智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：伴隨物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的源起與飛速發(fā)展，人們的生活已離不開智能化帶來的便利與享受。目前，家居智能化已成為當(dāng)今的主流發(fā)展趨勢(shì)，影響到人們的日常生活，智能化、信息化的生活方式，成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)問題。而這一切發(fā)展的最終目的是為人們提供一個(gè)舒適、便捷、高效、安全的生活環(huán)境，智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展也日漸滿足人們對(duì)居住環(huán)境的多方面需求。智能家居控制系統(tǒng)不僅能給人們帶來不一樣的精神享受，更重要的是可以為人們節(jié)省寶貴時(shí)間。在本設(shè)計(jì)中，智能家居燈光控制系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通信，通過移動(dòng)設(shè)備發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)物與物之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程控制，這樣的方式能很好地緩解人們的生活節(jié)奏，帶來方便的同時(shí)，滿足人們對(duì)生活品質(zhì)的要求，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)家居的管控能力。關(guān)鍵字：智能家居；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；措施1智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度來講，智能家居系統(tǒng)可以分為傳感器、執(zhí)行器、控制中樞、通信網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)接口。傳感器：主要是將環(huán)境中的各種量收集起來，常見的量有：溫度、濕度、亮度、音量、是否有人、水浸、燃?xì)獾?。傳感器將收集的這些量發(fā)送給控制中樞。執(zhí)行器：用于根據(jù)控制中樞發(fā)出的指令來完成動(dòng)作，執(zhí)行器主要是智能插座、智能開關(guān)、萬能遙控器、電動(dòng)窗簾、推窗器、智能門鎖和智能家電等?？刂浦袠校河糜诟鶕?jù)用戶的需求和設(shè)定，判斷傳感器發(fā)送來的條件變量是否滿足要求，如果滿足的話就發(fā)出控制指令讓執(zhí)行器執(zhí)行，或者協(xié)調(diào)一些執(zhí)行器按順序執(zhí)行某些場(chǎng)景動(dòng)作。有的廠家會(huì)將控制中心獨(dú)立出來，稱為智慧中心或者網(wǎng)關(guān)，有的廠家會(huì)將控制中心將傳感器做在一起，也有的廠家將控制中心和執(zhí)行器做在一起，但實(shí)現(xiàn)的功能都是一樣的。有的廠家會(huì)給控制中心單獨(dú)制作一個(gè)顯示屏，直接安裝在墻壁上，用于控制整個(gè)智能家居，更多的廠家是直接使用手機(jī)APP控制，兩種方式各有利弊，顯示屏操作方便但位置固定，手機(jī)攜帶方便但不便于多人操作，兩者結(jié)合倒是不錯(cuò)的選擇，當(dāng)然這個(gè)還要按照自己的需求來確定。通信網(wǎng)絡(luò)：智能家居組件之間的通訊以及和用戶之間的通訊都需要網(wǎng)絡(luò)支持。智能家居組件之間一般使用專用的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，例如ZigBee、433MHz的射頻、藍(lán)牙MESH等等，這些是智能組件之間的通訊，用戶一般不需要考慮細(xì)節(jié)。智能家居系統(tǒng)一般使用WiFi或者網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，可以和系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)器通訊，同時(shí)還可以和用戶的手機(jī)APP、智能音箱等設(shè)備通訊。人機(jī)接口：人機(jī)接口用于將用戶的指令發(fā)送給智能家居系統(tǒng)，同時(shí)將智能家居系統(tǒng)的反饋和何種狀態(tài)信息告知用戶。常見的人機(jī)接口有手機(jī)APP、智能音箱、智能控制器。近年來，智能音箱發(fā)展迅速，因?yàn)樽匀徽Z音是人類用起來最舒服的方式，用自然語言的方式和智能家居系統(tǒng)溝通，不但輕松上手，還不需要改變生活習(xí)慣。2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該智能家居系統(tǒng)由溫度和煙霧數(shù)據(jù)采集模塊、GSM遠(yuǎn)程控制模塊、防盜功能模塊、預(yù)防兒童跌倒模塊等幾個(gè)模塊組成。2.1設(shè)計(jì)控制開發(fā)板開發(fā)板處理器通?？