低成本智能家居系统设计

Design of the Low-cost Smart Home System

马　振1　宋雅庆2　王　珂2　陈祺超2

(杭州应用声学研究所1，浙江 杭州　310000；江苏师范大学电气工程及其自动化学院2，江苏 徐州　221000)

低成本智能家居系统设计

Design of the Low-cost Smart Home System

马振1宋雅庆2王珂2陈祺超2

(杭州应用声学研究所1，浙江 杭州310000；江苏师范大学电气工程及其自动化学院2，江苏 徐州221000)

摘要：鉴于现有智能家居产品存在的价格较高的问题,为使智能家居得到推广普及，对智能家居低成本实现方案进行了研究。方案以单片机为主控制器，以语音控制电路为辅助控制。传感器测量电路构成子模块，通过无线传输实现数据处理和相应的控制。系统主要用于对家庭生活环境的监测和对电器设备的系统自动控制和语音识别控制，旨在让家庭生活更加安全便捷。最终测试结果表明，通过对监测模块的数据进行分析处理，有效地实现了对室内外温湿度、室内空气质量、PM2.5、人体红外体温、防火防盗等的监测，同时又降低了整体硬件成本。

关键词：智能家居单片机传感器语音控制无线传输

Abstract：At present, the existing products of smart home are all in higher prices, in order to widely popularize smart home, the low cost implementing strategy for intelligent household has been researched. In this strategy, single chip machine is used as the main controller, and the voice control circuit is working as auxiliary control. The sub-module is composed of sensor measurement circuits; data processing and appropriate control are realized through wireless transmission. The system is mainly used to monitor the environment of domesticity, and automatic control and voice recognition control of appliances, aims to make family life more secure and convenient. Through analyzing and processing the data from monitoring module, the result of final test shows that the system effectively realize the functions of monitoring the indoor and outdoor temperature and humidity, indoor AQI, PM2.5, human body infrared temperature, and fireproof and burglarproof monitoring, etc., in addition, the entire hardware cost is reduced.

Keywords：Smart homeSCMSensorVoice controlWireless transmission

0引言

物联网的概念最初来源于美国麻省理工学院(MIT)在1999年提出的网络无线射频识别(RFID)系统——把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理[1]。随着生活节奏的加快，人们日益需求家居生活的智能化、自动化，进而能从繁重的家务事中解脱出来。作为新兴产业，智能家居(smart home)在物联网迅速发展的背景下应运而生。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、通信技术及自动控制技术等有关技术实现家居设施的互联，构建智能的住宅设施管理系统，从而实现安全舒适且环保节能的居住环境[2]。目前总体来说，与智能家居有关的产品还处在起步发展阶段，没有形成一个统一的技术标准和设计理念。

如何使系统低成本、低功耗、自组织、高效率地运行是现代智能家居系统设计过程中所要考虑的重要问题[3]。国内主流的智能家居产品在技术上还处在探索完善阶段，功能上侧重于理论研究,对普通消费者而言实用性不大，同时智能家居产品价格也超出普通消费者的承受能力。为了实现智能家居的普及，必须在降低价格的基础上，将产品的功能实用化，避免华而不实。因此，本文提出并验证了一款低成本智能家居系统实现方案。方案以无线传感器网络节点为基础，通过节点间的数据传输处理实现了家庭自动化[4]，同时也大大降低了生产成本。

1系统概况

1.1　总体设计

系统物理构架由传感器网络节点构成星型无线连接[5]。传感器网络分为主控电路模块、空气质量检测模块、红外测温模块、门窗防盗模块、火灾检测模块、光控节能灯模块、自动窗帘模块、继电器控制模块。由子模块构成的感知层[6]将监测的数据传送至主控电路,主控电路负责完成对数据的分析处理。系统设计框图如图1所示。

图1　系统设计框图

1.2　系统工作流程

系统开机运行，初始化完成后，会对各个子模块发送数据刷新指令；在获得各个模块发送的数据后，主控电路进行相应的处理并发送执行命令。工作时，系统以固定周期刷新检测数据。期间，系统可以执行外部中断程序或进行系统的设置操作。系统工作流程如图2所示。

