基于智能家居系统的普及型移动环境检测与调节系统

北京邮电大学国际学院 杨骏恺

1.前言

先进的技术性，高昂的设备以及垄断的技术，决定了目前我们可能接触到的智能家居系统，往往都安装在高档写字楼以及常人无法接触到的奢华别墅里面，而据了解所知，目前的智能家居系统，无非是让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动或智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行。而对于普通住宅楼中的普通住户，花费整体房款几分之一甚至十几万来购买一套智能家居系统是不可能的事情，所以，为了提高智能家居系统的普遍性，本人设计、制作并检测了属于自己的，普及型智能家居移动检测与调节系统。

本作品具有功能完善、成本低廉、使用方便等特点，有很强的实用性，易于产品化和市场化。并且充分利用移动方案，使家庭不必使用数量较多的传感器，在解决无死角问题的同时，可以为家庭省去一笔可观的成本，又符合国家可持续发展的基本国策。同时，集成了远程操控系统，使用户可以在热和地方享受智能家居调节系统带来的便利性，这具有广泛的发展前景。

2.工作原理及功能

2.1 工作原理总体描述

基于电路设计的要求，智能家居系统的普及型移动环境检测与调节系统电路主要由ATMEGA128为核心的单片机最小系统为控制主板，整个主板集成无线模块，有害气体传感器，温度传感器，烟雾传感器，噪声传感器以及移动跟踪传感器。同时集成了摄像头，使此系统可以监控视频。主板安装于可移动的车体上，又四个独立步进电机驱动，通过上位机电脑操控可以自动或被动完成各方位移动。调节模块的实现通过安装有配套无线模块的电磁阀们，电动窗和电动窗帘实现。

本系统使用了单片机、传感器等技术，通过ATMEGA128为系统的主控芯片，完成各模块的连接与控制。

图1 硬件结构图

图3 检测温度模块模可块

图4 步进电机驱动原理图

图5 无线接收模块

系统的关键技术问题在于各种环境参数的检测，监测到的数据通过电信号传给主芯片进行分析，经过与用户预先设定的数据或者根据国家标准设定的数据进行比较，给动作模块发出相应反应，使之完成不同行为。

（1）用户通过上位机遥控或给出自动行走命令，使四个步进电机得到行走信号，完成移动模块四处移动的行为操作。（2）用户通过上位机检测命令或者主板根据已存命令控制各传感器检测环境状况，通过AD采集数据并将其传送给单片机，通过单片机分析后与已经设定强度进行比较，然后根据不同相应传感器采取不同操作：1）对于火焰和烟雾：控制电机转动，吹散和吹灭。2）对于高浓度有害气体：控制电机转动，打开电动窗通风。3）对于高噪声：控制电机关闭电动窗。4）对于红外门禁系统：监测到入侵者锁闭门窗，并开启摄像头传输图像。

2.2 功能总体描述

移动模块在降低传感器数量至最低的情况下，更能够避免室内检测的死角，像沙发后，床底等常规检测不可及之处。同时，通过编程实现的自动避障移动，可以使得整套设备在无人操控的情况下自主检测环境，并即时对监测到的环境数据做出相应调节反应。各种传感器对监测到的数据分析后发生相应反应，并可以把数据随时传到使用者手机上面。使用者可以在有网络的情况下，无限远距离给出自动操作指令或远程遥控整套产品进行工作。移动平台自带摄像头可以事实传送图像至使用者移动终端或对室内画面进行监控录像。集成了无线自动移动功能的室内环境检测系统结合远程操控，使得智能家居成套系统的成本大大降低，且操控性和实用性增强，又不失高端智能家居系统的功能。

2.3 CPU Atmega128的主要核心功能应用

本套普及型移动环境检测与调节系统设计了一个以高性能、低功耗的AVR8位微处理器-Atmega128为核心的单片机最小系统板，其拥有先进的RISC结构：大多数可以在一个时钟周期内完成的133条指令，使面对多个传感器时单片机可以从容不迫正常工作，同时非易失性的程序和数据存储器也可保证各个元器件的正常工作。

ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与ALU（算术逻辑单元）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。

同时，在它基础上进行外围电路的扩展。用到了此芯片的如下功能：

1）两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，TMR0和TMR1，定时器1用来给电机提供脉冲，定时器0用来检测按键输入；