梢赃x擇相應(yīng)的ARM處理器，可以兼容多種不同的8位和16位設(shè)備并使用相應(yīng)的32位簡(jiǎn)化指令集處理器架構(gòu)，相應(yīng)的芯片采用相應(yīng)的S3C2440微處理器，支持主頻400MHz，最高可達(dá)522MHz，集成16/32位RISC嵌入式微處理器和ARM920T核心，采用液晶顯示器連接以太網(wǎng)RJ45接口。連接3個(gè)串口到USBSlaveB，USBHost類型接口以及采用相應(yīng)的PWM控制蜂鳴器。通過使用攝像頭接口不斷連接到相應(yīng)的開發(fā)板擴(kuò)展接口的34PinGPIO引腳，使其最后能夠準(zhǔn)確地連接到40Pin系統(tǒng)的總線接口。射頻模塊的開發(fā)板通常采用相對(duì)較為開放的ISM頻段，其中的有效工作范圍通常是433MHz/868MHz/915MHz，其頻率調(diào)制器通常集成在nRF905芯片本身，通過不斷調(diào)節(jié)不同家庭之間的工作指令，并使用芯片的接收器和解調(diào)器能夠準(zhǔn)確接收不同控制命令的不同頻率。使用功率放大器時(shí)可以通過控制同一指令不同功率的各項(xiàng)家用設(shè)備，從而防止其中因功率轉(zhuǎn)換不當(dāng)，而發(fā)生相應(yīng)的安全事故。通過利用調(diào)節(jié)器發(fā)送以及接收相應(yīng)的控制命令的32B數(shù)據(jù)，從而可以將傳輸速率調(diào)整到50Kb/s，并外接433MHz天線。在控制開發(fā)板上設(shè)置相應(yīng)的S003nRF905無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，確保數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作頻率范圍控制在422.4-473.5MHz之間。通過一定的內(nèi)置通信信道，滿足多點(diǎn)通信以及相應(yīng)的調(diào)頻群控模式。不斷采用相應(yīng)的SMA接口連接其中的外部天線，從而不斷增強(qiáng)控制信號(hào)的收發(fā)功能。系統(tǒng)硬件芯片采用STM32、nRF905以及相應(yīng)的家電設(shè)備構(gòu)成設(shè)備節(jié)點(diǎn)。通過I/O端口不斷連接相應(yīng)的射頻以及STM32，可以模擬相應(yīng)的SPI總線連接的穩(wěn)定效果。在設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制開發(fā)板之后，通過采用設(shè)計(jì)主控制電路，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)電路的主控制功能。2.2主控制電路設(shè)計(jì)當(dāng)設(shè)計(jì)的主要控制電路根據(jù)不同家庭功能定義的單片機(jī)，把相應(yīng)的晶體振蕩器電路芯片放置在同一層，以避免鋪設(shè)地面下的晶體振蕩器。在每個(gè)電源引腳上連接一個(gè)0.1μF電容器，可以消除相應(yīng)的I/O口開關(guān)引起的各項(xiàng)高頻噪聲。在微控制器的每對(duì)VCC和GND引腳上都有一個(gè)常用的短引線電容器。內(nèi)部集成通常是64KBROM和8KBRAM。最后設(shè)計(jì)晶振電路、復(fù)位電路和功率解耦電路。2.3溫度傳感器本系統(tǒng)采用達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器。DS18B20通常具有超小型、硬件成本超低、耐磨、耐沖擊、使用方便等特點(diǎn)。它通常適用于各種小空間，在數(shù)字溫度測(cè)控設(shè)備領(lǐng)域，DS18B20的封裝和原理如圖1所示。圖1DS18B20封裝及原理DS18B20引腳功能描述如下：①GND是電源地；②DQ通常是一個(gè)數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出終端；③VDD是外部電源的輸入端。DS18B20與ARM處理器之間的接口簡(jiǎn)單，通常只有DS18B20的信號(hào)線連接到控制線的雙向端口，使用S3C2440對(duì)應(yīng)的GPE0引腳連接DS18B20信號(hào)線。2.4光電傳感器在各種光電檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中，光電傳感器通常是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。它是一種把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)的一種裝置。光電傳感器使用相應(yīng)的光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，通?？捎糜跈z測(cè)直接引起光量變化的非電特性。本設(shè)計(jì)嘗試不斷地將光電傳感器安裝在家中相應(yīng)的保險(xiǎn)箱或其他重要物品上。當(dāng)進(jìn)行不當(dāng)操作時(shí)，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的聲音報(bào)警，達(dá)到一定的防盜的目的。