智能家居控制系统设计

沈斌涛，周源源

（苏州大学 应用技术学院，江苏 苏州215325）

1 引言

生活质量的提高使人们对住宅环境的要求也越来越高，从而促成了智能家居技术的诞生与发展。智能家居本质就是通过计算机网络技术和现代控制技术建立一个家庭综合服务与管理集成系统，包含家庭安防系统、自动化系统和家庭网络系统。整个系统实现了对信息的采集、输入、输出以及集中控制，以实现家居智能化、便捷化、高效化、舒适化的目的。

2 智能家居控制系统设计构想

这套智能家居控制系统主要基于51单片机平台，可以实现家中灯光、家电等设备的控制，并且支持无线及有线的接入。它完全开源，方便自行扩展系统。系统由控制主机、灯光控制模块、插座控制模块、ID卡门禁模块、环境信息感知模块、蓝牙通讯模块、红外发射模块以及电源和集线器构成。系统实物图见图1。

图1 系统整体实物

2.1 智能家居控制系统网络规程及通讯协议设计

综合供电与通讯要求的考虑，主机通过收发令牌控制总线上各从机的数据收发，从而避免总线数据的拥堵及干扰。总线采用四线结构连接各模块设备，对于有线通讯的模块实行总线供电。但是总线线材存在内阻，模块获得的实际电压会随着用电器电流波动而发生波动，从而引起单片机重启或者发生程序跑飞等状况。为了解决这一问题，使用了LM7805三端稳压管来实现对模块核心电路的稳压（图2）。同时将总线电压提升到了12V，这样理论上可以实现总线在200mA下正常供电。LM7805输入输出端也加入了滤波电容，从而获得高质量的直流电。

图2 系统电源转换顺序示意

2.2 控制系统基础通讯协议

参照PROFIBUS总线的数据结构，考虑系统数据量较小的实际情况，设计了一套简化的总线通讯结构，见图3、图4。

图3 数据链路层数据帧结构

图4 数据包基础构成

其中，目标地址用于记录接收此数据的设备地址，数据长度用于记录数据包的长度。数据包中记录着相应的数据，操作码用于标记本数据包的用途，操作数则是用于具体的操作。不同的操作码对应者不同的操作，程序通过识别操作码的值，判断数据包的类型并执行相应的操作。

2.3 令牌控制

由于串口特殊的双线全双工收发模式，主机在同一时间只可以接收一个从机发出的数据，为了避免总线的拥堵，保证同一时间只有一对设备进行通讯，所以选用令牌对总线进行控制。令牌由主机发出，只有接收到令牌的从机才可以向主机发送数据（图5）。

图5 令牌控制基本原理

主基本操作操作方法为：主机发出空令牌，从机接收到空令牌后如果有需要进行数据发送，则直接发送数据，发送完成就结束，无需回复令牌。如果无数据发送，则将空令牌第四字节改为本机地址后发出。主机在发出令牌后自动对总线进行监听，等待数据接收。当接收到的数据帧不是令牌时，根据操作码的类型做出相应动作。如果接收到的依然是令牌，则知道该从机无数据，主机会向下一个地址发送令牌，按照地址顺序不断循环，从而实现对总线的控制。

在实际运行中发现，对很多简单的指令如果都采用普通操作码进行操作会比较累赘。于是我们在普通操作码基础上规定了新的快速操作码。

3 智能家居控制系统电路设计

3.1 灯光控制模块

灯光控制模块用于实现对室内灯光的本地开关及远程开关。面板由一个指示灯和一个薄膜按键组成。指示灯显示当前继电器通断状态，即灯光状态。模块开关用于实现灯光的本地控制（图6）。

图6 模块内部电气连接关系

使用继电器模块可以完成低压直流电路对高压交流电路的开关控制，实现对家电的通断电控制。继电器模块自带反向保护等功能，简化开发过程。模块专业的PCB设计可以保证系统具有良好的可靠性和安全性。

3.2 插座电源控制模块

插座控制模块用于控制插在插座上用电器是否通电，从而实现远程对这些用电器的电源进行控制。插座模块控制的设备一般功率都比较大，安全期间所选用的继电器模块自带光耦隔离，避免干扰。双路继电器模块可以完成对两个插座的控制，使得插座面板上的三孔和两孔插座单独进行通断操作。

