試論基于單片機的智能家居遠程控制系統(tǒng)的設計路徑

牛偉明，許鵬飛

（1.河南工學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南新電信息科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

隨著科技的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)得以應用于人們的生產(chǎn)生活中。智能家居能夠滿足人們目前對生活質(zhì)量的要求，所以日益受到人們的青睞，但人們對智能家居的需求呈現(xiàn)出多樣化，如何滿足人們對智能家居的多樣化需求，已經(jīng)成為當前智能家居需要進一步完善的方向。在智能家居系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)始終占據(jù)核心地位，通過控制系統(tǒng)將智能家居各功能、各模塊實現(xiàn)聯(lián)通［1］。本文設計的主要內(nèi)容是圍繞智能家居環(huán)境實施數(shù)據(jù)信息的追蹤和采集、實時監(jiān)測以及安全防護，從而實現(xiàn)智能家居管理與服務的智能化和一體化。同時，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，智能家居將會進一步滿足人們的個性化需求，并實現(xiàn)智能家居各模塊功能的一體化，對于智能家居的節(jié)能環(huán)保以及生態(tài)安全等方面也極具價值和意義。

1 基于單片機的智能家居遠程控制系統(tǒng)的總體設計

基于單片機的智能家居遠程控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)主要由單片機來實現(xiàn)，所以對單片機進行合理選型至關重要。本設計選用的單片機型號為STC89C52RC，并將其作為核心處理器，用戶與系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳遞主要是通過GSM模塊搭設的平臺進行實現(xiàn)的。實現(xiàn)該系統(tǒng)定制功能，主要是通過如下邏輯來完成的：當撥通固話的情況下，會將大振鈴下產(chǎn)生的信息波動進行檢測，從而將語音提示發(fā)布出去，并且保證語音提示具有可操作性以及針對性。在此情況下，用戶會通過受到的提示將特定的指令鍵入到系統(tǒng)中，并將控制需求發(fā)送到系統(tǒng)，系統(tǒng)收到提示指令后，主控芯片便會通過無線網(wǎng)絡（Wifi）將傳感器收集到的所有數(shù)據(jù)信息進行搜集和整理，然后以短信或語音的方式將搜集到的數(shù)據(jù)信息向用戶發(fā)送，同時還可調(diào)控相關控制終端設施設備，從而使智能家居實現(xiàn)遠程控制［2］。此外，系統(tǒng)在運行過程中若檢測出系統(tǒng)自身存在危險情況，例如，燃氣泄漏、火災隱患等，將會通過系統(tǒng)平臺將危險信息發(fā)送至安保系統(tǒng)中，從而利用系統(tǒng)之間的聯(lián)動性避免危害擴大化。本研究設計的系統(tǒng)總體設計圖見圖1所示。

圖1 基于單片機的智能家居遠程控制系統(tǒng)總體設計圖

2 基于單片機的智能家居遠程控制系統(tǒng)的硬件設計

從圖1可以觀察到，基于單片機的智能家居遠程控制系統(tǒng)中包含了多個模塊，主要包括GSM模塊、控制終端模塊、WIFI模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等。所以該系統(tǒng)的硬件設計主要是對各模塊進行設計，以下便對各模塊的研發(fā)流程以及設計邏輯進行闡述：

2.1 硬件設計的總體概述

若要實現(xiàn)系統(tǒng)各硬件模塊的有效設計，需要清楚各模塊的設計邏輯。在本系統(tǒng)中，核心處理器是STC89C52RC單片機，所以在設計該遠程控制系統(tǒng)時，應該將該處理器作為核心，在其基礎上增加其他器件。例如，在本設計中需要增加GSM模塊以及傳感器模塊，從而通過傳感器模塊獲取數(shù)據(jù)信息，并且還能夠形成以家庭網(wǎng)關為主的硬件平臺；同時，在本設計系統(tǒng)中，各傳感器模塊以及主控系統(tǒng)之間之所以能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的及時傳遞，主要是通過WIFI模塊來進行實現(xiàn)，該模塊發(fā)揮著重要的通訊功能，能夠使傳感器收集的各類數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)共享。而本系統(tǒng)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)遠程智能化控制，主要是通過數(shù)據(jù)信息共享實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)信息共享依托于傳感器模塊，該模塊不僅能夠?qū)⒏黝悢?shù)據(jù)信息進行準確、完整的收集，而且對數(shù)據(jù)信息還具有實時監(jiān)控的作用。當傳感器模塊監(jiān)測數(shù)據(jù)信息時，若數(shù)據(jù)信息中的部分指標存在明顯的波動，則傳感器便會將這些波動數(shù)據(jù)信息提取，然后向其他模塊和系統(tǒng)進行反饋，同時向主控系統(tǒng)提交波動數(shù)據(jù)信息。