2.5GPRS模塊本系統(tǒng)選用的GPRS模型為SIM300。SIM主要是GSM/GPRS雙頻模塊，主要提供短信和數(shù)據(jù)、語音傳輸?shù)认嚓P(guān)業(yè)務(wù)的無線接口。其中的SIM300集成電路以及相應(yīng)的GSM的基帶處理器，應(yīng)用規(guī)模非常廣泛。SIM300模塊主要是為相應(yīng)的用戶不斷提供一種功能較為齊全的系統(tǒng)接口，該模塊通過60腳板連接器不斷連接到相應(yīng)的移動(dòng)應(yīng)用設(shè)備，該60腳板連接器為除射頻天線接口外的所有模塊與開發(fā)板之間提供硬件接口。SIM300提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行接口，用戶可以不斷使用相應(yīng)的AT命令，通過串口完成相應(yīng)的模塊的操作。SIM300采用低功耗設(shè)計(jì)，在休眠模式下電流功耗通常僅2.5mA。使用SIM300集成了TCP/IP協(xié)議棧，從而可以達(dá)到利用該模塊當(dāng)中的開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)軟件的軟件設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)部分:紅外模塊、溫度模塊、時(shí)間模塊、LCD顯示模塊。紅外模塊接收控制軟件,主要用于網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的交流輸入設(shè)計(jì),人機(jī)界面是其主要功能。這是所有相應(yīng)功能的電磁繼電器端口I/O單片機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)的,通過編程將其全部轉(zhuǎn)換成紅外遙控器的信號(hào),控制與單片機(jī)芯片相連的紅外接收器和對(duì)應(yīng)于各頻段傳輸信號(hào)的通道遙控頻率,然后通過單片機(jī)串聯(lián)監(jiān)控電磁繼電器的性能算法。溫度模塊主要用于驅(qū)動(dòng)DS18B2溫度傳感器,對(duì)應(yīng)于與帶有小數(shù)點(diǎn)所獲得的二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換環(huán)境監(jiān)測(cè)DS18B20數(shù)據(jù)的溫度的輸出信號(hào),以促進(jìn)和液晶顯示模塊的對(duì)接。當(dāng)開機(jī)時(shí),所有程序進(jìn)入初始化,按下紅外遙控,定時(shí)器產(chǎn)生中斷,則開始讀取數(shù)據(jù),被控制模塊顯示出相應(yīng)的數(shù)值,并顯示在屏幕上。4遠(yuǎn)程手機(jī)客戶端的設(shè)計(jì)4.1軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是分層設(shè)計(jì)軟件模塊，并明確中間件的特點(diǎn)和作用。分層設(shè)計(jì)軟件模塊結(jié)構(gòu)主要是把軟件模塊組織成良好的層次系統(tǒng)，并描述各層次模塊間的關(guān)系。層與層之間是松耦合的關(guān)系，下層模塊負(fù)責(zé)為上層模塊提供支持。傳統(tǒng)意義上的中間件是位于平臺(tái)（硬件和操作系統(tǒng)）和具體應(yīng)用之間的通用服務(wù)，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。本文所指的中間件是位于Android操作系統(tǒng)和用戶功能之間可復(fù)用的功能模塊。本文設(shè)計(jì)的中間件具有良好的復(fù)用價(jià)值和擴(kuò)展性。開發(fā)人員可以基于此中間件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)其他APP。4.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)根據(jù)本控制系統(tǒng)的功能需求，將智能家居APP分為四大功能模塊，分別是信息服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備管理和軟件設(shè)置。信息服務(wù)模塊提供對(duì)所有推送消息的管理，數(shù)據(jù)查詢模塊提供對(duì)各類信息的查詢以及對(duì)設(shè)備的文本命令控制，設(shè)備管理模塊包含與設(shè)備控制相關(guān)的功能集合，軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)APP各種參數(shù)的管理。5系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1智能燈光照明系統(tǒng)主要由1鍵開關(guān)面板、2鍵開關(guān)面板、3鍵開關(guān)面板及情景面板組成。通過燈光面板或手機(jī)APP可以控制燈的開關(guān)。通過情景面板，燈光可做出相應(yīng)的調(diào)整，在家中營(yíng)造出不同的氣氛。(1)主臥室燈具類型主要包括：暗藏?zé)魩А⑸錈?、筒燈、吊燈、床頭燈、落地?zé)舻劝谉霟粼础？