自适应智能家居控制系统的设计

胡泽　谢小辉　葛亮　丁昕炜

摘 要： 设计了一个简易智能家居控制系统。该系统的设计以B/TH765触摸屏为人机界面，以飞思卡尔MC9S128MAA单片机为控制核心，以ZigBee无线模块为传输媒介，完成对已知家用电气设备的搜索控制和未知新设备的自适应控制。在开发试验中，该设计采用发光二极管、小型继电器等来代替实际使用中的灯光、电气开关等。实验表明，该系统成功实现了智能搜索电器、智能开关控制、自适应灯光调节等功能。

关键词： 智能家居； MC9S128MAA； ZigBee； 自适应灯光调节

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0051?04

Abstract： A simple smart home control system was designed. The B/TH765 touch screen is taken as the human?machine interface of the system， Freescale MC9S128MAA as the microcontroller， and ZigBee wireless module as the transmission medium to complete the searching control of the known household electrical equipments and adaptive control of the unknown new equipments. In the development experiment， the lights and electrical switches in actual use are replaced by LEDs， small relays， etc. The experimental results show that the system can successfully realize the functions of equipments intelligent search， smart switching control， and adaptive light?control.

Keywords： smart home； MC9S128MAA； ZigBee； adaptive light?control

0 引 言

随着科技的发展和人们居住生活水平的提高，家居智能化已成为一种必然趋势。智能家居产品融合自动化控制系统、计算机网络系统于一体，将各种家庭设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电等）通过智能家庭网络实现自动化，通过无线传输模式，实现对家居所有用电设备的分布式集中控制[1?2]。

智能家居现在正处于起步阶段，智能家居受产品生产厂家的限制，在短时间内还没有统一的标准协议，作为有益尝试，本文基于分布式控制理论设计制作了一个自适应智能家居控制系统。该设计可以实现控制器自动搜索区域内的智能电器、实现对搜索到的智能电器进行开关控制和实现多个用电器的集中控制，包括定时控制、用电器间的逻辑控制。为了增强该控制系统的自适应性，智能家居系统中的灯光控制系统可以实现对外界光线的采集和自适应调整。

1 分布式控制设计思想

该自适应智能家居控制系统采用分布式控制理论来实现，它以人机交换界面为控制输入的主要节点，以家用电器控制端为对象，在整个系统中所有控制节点地位平等；采用无严格的控制中心的控制理念，该控制方式是一个对等式控制网络，无明显的等级之分，该系统中的数据传输主要采用无线方式[3]；采用分布式控制最大的优点是所有控制端节点可以随时加入或离开控制网络，任何节点的故障不会影响整个系统的运行，具有很强的抗毁性。分布式控制网络构成如图1所示。

2 系统的硬件构成

该自适应智能家居控制系统的硬件组成主要由人机交换界面、无线数据模块、终端核心控制器等部分组成，其结构框图如图2所示。

2.1 人机交互界面

人机界面是用来监控管理和处理各种信息的多功能显示屏幕，是操作人员与机器设备之间双向沟通的桥梁。本设计采用信捷B/TH765系列触摸屏，该型号触摸屏具有7英寸显示屏幕，流线型外观设计6万色真彩，支持BMP，JPEG格式图片，除此之外它还有完善的校准功能，该型号触摸屏可以提供很好的人机交换界面，适合在家庭智能控制中应用。

2.2 无线模块

本次设计采用的无线模块为顺舟科技的SZ05系列Z?BEE嵌入式无线串口通信模块，该模块采用了加强型的ZigBee无线技术，该无线数据通信设备符合工业应用标准，它具有通信距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性，可实现多设备间的数据透明传输，可组MESH型的网状网络结构。ZigBee技术译为紫蜂技术，是一个有关组网、安全和应用软件方面的新型传感器网络，被称作IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准。其结构简单、功耗低、速率低、成本低、可靠性高，主要适用于自动控制领域，其可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能[4?5]。

2.3 控制器

对于控制终端的设计，单片机是其核心器件，本设计通过单片机与无线接收模块的数据传输完成对终端家用电器设备的控制。在本设计中采用的是飞思卡尔MC9S128MAA单片机，作为新一代的双核微控制器，拥有卓越的性能，堪比32位微控制器。S12X除了拥有主控CPU外，还拥有一个平行处理器XGATE模块，该模块是一个智能的、可编程的直接存储器取存模块，可以进行中断处理以及通信和数据预处理，并为其他任务释放一部分CPU空间，从而提高了该芯片的整体性能[6]。

2.4 自适应智能灯光系统的设计

在智能家居控制系统中，灯光控制是一个很重要的组成部分，舒适、绚丽的灯光变幻会给家庭生活带来温馨、和谐的环境。在本次设计中，对于灯光系统主要采用了PWM脉宽调制技术来实现对灯光变幻的控制。同时通过光敏电阻对外界光线的感应，引起电压的变化，通过单片机对其模拟信号的采集，再由飞思卡MC9S128MAA单片机集成的A/D转换功能完成数/模转换，最终通过一定算法，完成相应PWM调制波的输出，完成室内灯光自适应控制。图3为灯光系统电路图[7?8]。