图2　系统工作流程图

2系统电路设计

2.1　主控电路

主控电路由51单片机作为处理控制器，在功能和价格上均能满足要求。无线模块由Nordic公司生产的NRF24L01及其外围电路组成的。这样既能完成类似ZigBee的无线收发功能，又可以降低成本。显示电路采用LCD12864作为用户与系统的互动界面，辅以必要的操作按键。

语音控制电路是主控电路的辅助电路，采用ICRoute公司的一款非特定人语音识别专用芯片—LD332X。该芯片集成了语音识别处理器和相关外部电路，包括A/D、D/A转换器、麦克风接口等。语音指令格式，如“你好，开灯”(其中“你好”为用户预设语音，用于设备唤醒)，由主控电路发出无线指令，实现对家用电器的语音控制。主控电路如图3所示。

图3　主控电路图

在系统设计阶段将各模块进行地址编码，数据发送采用广播形式。各模块在收到数据时判断地址是否正确，否则丢弃。出于安全考虑，可以在实际应用时对数据进行加密发送。

指令发送环节由主控电路发送指令码，一个指令码由四个字节构成：地址高位、地址低位、指令码高位、指令码低位。控制字节组成框图如图4所示。

图4　控制字节组成框图

数据接收环节由子电路发送数据码，一个数据码由四个字节构成：地址高位、地址低位、数据码高位、数据码低位。数据字节组成框图如图5所示。

图5　数据字节组成框图

主控电路硬件成本约300元。

2.2　空气质量检测模块

空气质量检测模块由室内和室外两部分组成。室内空气质量检测采用MQ系列气体传感器，实现对CO、CO2、天然气、烟雾的检测。当空气质量超标时，主控电路会向继电器控制模块发送工作指令，进行室内换气。MQ系列传感器结构图如图6所示。

图6　MQ系列传感器结构图

工作原理：该传感器需要施加2个电压，加热器电压(UH)和测试电压(UC)。UH用于为传感器提供特定的工作温度，UC则是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的电压(URL)。这种传感器具有轻微的极性，UC需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，UC和UH可以共用同一个电源电路。该传感器在不同气体浓度下，其电导率随测量气体浓度的增加而增大。故可用通过测量传感器电阻(Rs)阻值计算出待测气体浓度。Rs的计算公式为：

Rs=(Uc/URL-1)RL

(1)

室外空气质量检测主要对PM2.5进行测量，同时测量室外温度、湿度。每小时将室外PM2.5浓度值、温度、湿度数值传送至主控电路并显示。

空气质量检测模块硬件成本约300元。

2.3　红外测温模块

红外测温模块主要用于家庭生活中体温的快速测量，采用ZyTemp公司生产的TN901数字式红外温度传感器。该型传感器工作电压为5 V，测量范围为-33~220 ℃，测量精度±0.6 K，视场D∶S=1∶1，发射率为0.95，响应时间1 s。

红外测温是基于黑体辐射定律，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。红外温度传感器将红外辐射强度转换为电信号，从而实现对物体表现的红外温度进行测量。TN901采用SPI总线接口，在一个测量周期内完成环境温度和目标温度的测量，其数据格式如图7所示。

ItemMSBLSBSumCR

图7SPI总线接口格式图

Fig.7Interface format of SPI bus

图7中，Item (4CH)为Tobj (目标温度)；(66H)为Tamb (环境温度)；MSB为8 bit Data 最高有效位；LSB；8 bit Data 最低有效位；Sum为Item+MSB+LSB=Sum；CR(0DH)为数据结束位。

实际温度计算公式为：

T=[Hex2Dec(MSB+LSB)]/16-273.15

(2)

红外测温模块硬件成本约200元。

2.4　自动窗帘模块

自动窗帘模块主要实现对窗帘的四种控制：①定时开关；②温度和光强共同控制开关；③手动开关；④语音控制。

自动窗帘结构如图8所示。

图8　自动窗帘结构图

2.4.1定时开关

定时开关由用户通过主控电路设置窗帘的开合时间，数据存储在DS1302时钟芯片内。当定时时间到来时，由主控电路向窗帘模块发送相应的开合指令。

2.4.2温度和光强控制开关

在该模式下，窗帘的开合由温度和光照强度控制，在室内光线较暗时开启窗帘，在室内温度较高时关闭窗帘。通过DS18B20温度传感器和BH175光强传感器采集温度和光强值来控制窗帘开关。

