智能家居控制系统设计

智能家居控制系统设计摘要：伴随物联网产业的源起与飞速发展，人们的生活已离不开智能化带来的便利与享受。目前，家居智能化已成为当今的主流发展趋势，影响到人们的日常生活，智能化、信息化的生活方式，成为当今世界研究的热点问题。而这一切发展的最终目的是为人们提供一个舒适、便捷、高效、安全的生活环境，智能家居控制系统的发展也日渐满足人们对居住环境的多方面需求。智能家居控制系统不仅能给人们带来不一样的精神享受，更重要的是可以为人们节省宝贵时间。在本设计中，智能家居灯光控制系统采用无线通信技术与移动设备进行通信，通过移动设备发送指令来实现物与物之间的数据传输，实现对家居的远程控制，这样的方式能很好地缓解人们的生活节奏，带来方便的同时，满足人们对生活品质的要求，实现随时随地对家居的管控能力。关键字：智能家居；系统设计；措施1智能家居系统结构从系统结构的角度来讲，智能家居系统可以分为传感器、执行器、控制中枢、通信网络和人机接口。传感器：主要是将环境中的各种量收集起来，常见的量有：温度、湿度、亮度、音量、是否有人、水浸、燃气等。传感器将收集的这些量发送给控制中枢。执行器：用于根据控制中枢发出的指令来完成动作，执行器主要是智能插座、智能开关、万能遥控器、电动窗帘、推窗器、智能门锁和智能家电等。控制中枢：用于根据用户的需求和设定，判断传感器发送来的条件变量是否满足要求，如果满足的话就发出控制指令让执行器执行，或者协调一些执行器按顺序执行某些场景动作。有的厂家会将控制中心独立出来，称为智慧中心或者网关，有的厂家会将控制中心将传感器做在一起，也有的厂家将控制中心和执行器做在一起，但实现的功能都是一样的。有的厂家会给控制中心单独制作一个显示屏，直接安装在墙壁上，用于控制整个智能家居，更多的厂家是直接使用手机APP控制，两种方式各有利弊，显示屏操作方便但位置固定，手机携带方便但不便于多人操作，两者结合倒是不错的选择，当然这个还要按照自己的需求来确定。通信网络：智能家居组件之间的通讯以及和用户之间的通讯都需要网络支持。智能家居组件之间一般使用专用的网络通讯方式，例如ZigBee、433MHz的射频、蓝牙MESH等等，这些是智能组件之间的通讯，用户一般不需要考虑细节。智能家居系统一般使用WiFi或者网线接入网络，可以和系统的后台服务器通讯，同时还可以和用户的手机APP、智能音箱等设备通讯。人机接口：人机接口用于将用户的指令发送给智能家居系统，同时将智能家居系统的反馈和何种状态信息告知用户。常见的人机接口有手机APP、智能音箱、智能控制器。近年来，智能音箱发展迅速，因为自然语音是人类用起来最舒服的方式，用自然语言的方式和智能家居系统沟通，不但轻松上手，还不需要改变生活习惯。2控制系统硬件设计该智能家居系统由温度和烟雾数据采集模块、GSM远程控制模块、防盗功能模块、预防儿童跌倒模块等几个模块组成。2.1设计控制开发板开发板处理器通常可以选择相应的ARM处理器，可以兼容多种不同的8位和16位设备并使用相应的32位简化指令集处理器架构，相应的芯片采用相应的S3C2440微处理器，支持主频400MHz，最高可达522MHz，集成16/32位RISC嵌入式微处理器和ARM920T核心，采用液晶显示器连接以太网RJ45接口。连接3个串口到USBSlaveB，USBHost类型接口以及采用相应的PWM控制蜂鸣器。通过使用摄像头接口不断连接到相应的开发板扩展接口的34PinGPIO引脚，使其最后能够准确地连接到40Pin系统的总线接口。射频模块的开发板通常采用相对较为开放的ISM频段，其中的有效工作范围通常是433MHz/868MHz/915MHz，其频率调制器通常集成在nRF905芯片本身，通过不断调节不同家庭之间的工作指令，并使用芯片的接收器和解调器能够准确接收不同控制命令的不同频率。使用功率放大器时可以通过控制同一指令不同功率的各项家用设备，从而防止其中因功率转换不当，而发生相应的安全事故。通过利用调节器发送以及接收相应的控制命令的32B数据，从而可以将传输速率调整到50Kb/s，并外接433MHz天线。