3 软件设计

本软件设计主要包括人机界面的软件设计和控制器的软件设计以及通信协议的设计，该系统总的软件设计流程图如图4所示。系统开机初始化后，首先进入人机界面，通过自适应搜索到开机的家用电器。通过触摸屏的触摸输入选择要控制的电器。通过无线模块的数据传输及终端控制单片机的数据识别和处理，完成家用电器的控制并传回数据，在触摸屏上显示各参数。

3.1 人机界面软件设计

（1） Touch Win简介

Touch Win为TH系列触摸屏提供了理想的编辑平台，Touch Win编程软件采用全中文操作界面，其操作具有良好的操作界面及简单易学的开发编程界面，是TH系列最常用的开发软件。对于一个触摸屏开发过程，完整流程如图5所示。

（2） 人机界面窗口设计

在本次设计中，设计的画面窗口主要包括：开机界面、电器搜索界面以及各个电器控制界面。

3.2 控制终端软件设计[9?10]

（1） 控制器开发环境简介

控制器采用的开发环境是飞思卡尔公司研制的CodeWarrior开发环境，该软件功能强大，CodeWarrior环境主要包括以下几个模块：编译器、源代码浏览器、构造系统、调试器、工程管理器等。编辑器、编译器、连接器和调试器是软件开发的4个主要阶段。其他的模块用以支持软件开发的主要过程。该集成环境是一个多线程应用，能在内存中保存状态信息、符号表和对象代码，从而提高了操作速度，进行自动编译以及链接。

（2） 主程序编写

对于主程序的编写采用C语言编写的方式，主要由3个模块构成，分别为数据采集、数据处理及数据返回。

无线数据的采集采用同步串行通信方式，该方式主要采用SPI模块。该模块通过在CodeWarrior软件中设置，采用9 600 b/s的波特率完成数据的传输，在主函数中使用AS1_RecvChar（）函数完成对无线传输数据的采集。

对于由光敏电阻构成的电压采集采用单片机集成的A/D转换芯片完成。本次设计所使用的单片机所集成A/D采集精度为12位。可以很好地满足本次设计的要求。

3.3 人机界面与控制终端的通信协议

为实现触摸屏与控制终端的无线传输，本系统设置了相应的通信协议，其主要通信指令如表1所示。

4 系统调试及结果分析

4.1 硬件电路调试

对Max232电路进行检测，通过触摸屏发送无线数据，经电脑的串口调试进行数据显示，经测试符合要求。对控制终端单片机的最小系统进行检测，通过对光敏电阻进行遮光和有光照的情况下，对A/D采集引脚进行电压测试，在有光情况下最大输出为3 V，最小输出为0.2 V，由于对灯光的自适应控制采用脉宽调制技术，由单片机生成的PWM调制波可以随光敏电阻的阻值发生明显的变化，满足设计要求。光敏电阻端电压与调制波输出关系经测量如图7所示。

4.2 软件调试

触摸屏开发软件Touch Win具有在线模拟功能，通过该功能的模拟，在电脑上完全实现所需功能，通过下载进触摸屏，经过相关测试，其功能满足设计要求，具体测试如图8所示。

4.3 结果分析

通过对硬件和软件的测试，以及在正常环境下对系统进行实际操作成功率的测试，测试结果表明，该智能家居控制系统的综合性能达到了设计要求，其测试结果如表2所示。

表2 系统综合测试结果

5 结 语

本设计作为智能家居系统设计的一次有益尝试，通过利用人机界面以及控制终端来实现对家居电器的分布式智能控制。通过一系列的调试工作，本设计实现了控制器自动搜索区域内的智能电器、实现了对搜索到的智能电器进行开关控制；同时该系统还能自适应的调节灯光系统，实现了多个用电器的集中控制。

参考文献

[1] 林旭东.智能家居系统相关技术及发展趋势[J].科技创新导报，2008（7）：6.

[2] 张鸿恺，伍超.智能家居及其发展研究[J].黑龙江科技信息，2006（32）：266.

[3] 石小兰，韩江洪，魏振春.基于分布式控制的智能家居系统[C]//第二十四届中国控制会议论文集（下册）.广州：华南理工大学出版社，2005：1382?1384.

[4] 叶钟，雒江涛.基于ZigBee 的智能家居网络系统的研究与设计[J].中国新技术新产品，2011（6）：101.

[5] 宋俊德，战晓苏.无线通信与网络[M].北京：国防工业出版社，2010.

[6] 王宜怀，曹金华.嵌入式系统设计实战：基于飞思卡尔S12X微控制器[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[7] 康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[8] 胡烨.Protel99SE电路设计与仿真教程[M].北京：机械工业出版社，2005.

[9] 吴晔.基于HCS12的嵌入式系统设计[M].北京：电子工业出版社，2010.

[10] 程利民.单片机C语言编程实践[M].北京：电子工业出版社，2011.