基于樹莓派及MCS—51單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳駿耀 陳芬生 林鐸 梁珀榮 林培照

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用樹莓派為上位機(jī)，MCS-51單片機(jī)為下位機(jī)，設(shè)置多個單片機(jī)從機(jī)用作控制模塊，使用Flask做為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)框架，基于Python語言設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制界面，用戶能夠在PC端或手機(jī)終端通過該界面來實(shí)現(xiàn)智能家居控制開關(guān)的應(yīng)用功能。

關(guān)鍵字：樹莓派；MCS-51單片機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；Flask框架；智能家居

一、緒論

目前智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強(qiáng)的家庭主控制器和滿足信息傳輸需要的家庭網(wǎng)絡(luò)，主要有PC架構(gòu)、單片機(jī)架構(gòu)、嵌入式架構(gòu)三大解決方案[1]。一般情況下，非PC系統(tǒng)就是我們常說的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的軟硬件可裁剪，從而能更靈活的適應(yīng)不同的應(yīng)用場景；PC機(jī)架構(gòu)與單片機(jī)架構(gòu)在運(yùn)行上都存在穩(wěn)定性不高的問題[2]，而嵌入式系統(tǒng)采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，結(jié)合單片機(jī)的實(shí)用性與易用性，本文從照明控制與窗簾控制入手，提出了一種以嵌入式系統(tǒng)為主、單片機(jī)架構(gòu)為輔的組合式方案來進(jìn)行智能家居的網(wǎng)絡(luò)控制。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在樹莓派開發(fā)板上搭載Ubuntu Mate 16.04系統(tǒng)，組成一個嵌入式系統(tǒng)控制中心，采用最新的Flask框架搭建Web服務(wù)器，用戶可使用PC端或者手機(jī)終端通過無線網(wǎng)絡(luò)登錄控制頁面。系統(tǒng)框圖如下：

三、硬件環(huán)境搭建

1.樹莓派與MCS-51單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸

在MCS-51單片機(jī)上設(shè)置中斷事件，通過檢測樹莓派電路板上指定I/O口的高低電平的變化來判斷中斷事件是否發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸；若中斷事件發(fā)生，則表明用戶在網(wǎng)絡(luò)控制平臺進(jìn)行的相應(yīng)操作（如照明的開關(guān)）經(jīng)由樹莓派上的Ubuntu系統(tǒng)處理后，將信號進(jìn)行傳遞，此時接收到信號的MCS-51單片機(jī)將實(shí)施對實(shí)際電路模塊的控制。

2.單片機(jī)與單片機(jī)之間的通信

本文設(shè)計(jì)中共用到三個MCS-51單片機(jī)，其中一個用作主機(jī)，另外兩個用作從機(jī)；主機(jī)接收來自系統(tǒng)控制中心的數(shù)據(jù)，并且通過nRF24L01無線模塊向另外兩個從機(jī)發(fā)送指令；從機(jī)接收到指令后進(jìn)行對窗簾或照明的控制。nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，可以進(jìn)行一對多同通信，其工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式，在這里我們采用了收發(fā)模式。

3.Nrf24L01之間通信調(diào)試

在發(fā)送端先讀取狀態(tài)寄存器，判斷標(biāo)志位是否置位，再清除標(biāo)志位，調(diào)試時候可以先固定一端（比如接收端），調(diào)試發(fā)送端，確保發(fā)送正確后再嘗試調(diào)試接收端。本文將采用shockburst模式發(fā)送接收數(shù)據(jù)，在此方式下，通訊協(xié)議如下：對發(fā)送方（配置PRIM_RX為低）：發(fā)送方啟動發(fā)送后，即CE拉高至少10us，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后使用通道0接收終端應(yīng)答ASK信號，如果沒有收到ASK，發(fā)送方將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直到收到應(yīng)答信號或重發(fā)次數(shù)超過設(shè)定最大值為止。若超過最大次數(shù)，將會產(chǎn)生MAX—RT中斷，IRQ輸出低電平。若收到了ASK信號，認(rèn)為發(fā)送成功，將產(chǎn)生TX_DS中斷。對接收方（配置PRIM_RX為高）：接收方啟動接收后，即CE拉高至少10us，若接收到的數(shù)據(jù)通過CRC校驗(yàn)正確，則將數(shù)據(jù)存儲在RX_FIFO中。

四、軟件程序設(shè)計(jì)

采用最新的Flask框架搭建Web服務(wù)器，F(xiàn)lask是一個使用Python編寫的輕量級Web應(yīng)用框架，其WSGI工具箱采用Werkzeug，模板引擎則使用Jinjia2，F(xiàn)lask自帶開發(fā)用服務(wù)器和debugger、集成單元測試和RESTful調(diào)度請求。本文使用Python+Flask設(shè)計(jì)出智能家居控制網(wǎng)頁，如圖3。

在同個局域網(wǎng)下面，用戶可以使用PC端或者手機(jī)終端在地址欄輸入IP+端口號登錄，用戶通過HTTP協(xié)議訪問網(wǎng)頁控制平臺。

運(yùn)行python程序后，只要有用戶連接到正確的IP+端口號，在系統(tǒng)控制中心下還可以及時得到智能家居控制情況的反饋信息，如所訪問的用戶，響應(yīng)時間以及網(wǎng)頁是否正常響應(yīng)等，保證系統(tǒng)運(yùn)行的正確性。

五、結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的基于樹莓派及MCS-51單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)，樹莓派上搭載的Ubuntu Mate 16.04作為系統(tǒng)運(yùn)行后臺，采用MCS-51單片機(jī)作為控制終端，使用NRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)各個控制終端之間的通信，方法簡單有效；并且使用基于Python的開源框架Flask設(shè)計(jì)了智能家居網(wǎng)頁控制界面，使得用戶可以通過PC端或手機(jī)端通過HTTP協(xié)議訪問該界面進(jìn)行智能家居的控制，系統(tǒng)后臺可以及時得到反饋信息，有效地保障了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鴻. 幾種智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案的分析與比較[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2010， 3（314）： 143-146

[2]郭福洲. 嵌入式技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 論述， 2017， 22（11）： 334-336