3.3 ID卡门禁模块

模块面板包含刷卡器、指示灯1、指示灯2。其中刷卡器内嵌入有线圈，用于和ID卡进行通讯。指示灯1显示当前状态。红色表示当前门处于上锁状态，反之为绿色。指示灯2表示当前读卡状态。蓝色表示等待读卡。将ID卡靠近，如果ID有效，指示灯2显示绿色，并伴随一声蜂鸣器长响。之后门锁状态取反，指示灯1显示与刷卡前相反颜色。如果ID卡无效，指示灯2显示红色，并伴有两声短暂蜂鸣器响声。门状态不变，指示灯1显示不变。当模块接收到远程锁门指令后，蜂鸣器发出3声短暂响声，之后门锁进入锁状态，指示灯1显示红色。

3.4 环境信息感知模块

环境信息感知模块可以实现对环境信息的感知。模块中包含温度传感器、湿度传感器以及气压传感器。可以获得环境的温度、湿度以及气压数据。为了实现精确的湿度、气压和温度数据，我们分别选用了GY－65气压模块和DHT11湿度模块。

3.5 蓝牙通讯模块

该模块用于实现手机对系统中各设备的无线控制。手机端安装客户端后，通过蓝牙与该模块配对。配对后通过客户端软件上的按钮发送相关代码，模块进行处理后变成模块中通用的指令发送给主机，并采取相应动作。软件功能类似PC端超级终端或串口助手功能，我们使用了其中的按键 模式。该模式提供了9个可定义按键。按下相应按键发送对应字符串或者ASC码，对按键进行定义后可以实现对系统中其他模块的控制。

3.6 红外遥控模块

红外遥控模块可以实现对家中红外遥控设备的控制，拓展系统控制范围。模块主要功能是将主机发出的控制指令翻译为家电对应的红外码，并通过自带的红外发光二极管发送给家电。这里我们以运用日本NEC的制式。当发射器按键按下后，遥控器发出经过调制的38kHz红外方波，这些高低点评构成红外码。

3.7 控制主机及PC客户端

为了实现对整个系统的调度与控制，就需要一个控制主机用于对整个系统进行控制，于是我们设计了这样一个主机。主机自身带有LCD显示屏，可以显示系统所有模块的状态信息。主机同时带有USB接口，可以连接电脑并使用PC端控制软件实现对系统的控制及监视。主机程序流程图如图7。

4 控制系统网络组网软件实现

串口总线虽然没有CAN总线运用广泛，但对于单片机而言，依靠自带串口功能很容易实现。工作方式2波特率固定，工作方式3波特率可调。所谓9位串口就是串口每次发送或者接收的数据都是9位。串口数据的前八位都通过寄存器SBUF进行发送或接收。第9位数据则存放在SCON中的RB8位或TB8位。

图7 主机程序流程

串口工作在方式3时，单片机会自动进入多机通讯模式。发送的数据均为9位。最高位也就是第9位是数据和地址的标志位。第9位为1时，表示当前发送的是地址，为0时表示当前发送的是数据。所有单片机都会接收地址，并会和自身的地址进行比较。如果比较结果一致，则将Sm2置0，等待接收数据。接收完成后Sm2置1，重新等待接收地址。如果比较结果不一致，则Sm2保持1不变。之后单片机会对第9位为0的所有数据自动忽略。即使收到也不会产生接收中断，从而实现多机通讯（图8）。

图8 数据发送、接收程序流程

发送函数用于将数据打包后发送出去。函数会自动完成数据帧组装；串口中断处理函数用于在串口接收到数据产生中断时做出相应的响应，单片机在产生中断后自动跳转到该函数中；牌分配及处理函数用于分配和处理令牌数据。主机在程序中会按照地址顺序逐个发送令牌，从机接收的令牌后根据自己的需要发送相应的令牌或者数据给主机。在该函数中主要完成对令牌的分配以及对从机回复的程序做出相应处理。

函数中根据操作码的不同调用相应的函数实现快速操作。快速操作函数用于处理快速操作指令。状态上报函数用于将本机的状态字节打包成数据帧发送给主机，实现主机对各从机的实时监视。选用了PROTUES平台进行仿真，在元件库中直接选择AT89C51单片机连接后就可以实现仿真。使用软件自带的串口工具可以对串口进行实时监控。通过主机的令牌控制，成功避免了主从结构信道拥堵的问题。

5 结语

智能家居控制系统完成了计划的所有功能，可以实现本地及远程的开关量控制和模拟量数据采集。在后期调试过程中发现一些设计缺陷，包括通讯口必须严格接线，若将电源线错误接入通讯线会造成系统大规模损坏，未来需要重新设计，将TTL电平转换为其它高电压电平后接入总线，以避免这一状况。另外所有接入总线的设备都必须正常供电，若有设备被断电，会造成总线被强制拉低，引起系统瘫痪，自检程序也无法检出错误，需要人工检查。这将会作为系统下一步改进的目标。

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