智能家居控制系统

杨中华等

摘 要：本文阐述了基于蓝牙通信和点对点WIFI通信的智能家居控制系统设计方案。该方案实现了通过智能手机来便捷地控制家用电器开关、获取家庭环境数据、安全监控、遥控四轴飞行器进行巡视等功能。此系统涉及无线通信，单片机，传感器，Android软件开发等技术。

关键词：蓝牙串口；Android；传感器；点对点WIFI

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

目前智能手机大范围普及，而且大部分人都随身携带，这为智能家居提供了一个良好的控制平台。本文描述的方案使用廉价的单片机作为控制中枢，配合温度传感器，红外线传感器等采集环境参数和安全状况。同时实现了对家居电器的方便控制。带有实时画面传输功能的四轴飞行器的引入使得控制和监控更为便捷。整个系统具有很好的稳定性和很高的性价比，在智能家居市场有一定的竞争力。

1 系统功能分析

本系统的主要功能有以下几点：

⑴环境数据采集

⑵安防报警

⑶电器开关控制

⑷四轴飞行器巡视

下文将对以上功能进行阐述和分析

1.1 环境数据采集

家居环境数据主要有温度、湿度、煤气、光强等。对于每个数据，都有对应的传感器进行采集。由于测试环境的限制，本方案仅选择温度传感器作为范例。本方案中温度传感器型号为DS18B20。它是一种常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。测温范围为-55℃～+125℃，完全能够满足日常生活测温需要。

温度传感器连接在单片机开发板选定的接口上，当单片机收到来自智能手机的测温指令时，便通知传感器进行测温，并手机数据，处理后传送给手机。

当接收到指令时，单片机首先通过数据线向传感器发送特定的波形信号，传感器接收到信号以后，开始进行温度测量和转换工作。此时，单片机则在等待传感器输出结果。一旦单片机接收到数据，便进行处理，转换成温度然后发送给手机。

1.2 安防报警

安全监控是家居所需要的一项重要功能，目前一般民用安全监控有视频监控，红外报警器等。红外报警器分主动式和被动式两种。主动式红外线报警器，是报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回来，被报警器的探头接收。如果探头监测到，红外线是静止不动的，也就是不断发出红外线又不断反弹的，那么报警器就不会报警。当有会动的物体触犯了这根看不见的红线的时候，探头就会检测到有异常，就会报警。本方案采用的是主动式红外线报警器。

当红外线报警器被触发时，会以中断的形式通知单片机，单片机会向智能手机发送报警信息提示用户。

1.3 电器开关控制

智能家居的另一项重要工作就是对家用电器的控制。可控制的领域包括空调、冰箱、电视、灯具、窗帘等设备。本方案中选择灯具作为范例。

当用户需要控制某一盏灯的开关时，通过手机向单片机发送指令，单片机再控制指定的端口的电平，从而控制灯具的开关。由于家庭的灯具不止一盏，所以此项功能的关键点是控制的方式和模式。针对各个家庭的特殊情况，需要制定不同的控制方案，比如全部点亮，全部熄灭，控制特定的灯点亮等。控制模式这一部分工作可以交给客户端软件来进行，软件将支持用户进行自定义控制模式，从而实现灵活控制，关于软件的介绍将在下文进行。

1.4 四轴飞行器巡视

四轴飞行器（四旋翼飞行器）也称为四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。它是多旋翼飞行器中最基本的一种。近几年，得益于微型自动控制系统的发展，四旋翼飞行器发展十分迅速。

飞行器利用三轴陀螺仪和三轴加速度计来向控制结构反馈其运动状态，从而实现稳定控制。但是由于匀速的偏移是加速度计检测不出来的，所以要实现真正准确的定位需要更为精确的定位系统。有条件的话可以在室内安装反射定位系统等给飞行器建立室内坐标并提供给飞行器。四轴的控制也是一项庞大的工程，目前已经有很多机构在这一领域取得了显著的成果，所以实现精确控制指日可待。

本方案中引入四轴飞行器的设想是，可以利用其灵活的特性，实现对家庭某些不易到达地点的巡视。比如独栋住宅的房顶状况，狭窄地带的物品寻找等。另外只要控制系统足够优秀，在室内四轴飞行器可以进行小物品搬运，智能监视，空中视角录像等功能。大大增加智能家居领域的范围和功能。

四轴飞行器同样使用智能手机作为遥控平台。利用点对点WIFI作为通信手段，进行控制信号的传输和实时画面传输。

2 数据处理和控制平台

此部分侧重介绍系统的软件部分，包括单片机运行程序，家居控制软件和四轴控制软件。

2.1 数据处理

数据处理是指对传感器的数据进行采集和处理、转发数据、对控制指令的处理和转发的工作。在本系统中，此工作由MSP430F149来承担。MSP430F149是一款低功耗、廉价、但功能强大的单片机。我们编写了控制单片机运行的程序，使其能够高效有序地处理指令和数据信息。

具体的程序包括温度传感器数据处理部分、红外传感器数据处理部分、指令解释和执行部分、串口数据发送和接收部分。

温度传感器的输出是二进制数据流，单片机要负责把温度数据提取出来，转换成十进制数据并送往串口发送。

红外传感器主要以中断的形式提供报警信息。当特定端口电平改变时，单片机进入中断处理程序，向手机发送报警信息。

指令解释和执行部分则负责接收手机发来的指令，并对相应的组件执行指令。

串口数据转发部分主要负责串口通信协议的实现，对二进制数据流进行检验和译码。

2.2 控制平台

由于我们选定的控制平台是智能手机，所以我们开发了一款Android应用作为客户端。

此客户端可以接收来自单片机转发的数据，进行一定处理后呈现给用户。同时能够向单片机发送控制指令。能够良好地实现控制功能。本软件的技术核心是对蓝牙设备的调用和串口通信的开发。

另一个控制软件是四轴飞行器的遥控软件。此软件要进行的主要工作是接收摄像头的画面信息并显示。模仿真实的遥控器向四轴发送控制信号。通过控制各个电机的转速来控制四轴的运动姿态。本软件的技术核心是对WIFI设备的调用、WIFI数据传输的开发、四轴控制算法的应用。

3 无线传输

3.1 蓝牙传输

单片机和手机之间的通信，我们选择使用蓝牙通信技术来实现无线传输。具体地来说，是用蓝牙来实现串口通信。由于控制指令和传感器数据的数据量不大，所以蓝牙串口通信技术完全能够承担这一任务。

用蓝牙技术来实现串口通信，需要将单片机的串口数据输出至蓝牙模块，蓝牙模块对二进制数据流进行编码、调制后发送。手机对接收到的信号进行译码等处理，提取出信息。

3.2 点对点WIFI

由于四轴飞行器要进行实时画面传输，数据量较大，因此必须选用一种高效的数据传输方式。所以我们选择了点对点WIFI来实现这一功能。

四轴上装载有WIFI模块来实现数据的传输，能够实现100米范围内可靠的数据传输服务。

4 总结与展望

在智能家居控制系统的设计中，理念的地位非常重要。很多时候一个新的控制理念的提出，甚至会引发某领域的一个革命。本系统实现了智能家居的一些功能，但是可做的还有很多，比如对窗帘的控制、智能唤醒、语音控制、家庭娱乐等功能。而且以后可能出现的新技术将为智能家居领域翻开新的篇章。现在智能家居市场还没有真正展开，随着人民生活水平的提高，智能家居将会有非常广阔的发展空间。

[参考文献]

[1]向忠宏.智能家居[M].人民邮电出版社，2002：15-38.

[2]顾牧君.智能家居设计与施工[M].同济大学出版社，2004：100-120.