2.4.3手动开关

当用户不需要自动操作时，系统为用户提供红外遥控模式。通过红外遥控器，实现窗帘手动开合。

红外遥控模式采用两路继电器控制电路，通过读取红外编码，判断是否开合。由继电器控制电路实现窗帘电机的正反转。

2.4.4语音控制

用户在此模式下可以通过语音控制实现窗帘开关，且在同等条件下优先级别最高。

自动窗帘模块硬件成本约600元。

2.5　火灾监测模块

该模块以空气质量检测模块为基础，以检测空气中二氧化碳浓度和烟雾浓度判断是否存在火灾隐患。

火灾监测模块硬件成本约50元。

2.6　门窗防盗模块

门窗防盗模块在工作时，通过红外对管检测门窗是否开启，同时用人体释热传感器判断是否有人。当检测到门窗被意外打开时，主控电路通过对地址码的判断，在主屏上显示开启门窗的信息。

门窗防盗结构如图9所示。

图9　门窗防盗结构图

门窗防盗模块硬件成本约150元。

2.7　光控节能灯模块

光控节能灯是以室内光线强度和人体释热传感器探测范围内是否有人为判断依据，实现对灯光的调节。节能灯由多个高亮LED灯构成，根据需求控制打开灯的数量。控制过程具体如下：①在光线较暗时，由人体释热传感器探测是否有人，有人则点亮所有灯；②当光线偏亮时，由光强传感器和人体释热传感器共同决定灯的开关和打开灯的数量。同时也受语音控制，且在同等条件下，语音控制优先级高。

光控节能灯结构如图10所示。

图10　光控节能灯结构图

光控节能灯模块硬件成本约100元。

2.8　继电器控制模块

继电器控制电路用于无线控制。当接收到来自主控电路的开启或者关断指令时，单片机执行相应的操作，控制继电器的开关，从而实现对设备的控制。

继电器控制结构如图11所示。

图11　继电器控制结构图

继电器控制模块硬件成本约50元。

3结束语

本文设计并验证了一种低成本智能家居实现方案，实现了对家庭生活环境的监测和电器设备的自动控制，而且总体硬件成本在两千元以内，符合预定目标。从推广角度上看，本系统价格优势明显。

目前,我国的物联网技术及产业链仍处于概念和探索阶段,物联网的整个技术构架和产业模式尚未形成[7]，应在国家、企业和学术三个层面运营和规划[8]。作为物联网中的重要组成部分，智能家居在将来有着广阔的市场。现在部分厂家尝试将 WiFi 模块加入到空调、电视等家电设备中，搭建无线智能家居系统[9]。在智能手机普及的今天，智能家居的发展必须将智能手机纳入其中，其网络结构可以采取类似WiFi的技术标准，将智能家居系统同互联网和手机相连。在具体功能上更加突出使用性，避免华而不实。产品采用模块化设计，由用户按需选择功能模块。稳定性和安全性也是设计过程中需要着重考虑的部分。最后，只有在价格上能被大众接收，才能实现智能家居的普及。

参考文献

[1] 孙其博,刘杰,黎羴,等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):1-9.

[2] 俞文俊，凌志浩.一种物联网智能家居系统的研究[J].自动化仪表,2011,32(8):56-59.

[3] 李勇,赵刘阳,王平,等.智能家居无线控制网络的设计与实现[J].自动化仪表,2013,34(7):58-61.

[4] 高小平.中国智能家居的现状及发展趋势[J].低压电器,2005(4):18-21.

[5] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009,23(12):1-7.

[6] 申斌,张桂青,汪明,等.基于物联网的智能家居设计与实现[J].自动化与仪表,2013,28(2):6-10.

[7] 钱志鸿,王义君.物联网技术与应用研究[J].电子学报,2012,40(5):1023-1029.

[8] 宁焕生,徐群玉.全球物联网发展及中国物联网建设若干思考[J].电子学报,2010,38(11):2590-2599.

[9] 宋威,黄进,尹航,等.基于WIFI物联网的家电智能控制系统信息控制端的研究[J].信息通信,2013(1):199-200.

中图分类号：TP274+.2

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503013

2013国家级大学生创新创业训练计划项目(编号：201310320004)。

修改稿收到日期：2014-08-27。

第一作者马振(1992-)，男，现为杭州应用声学研究所(715所)水声工程专业在读硕士研究生；主要从事数字信号处理、通信等方面的研究。