMF音频解码电路、语音提示电路、基地处置单位（AT32UC3A0512）、控制电路、电源电路等构成。

图2.2-1远程控制琐细

图3.2-3双音频解码MT8870电路

图3.2-4说话录放电路

控制器经由进程手机耳机端口来完结相干的控制。

3.1.3传感器旗帜暗号搜集规划与分析

1.防火灾发作烟雾传感器

火灾烟雾传感器是一种在消防处理、安全提防琐细中常常运用的报警器件，它使命靠得住、体积小巧，火灾烟雾传感器是把烟雾旗帜暗号变换为电旗帜暗号，电路规划时能够在面前规划公用的卡口以便地固定在墙体或天花板上，运用时经由进程设置在厨房的感温探测器和设置在客堂、卧室等的感烟探测器，监督各个房间内有没有火灾的发作。若有火灾发作控制器回收声光和短信报警旗帜暗号，通知家人及小区物业处理有些。家庭控制器还能够依照有人在家或无人在家的环境，调度感温探测器和感烟探测器的活络度。本琐细采用NIS-09C型烟雾传感器。

2可燃气体走漏传感器

经由进程设置在厨房的可燃气体探测器，监督燃气管道、灶具有没有燃气走漏。若有燃气走漏家庭控制器回收声光报警旗帜暗号，并联动关闭燃气管道上的电磁阀，翻开窗户中止排气，一起短信通知家人及小区物业处理有些。这儿采用TP-2低温型一氧化碳传感器报警器需在一氧化碳浓度抵达设定制值时琐细应发动报警。

page

3防盗传感器

防盗报警的防护区域分红两有些，即室第周界防护和室第内区域防护。室第周界防护是指在室第的门装置门磁开关，室第内区域防护是指在首要通道、首要的房间内装置热外释传感器。当家中有人时，室第周界防护的防盗报警配备(门磁开关)设防，室第内区域防护的防盗报警配备(热外释传感器)撤防。当家人出门后，室第周界防护的防盗报警配备(门磁开关)和室第内区域防护的防盗报警配备(热外释传感器)均设防。当有不法侵入时，家庭控制器回收声光报警旗帜暗号，并短信通知家人及小区物业处理有些。其他，经由进程法度可设定报警安装的等第和报警器的活络度。

4温湿度传感器

这儿采用DHT-11型湿度传感器，来完结室内温湿度的检查

5屋内温度自动调度传感器

经由进程设置在屋里的温度传感器，能够监测到温度有无跨过设定值，如果跨过了设定值，就自动翻开吊扇或经由进程进修型遥控安装翻开屋外面空调，调度室温，这儿采用板上集成的温度传感器。

6屋内亮度自动调度传感器

经由进程设置在屋里的光照强度传感器，能够监控到屋里的光照强度，一旦屋里的光照强度在必定的规划以外时辰，经由进程控制百页窗和屋里的照明灯安装来调度屋里的光照强度，使屋内光线在一个最适合的亮度,这儿采用板上集成对光照强度中止检查。

3.1.4 GSM模块的接口与规划

1 TC35模块构成

Siemens公司的TC35模块首要由GSM基带处置器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF毗邻器、天线接口六有些构成。作为TC35的焦点，基带处置器首要处置GSM终端内的语音、数据旗帜暗号，并涵盖了蜂窝射频配备中的一切的摹拟和数字功用。在不需要额定硬件电路的条件下，可支撑FR、HR和EFR语音信道编码。

2 TC35模块通讯电路

数据通讯电路首要完结短动态收发、与微机机通讯、软件流控制等功用。TC35的数据接口采用串行异步收发，适宜ITU-T RS-232接口电路标准，使命在CMOS电平(2.65V)。数据接口设置配备铺排为8位数据位、1位遏制位、无校验位，能够在300bps～115kbps的波特率下工作，支撑的自动波特率为4.8kbps～115kbps（14.4kbps和28.8kbps在外）。TC35模块还支撑RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的软件流控制。

3 TC35模块与MCU毗邻编制

单片机与TC35一般采用串行异步通讯接口，具有红外和通讯电缆两种毗邻编制此中电平变换及串口通讯功用以TI公司的MAX3238芯片为焦点，通讯速度可设定，但凡为19200bps。采用红外接口的利益是单片机琐细与手电机气阻隔，互相不烦扰，接口各自自力，运用便当；过错谬误是通讯距离较短，红别传达的标的意图性对接口肯定位置有请求。采用电缆毗邻时，数据传输的靠得住性较好；其首要过错谬误是接口的电气参数不兼容，规划不妥时就会敌手机的通讯质量发作影响。这个单片机琐细本来即是一个具有GPRS功用的GSM手机模块加上单片机控制琐细，GSM手机模块首要是用来建立无线信道，秉承和回收短动态。单片机琐细用来控制手机模块，并且对收到的短动态信息中止诠释并履行，今朝全国共有8种短动态格式包含从互联网渠道回收的短动态。本琐细采用通讯电缆的毗邻编制。