在控制开发板上设置相应的S003nRF905无线数据传输模块，确保数据传输模块的工作频率范围控制在422.4-473.5MHz之间。通过一定的内置通信信道，满足多点通信以及相应的调频群控模式。不断采用相应的SMA接口连接其中的外部天线，从而不断增强控制信号的收发功能。系统硬件芯片采用STM32、nRF905以及相应的家电设备构成设备节点。通过I/O端口不断连接相应的射频以及STM32，可以模拟相应的SPI总线连接的稳定效果。在设计了相应的控制开发板之后，通过采用设计主控制电路，从而实现各项电路的主控制功能。2.2主控制电路设计当设计的主要控制电路根据不同家庭功能定义的单片机，把相应的晶体振荡器电路芯片放置在同一层，以避免铺设地面下的晶体振荡器。在每个电源引脚上连接一个0.1μF电容器，可以消除相应的I/O口开关引起的各项高频噪声。在微控制器的每对VCC和GND引脚上都有一个常用的短引线电容器。内部集成通常是64KBROM和8KBRAM。最后设计晶振电路、复位电路和功率解耦电路。2.3温度传感器本系统采用达拉斯公司生产的DS18B20温度传感器。DS18B20通常具有超小型、硬件成本超低、耐磨、耐冲击、使用方便等特点。它通常适用于各种小空间，在数字温度测控设备领域，DS18B20的封装和原理如图1所示。图1DS18B20封装及原理DS18B20引脚功能描述如下：①GND是电源地；②DQ通常是一个数字信号的输入/输出终端；③VDD是外部电源的输入端。DS18B20与ARM处理器之间的接口简单，通常只有DS18B20的信号线连接到控制线的双向端口，使用S3C2440对应的GPE0引脚连接DS18B20信号线。2.4光电传感器在各种光电检测系统当中，光电传感器通常是实现光电转换的关键部件。它是一种把光信号转换成相应电信号的一种装置。光电传感器使用相应的光电器件作为转换元件的传感器，通常可用于检测直接引起光量变化的非电特性。本设计尝试不断地将光电传感器安装在家中相应的保险箱或其他重要物品上。当进行不当操作时，会自动触发相应的声音报警，达到一定的防盗的目的。2.5GPRS模块本系统选用的GPRS模型为SIM300。SIM主要是GSM/GPRS双频模块，主要提供短信和数据、语音传输等相关业务的无线接口。其中的SIM300集成电路以及相应的GSM的基带处理器，应用规模非常广泛。SIM300模块主要是为相应的用户不断提供一种功能较为齐全的系统接口，该模块通过60脚板连接器不断连接到相应的移动应用设备，该60脚板连接器为除射频天线接口外的所有模块与开发板之间提供硬件接口。SIM300提供了标准的RS-232串行接口，用户可以不断使用相应的AT命令，通过串口完成相应的模块的操作。SIM300采用低功耗设计，在休眠模式下电流功耗通常仅2.5mA。使用SIM300集成了TCP/IP协议栈，从而可以达到利用该模块当中的开发数据传输设备。3系统软件设计智能控制系统软件的软件设计分为以下几个部分:红外模块、温度模块、时间模块、LCD显示模块。红外模块接收控制软件,主要用于网络和设备的交流输入设计,人机界面是其主要功能。这是所有相应功能的电磁继电器端口I/O单片机都可以实现的,通过编程将其全部转换成红外遥控器的信号,控制与单片机芯片相连的红外接收器和对应于各频段传输信号的通道遥控频率,然后通过单片机串联监控电磁继电器的性能算法。温度模块主要用于驱动DS18B2温度传感器,对应于与带有小数点所获得的二进制数据变换环境监测DS18B20数据的温度的输出信号,以促进和液晶显示模块的对接。当开机时,所有程序进入初始化,按下红外遥控,定时器产生中断,则开始读取数据,被控制模块显示出相应的数值,并显示在屏幕上。4远程手机客户端的设计4.1软件结构设计软件结构设计的主要任务是分层设计软件模块，并明确中间件的特点和作用。分层设计软件模块结构主要是把软件模块组织成良好的层次系统，并描述各层次模块间的关系。层与层之间是松耦合的关系，下层模块负责为上层模块提供支持。传统意义上的中间件是位于平台（硬件和操作系统）和具体应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议。