基于單片機的智能家居遠程控制系統(tǒng)

汪雨涵+張文梟+王金迪++李瑞

摘要： 本文主要介紹基于單片機系統(tǒng)的智能家居遠程控制系統(tǒng)。其采用計算機網(wǎng)絡技術、無線數(shù)據(jù)傳輸技術，能夠自動采集家居相關數(shù)據(jù)信息及調控（如溫度、濕度、火焰、煙霧、關聯(lián)家用電器等），主要由控制器模塊、電源模塊、顯示模塊、各種傳感器模塊、GSM無線通信模塊、WiFi網(wǎng)絡模塊搭建而成，各模塊由各自子控制中心完成對數(shù)據(jù)信息的處理，將與家居生活有關的各個子系統(tǒng)如安防報警、燈光控制、煤氣報警、信息家電、場景聯(lián)動等有機地融合在一起，應用WiFi通訊網(wǎng)絡，對家居進行網(wǎng)絡化綜合管理和智能化遠程控制，實現(xiàn)互聯(lián)互通。

關鍵詞： 智能家居； 遠程控制； 安全防范； GSM模塊； WiFi網(wǎng)絡

中圖分類號：TP271+.4

文獻標志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0118-03

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術的不斷更新，智能家居行業(yè)得到了快速的發(fā)展。而且，人們對生活質量的要求也呈現(xiàn)可觀增長態(tài)勢，這就使得智能家居的需求日趨豐富廣闊。因此，提供一套設計合理、方便、完善的智能家居控制系統(tǒng)也即愈發(fā)突顯其現(xiàn)實研究的重要性。在智能家居的整個體系中，核心模塊是智能家居控制系統(tǒng)，由其有效控制著智能家居的所有環(huán)節(jié)。本次研究指出，對家居環(huán)境進行跟蹤、報警、實時監(jiān)測與安全防護及遠程維護等，構建數(shù)字高端的管理與服務功能，物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)業(yè)也已彰顯出其個性化、智能化、便捷化和高效化的強大優(yōu)勢，對實現(xiàn)理想、節(jié)能、安全、環(huán)保的一體化全新家居生活環(huán)境具有重要意義。

1系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。

[PS汪雨涵1.EPS；S*2；X*2，BP#]

[ST6HZ][WT6HZ][JZ]圖1系統(tǒng)整體結構圖

[JZ]Fig. 1System structure framework graph

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]

研究中，系統(tǒng)中央控制及處理器采用的是AT89S51單片機，系統(tǒng)與用戶之間的通訊基于GSM模塊。主體定制功能就是當用戶對系統(tǒng)進行遠程控制時，通過撥打固定電話，系統(tǒng)檢測大振鈴自動摘機并發(fā)布相應的語音提示，用戶根據(jù)提示輸入需求指令生成操作控制。系統(tǒng)接收到指令后，主控芯片通過WiFi獲取各傳感器的信息，并以短信與語音的方式發(fā)送給用戶；同時可以對各個電器控制終端調控執(zhí)行、即實現(xiàn)智能化的遠程控制。另外，當系統(tǒng)檢測到家中有火災、燃氣泄漏等危險情況發(fā)生時，會自動通知安保系統(tǒng)，避免不必要的損失，確保居住環(huán)境的安全性。

2硬件系統(tǒng)設計

2.1硬件系統(tǒng)設計總述

在本次系統(tǒng)研究中，硬件部分主要包括的功能支持模塊有：以AT89S51單片機為核心、各傳感器模塊、GSM通訊模塊、WiFi模塊 、解碼電路等。在此，給出系統(tǒng)整體設計的研發(fā)流程可論述如下：

1）以AT89S51單片機為核心，以傳感器、GSM模塊、WiFi模塊等作為外部器件，搭建了家庭網(wǎng)關的硬件平臺。

2）利用WiFi模塊實現(xiàn)傳感器與主控系統(tǒng)間的互動通信。

3）利用傳感器提供各個數(shù)據(jù)的監(jiān)測，當傳感器監(jiān)測的各個指標變化時，數(shù)據(jù)將實時反饋至主控。

4）用戶與系統(tǒng)通過GSM模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸，利用GSM模塊的短消息和電話功能實現(xiàn)了智能家居的遠程監(jiān)控，若監(jiān)測指標達到預警值，主控將發(fā)送信息給用戶。

5）利用語音播報模塊及控制GSM模塊的相關指令操控移動電話接聽、播報而與用戶有效展開信息交互。

6）利用MT8870芯片來推進DTMF解碼用戶發(fā)送指令并傳送到單片機中。

7）使用一臺IBM-PC/XT兼容機、ME-5103單片機仿真機、MF116萬用表、計算機5V穩(wěn)壓電源、SR8雙蹤示波器進行系統(tǒng)調試。

8）完成各功能模塊的硬件選擇、電路設計、軟件編程和調試后，則實現(xiàn)了家庭網(wǎng)絡利用GSM模塊設計展開遠程監(jiān)控的功能。

2.2WiFi 無線通信技術

傳統(tǒng)的智能家居的通信方式多為有線連接， 因此呈現(xiàn)出布線麻煩、擴展性差等弊端劣勢。由于無線技術的普及，云計算與物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，無線通信智能家居開始流行，并逐漸發(fā)展，目前已成為智能家居系統(tǒng)的主流首選。進一步地，ZigBee 通信技術、紅外通信技術、Z-Wave、WiFi 技術等均是目前智能家居產(chǎn)品常用的網(wǎng)絡通訊方式。其中，紅外通信技術較成熟，但存在著一些技術問題及缺陷，例如傳輸距離短、通信角度小、自帶多重限制等，并不適合智能家居。ZigBee 是一種可以近距離傳輸且復雜度、功耗、速率及成本都較低的無線通信技術，但會受到傳輸速度和距離的限制。而 WiFi 技術的優(yōu)勢在于：無線電波覆蓋范圍廣，傳輸速度快，WiFi 技術將智能家居的不同家電設備、通信設備、安全防護設備高效地連接起來，提供比傳統(tǒng)智能家居更安全、舒適、便捷的生活空間。為此，本次研究中選用了WiFi無限通信技術。