3.1.4红外进修遥控规划

1.红外进修遥控的假想

对空调、电视等需要红外遥控器才可控制的红外控制类家电仅靠接通交流电源是无法使其进入使命状况的。是以自个提出运用红外遥控中止对空谐和其他红外电气的控制计划，使琐细具有的红外进修功用可完结对这类家电的有用控制。又如红外插座、红外开关等，当然红外遥控在家电产品中有遍及运用，但各产品的遥控器不克不及互相兼容，今朝市道上罕见的万能遥控器只能对某几种产品中止控制，不是实在的“万能”。本琐细能够进修并回忆各类红外控制类家电的遥控指令，操作单片机对遥控器的发射旗帜暗号的波形中止测量，然后将测量的数据回放，由于只关怀发射旗帜暗号波形中的高低电平的宽度，不论其若何编码，是以做到了实在的“万能”。也为悉数控制器的完结供应了出色的底子。当用户能够经由进程任意操作编制对这类家电中止控制时，红外插座或开关会向受控电器发送呼应的红外遥控指令，然后控制电器的工作状况。

2红外进修遥控的完结

始末充分的证明和研究，本琐细采用各配备会集控制的编制完结。会集各配备的方法是首先对各配备的红外遥控旗帜暗号中止辨认并存储，然后在需要时中止恢复，以控制对应配备行动。由单片机构成会集控制器，它是自进修与恢复的焦点有些，红外秉承有些由CX20106解调电路或一体化红外秉承头构成，发射有些有红外发光管极为驱动有些构成。

page

但凡，红外遥控器将遥控旗帜暗号调制在38KHz的载波上，经缓冲缩小后送至红外发光二极管，转化为红外旗帜暗号发射出去。二进制脉冲码的方法有多种，此中最为常常运用的是PWM码(脉冲宽度调制码)和PPM码(脉冲位置调制码)。PWM码以宽脉冲暗示1，窄脉冲暗示0。PPM码脉冲宽度相同，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1，码位窄的代表0。

遥控编码脉冲旗帜暗号（以PPM码为例）但凡由指导码、琐细码、琐细反码、功用码、功用反码等旗帜暗号构成。指导码也叫肇端码，由宽度为9ms的高电安定安静宽度为4.5ms的低电平构成（不合的遥控琐细在高低电平上有必定的区别），用来符号遥控编码脉冲的起头。琐细码也叫辨认码，它用来教唆遥控琐细的种类，以区别其他遥控琐细，防止各类遥控琐细的误操作。功用码也叫指令码，它代表了呼应的控制功用，秉承机中的微控制器可依照功用码的数值完结各类功用操作。琐细反码与功用反码是琐细码与功用码的反码，反码的插手是为了能在秉承端校订传输进程中是不是发作过错。为了前进抗烦扰机能和下降电源耗费，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz（周期为26.3ms）的载波旗帜暗号中止脉幅调制（PAM），再经缓冲缩小后送到红外发光管，将遥控旗帜暗号发射出去。

由于遥控器的二进制编码脉冲有必定的宽度，并且它的高低电均匀不竭的交替改变，是以容易让我们想到一种容易且便当的方法，脉宽测量。当然它的二进制脉冲的高低电平的宽度有所不合，但它们年夜都是毫秒级的，因而，采用单片机的按时器来测量它的脉冲宽度，然后存储，恢复是完万能够完结的。实际证实这类思绪是可行的，并且电路杂乱，容易完结。

应联系并且存储到内部储蓄器24C256中期待发送挪用。

图3.5-1 红外进修遥控秉承电路规划

图3.5-2 红外进修遥控发送电路规划

3.1.5电源电路规划

1． 5V开关电源稳压器电路

由于本控制琐细单位电路较多对且对5V电源的请求比力高，此中TC35模块的突发耗电电流峰值可达2.5A,故外加的稳压器件必需抵达足以供应TC35和其他电路额定电流的条件。在本琐细中,采用了开关电源芯片LM2576完结从12V到5V的变换,作为对TC35终端和其他5V单位的供电。必需出格重视的是,如图3.3-1由LM2576芯片完结开关电源变换需要年夜功率的电感(100uH)和电容,以前进储能的才华,抵达单位电路的耗电需要。LM2576为5.0V3A开关电源稳压器。

图3.3-1 5V开关电源稳压器电路

2 其他电源稳压器电路

本琐细的规划还触及到传感器旗帜暗号搜集与旗帜暗号缩小，此中缩小器等有些需要用到±12V电源，是以依照规划请求增添了7812/7912三端稳压IC供应的±12V电源，如图3.3-2由220V的交流电经交流变压器T降压，变成12V交流电，高压交流电再始末全桥整流变成脉动直流17V支配为三端稳压供应电源，脉动直流电经4700u电解电容和0.1u瓷片电容滤波，送到稳压块输出端，中止稳压，然后由三端稳压输入端输入±12V直流电压，±12V直流电再由2200u和0.1u电容中止滤波，输入比力不变的±12V直流电压，给模块供电源。