在本次設計的系統(tǒng)中，對該系統(tǒng)進行設計主要是為了滿足用戶的個性化需求，而用戶的各類需求必然是通過系統(tǒng)來實現(xiàn)的，所以需要將用戶與系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)信息交互、傳輸?shù)龋?］。這一功能主要是通過GSM模塊實現(xiàn)的，由于GSM模塊中附帶電話語音功能以及短信功能，有助于實現(xiàn)智能家居的遠程監(jiān)控。但是系統(tǒng)在對各項指標進行檢測的過程中，若出現(xiàn)指標偏離的情況，主控系統(tǒng)便會將偏離的指標信息通過GSM模塊向用戶推送；用戶則會通過系統(tǒng)中嵌入的信息瀏覽模塊、語音播報模塊以及控制GSM的模塊對推送的語音信息和文字信息進行播報和瀏覽，從而實現(xiàn)用戶交互；當用戶接收到語音信息，該系統(tǒng)的主控芯片會將用戶的指令進行定向傳遞，使用戶的指令信息能夠聚集到STC89C52RC單片機上，進而能夠依據(jù)用戶的指令信息進行執(zhí)行，實現(xiàn)遠程控制。同時還可以通過系統(tǒng)設備來完成相關調(diào)試工作。

根據(jù)上述流程及邏輯，在系統(tǒng)硬件設計過程中，需要圍繞所有的功能模塊來開展硬件選擇工作和電路設計工作，與此同時，還應該實施軟件編程的調(diào)試工作，從而為系統(tǒng)遠程監(jiān)控提供基礎條件。

2.2 無線通信模塊的設計與確定

當前智能家居應用的通信技術(shù)豐富多樣。但大部分通信技術(shù)仍處于有線連接狀態(tài)，這種有線通信技術(shù)存在較多的缺陷，尤其是在布線設計方面比較復雜，并且在擴展性方面也比較差。隨著科技的不斷發(fā)展，無線技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得以推廣和發(fā)展，智能家居的通訊領域已經(jīng)開始應用無線技術(shù)，無線通訊技術(shù)為人們的生活帶來便利性，所以用戶在選擇智能家居時，會將附帶無線通信技術(shù)的智能家居作為首選。隨著新技術(shù)的發(fā)展與應用，智能家居在通信方式上也實現(xiàn)了更新發(fā)展，傳統(tǒng)通訊技術(shù)已逐漸被取代，產(chǎn)生了一系列新式通訊技術(shù)，例如，WIFI技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Z－Wave技術(shù)以及紅外通訊技術(shù)等。其中，紅外通訊技術(shù)存在傳輸距離較短、通訊角度較小等缺陷，因此該技術(shù)很少應用于智能家居領域中；ZigBee技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)近距離傳輸，并且還具備成本優(yōu)勢和功耗優(yōu)勢，但在實際開展遠程控制時，ZigBee技術(shù)的傳輸距離以及速度均受到了限制，導致該技術(shù)在實際應用過程中也同樣受到限制；Z－Wave技術(shù)的傳輸速率一般在9.6kbps左右，在室內(nèi)應用時，其信號有效覆蓋范圍可達到30m，在室外應用時，其信號有效覆蓋范圍可達到100m之外，在窄帶寬場合條件下比較適用，并且具備一定的穩(wěn)定性以及安全性，但ZWave屬于一種樹狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，若樹狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的上端部分斷掉，則下端全部處于連接狀態(tài)的設備將會出現(xiàn)癱瘓，智能家居連接的設備一般比較多，一旦采用Z－Wave技術(shù)進行無線通訊，將容易造成設備癱瘓［4］，所以當前該技術(shù)在國內(nèi)一般屬于非民用無線通訊技術(shù)，且國內(nèi)對該技術(shù)的應用也不常見；而WIFI技術(shù)能夠滿足智能家居遠程控制的各方面需求，不僅覆蓋范圍較廣、傳輸速度較快，而且還具備較高的安全性，可將智能家居所使用的各類安防器材和電氣設備進行安全、高效的連接，從而使智能家居無線通信得以有效實現(xiàn)。因此，本設計將WIFI技術(shù)應用于智能家居的遠程控制系統(tǒng)中。

2.3 GSM 模塊的設計

GSM模塊類似于移動電話通訊模塊，該模塊的主要作用是將電路板實現(xiàn)功能集成，使系統(tǒng)具備移動電話的部分功能，例如，本系統(tǒng)中涉及的語音信息發(fā)送功能。若要實現(xiàn)GSM模塊的有效控制，必須通過控制系統(tǒng)使用AT指令對其實現(xiàn)控制，GSM模塊同RS232串口之間連接，同時也可以通過單片機對GSM模塊進行控制。