2.3GSM 通訊模塊

GSM模塊，是一個類似于手機的通訊模塊，在一塊小電路板上集成了手機的若干功能。不僅可以發(fā)送短消息，支持通話等等，具備了很多手機的實用功能。形象來說，該模塊就相當于配置了手機的核心部分，因而在很多應用領域中都獲得了廣泛的應用。若要操作控制GSM模塊，則需使用AT指令，模塊可以與電腦RS232串口相連，也可以用單片機來進行控制。該系統(tǒng)中使用的GSM模塊是由Siemens公司生產(chǎn)的TC35，其內部框架以及與外部連接構架即如圖2所示，GSM模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻部分、供電部分、（ASIC）FLASH、 ZIF連接器、天線接口六部分組成。該模塊通過串口與單片機進行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9 600 Kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。endprint

[PS汪雨涵2.EPS；S*2；X*2，BP#]

[ST6HZ][WT6HZ][JZ]圖2GSM模塊工作原理圖

[JZ]Fig. 2The working principle of GSM module

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]

GSM模塊的短消息工作模式設置有3種：BLOCK模式、TEXT模式、PDU模式。其中，PDU模式是使用AT命令集來具體控制移動終端的短消息功能。該種模式方便快捷，只需一條指令就能完成短信息的處理，所以本系統(tǒng)選用PDU模式進行短信息處理。

2.4傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

要實現(xiàn)對家居中環(huán)境監(jiān)測以及一系列功能需求，通過測試和篩選，研究選取了各類適宜傳感器，并對每一傳感器的工作過程及原理分別展開概述如下。

2.4.1火焰?zhèn)鞲衅鱵l-38

可以檢測火焰或者波長在 760～1 100 nm范圍內的光源。探測范圍在60°左右。對火焰光譜尤為靈敏。靈敏度可調，是標準雙面板，布局美觀大方。小板數(shù)字量輸出 DO 可以直接驅動本板繼電器模塊，由此可以組成一個火焰開關；小板模擬量輸出 AO 可以和AD 模塊相連，通過 AD 轉換，可以獲得環(huán)境溫度更為精準的測定數(shù)值。

2.4.2溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，具有相對濕度和溫度測量、全部校準，數(shù)字輸出、不需額外部件、卓越的穩(wěn)定性、較長的傳輸距離、低能耗、引腳安裝、完全互換等特點，可應用于暖通空調、測試設備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器、消費品、自動控制、氣象站、家電、濕度調節(jié)器、醫(yī)療、除濕器等多類應用領域中。

2.4.3煙霧傳感器MQ-2

可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等的探測；靈敏度可調，工作電壓5 V，在使用前，供電稍預熱2 min左右便可正常工作。傳感器對環(huán)境液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等較敏感。當可檢測氣體濃度超過設定閾值時，模塊數(shù)字接口D0 輸出低電平，模擬接口A0 輸出的電壓會隨著氣體的濃度攀升而逐漸增大；小板數(shù)字量輸出D0可以與單片機直接相連，通過單片機來辨識高低電平，由此來檢測環(huán)境氣體。

2.4.4紅外傳感器 HC-SR501

全自動感應功能，也就是人進入其感應范圍則輸出高電平， 人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。

感應模塊在每一次感應輸出后，則將隨即設置一個封鎖時間段，在該段時間內感應器不接收感應信號。這一功能可以實現(xiàn)“感應輸出時間”和“封鎖時間”兩者的間隔工作，因而可應用于間隔探測產(chǎn)品；同時，該功能也可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾，并僅為微功耗。當人體從左到右或從右到左走過時，紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應靈敏度就越高。

3系統(tǒng)軟件設計

[JP3]至此，綜合前文論述，研究得到系統(tǒng)軟件流程可如圖3所示。

4結束語

[JP2]智能家居系統(tǒng)在實際應用上包括家居安保系統(tǒng)和家用電器遠程控制系統(tǒng)兩部分。其中，家居安保系統(tǒng)能夠精確地實現(xiàn)對用戶住宅的火災、有害氣體泄露、盜竊以及入室搶劫等險情的準確監(jiān)測和自動報警功能；家用電器遠程控制系統(tǒng)則通過語音電路和解碼電路生成提供用戶和系統(tǒng)的交互，實現(xiàn)對家用電器的遠程控制功能。移動信息技術的發(fā)展為家電遠程遙控設定了現(xiàn)實可能。而以單片機的研發(fā)為基礎，將信息技術與家電控制技術通過深度探索融合，從而最終有效達成了現(xiàn)代家庭生活的信息化和自動化，滿足了人們舒適、快節(jié)奏的生活需求。[JP]

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