2）一个I/0作为模拟串口输入，作为温度传感器的输入口；

3）一个I/0作为模拟串口输入，作为烟雾传感器的输入口；

4）一个I/0作为模拟串口输入，作为火焰传感器的输入口；

5）一个I/0作为模拟串口输入，作为有害气体传感器的输入口；

6）一个I/0作为模拟串口输入，作为噪声传感器的输入口；

7）使用2个定时器/计数器TMR0和TMR1，定时器1用来给电机提供脉冲，定时器0用来检测按键输入、刷新液晶屏显示，检测霍尔传感器的位置；

8）若干个I/0口作为电机的控制口，按键，无线控制等。

3.系统总体设计

3.1 系统总体设计思路

根据要实现的功能要求，采用图1所示的方案。系统主要包括以Atmega128为单片机最小系统作为本作品的中央处理装置；采用2596做稳压，配以各种保护电容，和线圈，稳定输出5v恒定电压，为各电路系统提供稳定的电源；内部安有：1）一个18B20温度传感器，测量室内温度。2）一个有害气体传感器，检测三种室内有害气体浓度。3）烟雾传感器，检测环境烟雾浓度。4）火焰传感器，检测室内是否存在明火。5）噪声传感器，检测噪声强度。步进电机用独立51单片机芯片控制，和主芯片电路板分开，实现整个系统移动模块的移动；各个传感器检测相应数值，把数值返回给单片机，以实现各个传感器的控制；最后把室内温度，有害气体浓度，烟雾浓度，是否存在火焰，噪声强度以及用户设置的数值，当前控制状态的通过上位机在电脑屏显示出来，同时远程传送给用户联网客户端，让用户可以直观的使用本系统。

3.2 硬件设计（系统方块）

本系统主要由Atmega1282为核心的单片机最小系统、主控底板、蓄电池（电源）系统、外围传感器、L298N副控制板（电机驱动电路）、步进电机、无线控制模块和温度传感器、烟雾火焰噪声以及有害气体传感器组成。

3.2.1 Atmega1282单片机最小系统

最小系统由Atmega1282单片机及复位电路构成，由于无需晶振，可以减小电路板尺寸。本设计中将最小系统与四个按键、四个LED指示灯做成一块中心板，并且将Atmega1282单片机所有引脚以功能模块化的结构引出形成引脚扩展，并为步进电机、无线模块、数据采集单元、其他传感器传感器模块设置了专门的外围插排，使用很方便，对应的外围设备只需按相应的位置放好即可。本设计巧妙、方便、实用、可靠。

3.2.2 电源模块

为保持电力，我们采用军工级的电池，保证我们的每个模块能够顺利工作的前提。在这里我们采用分别供电，即电池组一为移动模块供电，电池组二为其他元件供电。

3.2.3 数据采集单元

以温度传感器为模板

当不同的温度被温度模块检测到时，电阻的阻值不同。如当温度很低，温度传感器电阻的阻值可能达到好几百千欧。当光照很高时，温度传感器电阻的阻值很小，在500欧左右。Vout=R3/(R3+10)。输出的电压经过AD转换成12位的数字量进行比较。由于HT46RU232自带了AD转换的功能，无需外加AD转换芯片。

3.2.4 电机驱动模块

将直流电能转换为机械能的转动装置。电机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。

我们使用的直流电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：

（1）控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D相的通断。

（2）控制步进电机的转向

四个轮子单独供电，又差动方式进行转向。

（3）控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

3.2.5 无线控制模块

无线模块采用2262作为发送端的编码芯片，接收端利用2272M4系列作为解码芯片。2272的14脚作为接收头的输入端。1013脚为解码后的输出端，输出TTL电平与HT46RU232芯片连接。当发送端共有4个按键，分别为A，B，C，D。当发送端有按键按下时，接收头接收到相应的无线信号，经过解码，10～13脚对应的引脚输出高电平。由于2272M4是非自锁型的芯片，当按键松开时，引脚的高电平变为低电平。这可样就可以实现单个按键的重复操作。

3.3 系统的软件设计与实现

上位机程序由basic语言来编写。位机程序使得其他设备都可能实现机器人的控制，同时也就使机器人运作由手动操控上升到一个智能的高度，也就是我之前所说的intelligent。我们现在的上位机程序已经实现了控制机器人行进，拍摄，机械臂的运动以及检测数据的显示。与此同时，我们实现数据自动分析，视频监控与上位机相结合等。

[1]http://baike.baidu.com/view/2984056.html关于ATMEGA128之简介.

[2]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8温度传感器新纪元.

[3]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%E6%B5%81%E7%94%B5%E6%9C%BA直流电动机的概念.

[4]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%E6%B5%81%E7%94%B5%E6%9C%BA直流电动机换向概念.