GSM模塊主要包括GSM射頻、基帶處理器、ZIF連接器、FLASH以及供電模塊等部分［5］。在GSM模塊中，短信息模式是其關鍵的功能單元，其設置模式包括TEXT模式、BLOCK模式以及PDU模式。三種模式中，PDU模式比較適用于GSM模塊，主要是因為該模式能夠通過AT指令對重點信息功能進行調(diào)控。相對于其他模式，PDU模式更加具備可操作性和便捷性，通過發(fā)布一條AT指令便能夠?qū)Χ绦畔嵤┯行У木庉嬏幚??；赑DU模式的優(yōu)勢，本系統(tǒng)設計中GSM模塊采用的模式可選擇PDU模式。

2.4 傳感器模塊的設計

在智能家居遠程控制系統(tǒng)中，家居環(huán)境監(jiān)測是關鍵，可采取篩選以及測試的方法。本系統(tǒng)設計包含了多個傳感器模塊，而傳感器的類型也比較多，且各類傳感器的功能也存在差異，所以在傳感器實際選型時，還要根據(jù)系統(tǒng)以及用戶的實際需要來選擇傳感器類型。常見的傳感器類型如下：

（1）火焰?zhèn)鞲衅鳎哼@種傳感器的靈敏度具有可調(diào)節(jié)性，針對火焰光譜具有強烈的敏感度，其外觀比較簡潔化，可對繼電器模塊形成驅(qū)動力，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫度的準確控制。

（2）煙霧傳感器：這種傳感器主要應用于家庭和工廠，通?？蓪π孤怏w進行檢測，例如，家庭使用的液化氣、燃氣等，工廠出現(xiàn)的丙烷、煙霧等有害氣體，煙霧傳感器有著非常明顯的檢測效果，其靈敏度能夠適當調(diào)節(jié)。該傳感器在實際工作時的電壓可達到5V，對傳感器裝置進行啟動之前，應該對其進行預熱，預熱時間至少要達到2min，若檢出氣體的濃度在預設范圍之外，則傳感器模塊DO輸出將會轉(zhuǎn)變成低電平，在這種情況下，電壓也會因氣體濃度的上升而出現(xiàn)提升，并且DO輸出可直接連接單片機，故可通過單片機來檢測并確定高低電平。

（3）溫濕度傳感器：此類傳感器多為數(shù)字傳感器，一般用于室內(nèi)相對溫度以及相對濕度的測量，也可用于能耗傳輸以及長距離傳輸方面的測量，所以此類傳感器在數(shù)據(jù)記錄器、氣象站、暖通空調(diào)、設備測試以及醫(yī)療等方面和領域均有所應用。

（4）紅外傳感器：此類傳感器附帶自動感應功能，當人體進入到某一特定區(qū)域范圍內(nèi)，該傳感器便會轉(zhuǎn)變成高電平輸出，當人體離開這一特點區(qū)域范圍后，該傳感器便會通過自動延遲功能將高電平逐漸關閉，并轉(zhuǎn)變成低電平輸出。感應模塊在輸出后會步入封鎖時段，在此時段內(nèi)無法收到感應信號，這一情況是實現(xiàn)封鎖時間以及輸出時間的基礎條件。所以在開展間隔探測的過程中，紅外傳感器比較適用，除此之外，紅外傳感器還可將負載切換過程中受到的外部干擾予以降低，且形成的功耗非常低。當人體從各向走動時，紅外光譜存在一定差值，當差值較為明顯的情況下，正式紅外傳感器的靈敏度增長。

3 基于單片機的智能家居遠程控制系統(tǒng)的軟件設計

如圖2所示，該軟件系統(tǒng)運行后，串口定時器會處于初始化狀態(tài)，初始化后會與GSM模塊進行連接，通過GSM模塊發(fā)送開機短信，通過運行后，傳感器會將智能家居各部分產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行收集，然后系統(tǒng)會對傳感器數(shù)據(jù)進行獲取，并對獲取的傳感器數(shù)據(jù)進行檢驗。當檢驗結(jié)果顯示數(shù)據(jù)超出預警的情況下，系統(tǒng)會發(fā)出警報，并通過GSM模塊編輯和發(fā)送報警信息，報警信息由用戶接收，用戶根據(jù)報警信息作出指令，通過GSM模塊執(zhí)行，形成新的數(shù)據(jù)。當檢驗結(jié)果顯示數(shù)據(jù)未超出預警的情況下，便會將正常的溫度、濕度以及時間等信息顯示出來，然后進入Led初始化階段，最后結(jié)束，具體軟件設計邏輯圖見圖2所示。

圖2 軟件設計邏輯圖

4 結(jié)論

綜合上述內(nèi)容，在當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下，智能家居已成為人們家居生活的首選，而在利用單片機控制的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)智能家居的遠程控制，更加方便了人們的日常生活。在本設計中，通過單片機控制，聯(lián)合GSM模塊、傳感器模塊以及無線通信模塊等硬件設施，結(jié)合軟件設計，基本能夠?qū)崿F(xiàn)智能家居遠程控制系統(tǒng)的設計，使人們對智能家居的需求得到滿足。