本文所指的中间件是位于Android操作系统和用户功能之间可复用的功能模块。本文设计的中间件具有良好的复用价值和扩展性。开发人员可以基于此中间件进行二次开发，实现智能家居系统其他APP。4.2系统功能模块设计根据本控制系统的功能需求，将智能家居APP分为四大功能模块，分别是信息服务、数据查询、设备管理和软件设置。信息服务模块提供对所有推送消息的管理，数据查询模块提供对各类信息的查询以及对设备的文本命令控制，设备管理模块包含与设备控制相关的功能集合，软件设置实现对APP各种参数的管理。5系统设计5.1智能灯光照明系统主要由1键开关面板、2键开关面板、3键开关面板及情景面板组成。通过灯光面板或手机APP可以控制灯的开关。通过情景面板，灯光可做出相应的调整，在家中营造出不同的气氛。(1)主卧室灯具类型主要包括：暗藏灯带、射灯、筒灯、吊灯、床头灯、落地灯等白炽灯源。可设置场景包括：阅读场景、睡眠场景、夜起场景。整个灯光的开启过程均为平滑渐变方式进行，不仅最大程度地避免了突现强光对眼睛的伤害，而且可让用户提供智能、舒适和自然的体验。(2)客厅灯具类型主要包括：暗藏荧光灯带、壁画装饰射灯、天花筒灯、中央大吊灯、台灯等灯源。可设置场景包括：会客场景、聚会场景、休闲场景、浪漫场景等。5.2智能窗帘智能窗帘可主要由窗帘面板、窗帘电机及窗帘轨道组成。用户可以通过智能家居APP触控，实现对所有电动窗帘的单独控制与集中控制。当觉得外面阳光太大时，可通过面板关闭窗帘，避免太多光线进入室内。智能窗帘系统可调节的透光度去适应不同天气下的是室内环境。光感可在天暗时自动将客厅或卧室的窗帘关闭，温感可在夏天室内温度过高时自动将客厅或卧室的窗帘关闭。可在特定的时间，调节窗帘开闭，保障你的室内私隐，室内自由度。5.3红外设备红外设备控制系统由红外转发器组成；红外转发器主要学习红外遥控器的红外编码；通过网关的数据转换实现手机APP本地和远程控制红外设备的开关等。(例如空调、电视、DVD等)。5.4智能安防安防系统是由家庭报警器、各类传感器和传输缆线组成。各类传感器对家庭重要地点和区域布防，品种齐全的传感器能代替传统家居内钢筋防盗网。智能家居家庭网关将安防系统中的各类传感器(如烟感，移动探测，玻璃破碎探测、幕帘探测、门磁等)和门禁、可视对讲、监控录相等系统连接起来，通过智能家居触摸屏可以随时监控和操作，并且可实现远程控制。集中所有的安防系统可以让居家的环境中减少墙面上各种显示设备，只需使用触摸屏控制所有的安防系统，使操作也变得非常简单。5.5视频监控智能家居技术集成了对安防监控的控制技术，通过移动式视频监控摄像机及触摸屏，您可以对家中情况进行实时监控如监控房门、儿童房、阳台各种房间和户外的情况，方便查看家中老人、小孩的状况，保障居家安全。当入侵报警、远程求助、煤气泄漏报警系统触发时，家庭网关上的I/O端口可以接收来自入侵报警、远程求助、煤气泄漏报警系统的感应电平信号，并且进行处理后触发相应动作通过网络联动视频监控摄像机，并立即激活视频监控功能，自动拍摄事件现场的图片和录像，并将报警现场信息以图片、视频片段等方式发送至预定位置当预设的视频布防区域内有人非法入侵时或不明物体移动时，视频监控摄像机将检测到，将感应电平传送到家庭网关的进行处理，并根据需要触发录像和报警功能。5.6指纹锁指纹锁是计算机信息技术、电子技术、机械技术的完美结合。指纹认证具有方便、快速、精确等特点。随着科技技术的普及，智能家居的发展，越来越多的人群也开始选择指纹锁。通过手机APP进行远程控制。结束语：现今，人们对家居的需求正逐渐向安全舒适的方向发展。在智能家居控制系统当中采用无线传输技术将是一个较为热门的研究方向。通过采用一定的软件和硬件控制系统，能够不断完善相应的系统，从而可以编写控制指令，控制电路，改善传统控制系统的缺点，提高了控制范围，不断加强控制系统的实用性，进一步改善用户体验。参考文献：[1]李珂心，杨子倩.智能家具的组成系统与设计原则[J].家具，2019，40(5)：45-49+60.[2]