稍O(shè)置場(chǎng)景包括：閱讀場(chǎng)景、睡眠場(chǎng)景、夜起場(chǎng)景。整個(gè)燈光的開啟過程均為平滑漸變方式進(jìn)行，不僅最大程度地避免了突現(xiàn)強(qiáng)光對(duì)眼睛的傷害，而且可讓用戶提供智能、舒適和自然的體驗(yàn)。(2)客廳燈具類型主要包括：暗藏?zé)晒鉄魩?、壁畫裝飾射燈、天花筒燈、中央大吊燈、臺(tái)燈等燈源?？稍O(shè)置場(chǎng)景包括：會(huì)客場(chǎng)景、聚會(huì)場(chǎng)景、休閑場(chǎng)景、浪漫場(chǎng)景等。5.2智能窗簾智能窗簾可主要由窗簾面板、窗簾電機(jī)及窗簾軌道組成。用戶可以通過智能家居APP觸控，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有電動(dòng)窗簾的單獨(dú)控制與集中控制。當(dāng)覺得外面陽光太大時(shí)，可通過面板關(guān)閉窗簾，避免太多光線進(jìn)入室內(nèi)。智能窗簾系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的透光度去適應(yīng)不同天氣下的是室內(nèi)環(huán)境。光感可在天暗時(shí)自動(dòng)將客廳或臥室的窗簾關(guān)閉，溫感可在夏天室內(nèi)溫度過高時(shí)自動(dòng)將客廳或臥室的窗簾關(guān)閉。可在特定的時(shí)間，調(diào)節(jié)窗簾開閉，保障你的室內(nèi)私隱，室內(nèi)自由度。5.3紅外設(shè)備紅外設(shè)備控制系統(tǒng)由紅外轉(zhuǎn)發(fā)器組成；紅外轉(zhuǎn)發(fā)器主要學(xué)習(xí)紅外遙控器的紅外編碼；通過網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP本地和遠(yuǎn)程控制紅外設(shè)備的開關(guān)等。(例如空調(diào)、電視、DVD等)。5.4智能安防安防系統(tǒng)是由家庭報(bào)警器、各類傳感器和傳輸纜線組成。各類傳感器對(duì)家庭重要地點(diǎn)和區(qū)域布防，品種齊全的傳感器能代替?zhèn)鹘y(tǒng)家居內(nèi)鋼筋防盜網(wǎng)。智能家居家庭網(wǎng)關(guān)將安防系統(tǒng)中的各類傳感器(如煙感，移動(dòng)探測(cè)，玻璃破碎探測(cè)、幕簾探測(cè)、門磁等)和門禁、可視對(duì)講、監(jiān)控錄相等系統(tǒng)連接起來，通過智能家居觸摸屏可以隨時(shí)監(jiān)控和操作，并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。集中所有的安防系統(tǒng)可以讓居家的環(huán)境中減少墻面上各種顯示設(shè)備，只需使用觸摸屏控制所有的安防系統(tǒng)，使操作也變得非常簡(jiǎn)單。5.5視頻監(jiān)控智能家居技術(shù)集成了對(duì)安防監(jiān)控的控制技術(shù)，通過移動(dòng)式視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)及觸摸屏，您可以對(duì)家中情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控如監(jiān)控房門、兒童房、陽臺(tái)各種房間和戶外的情況，方便查看家中老人、小孩的狀況，保障居家安全。當(dāng)入侵報(bào)警、遠(yuǎn)程求助、煤氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，家庭網(wǎng)關(guān)上的I/O端口可以接收來自入侵報(bào)警、遠(yuǎn)程求助、煤氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)的感應(yīng)電平信號(hào)，并且進(jìn)行處理后觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，并立即激活視頻監(jiān)控功能，自動(dòng)拍攝事件現(xiàn)場(chǎng)的圖片和錄像，并將報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)信息以圖片、視頻片段等方式發(fā)送至預(yù)定位置當(dāng)預(yù)設(shè)的視頻布防區(qū)域內(nèi)有人非法入侵時(shí)或不明物體移動(dòng)時(shí)，視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)將檢測(cè)到，將感應(yīng)電平傳送到家庭網(wǎng)關(guān)的進(jìn)行處理，并根據(jù)需要觸發(fā)錄像和報(bào)警功能。5.6指紋鎖指紋鎖是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的完美結(jié)合。指紋認(rèn)證具有方便、快速、精確等特點(diǎn)。隨著科技技術(shù)的普及，智能家居的發(fā)展，越來越多的人群也開始選擇指紋鎖。通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。結(jié)束語：現(xiàn)今，人們對(duì)家居的需求正逐漸向安全舒適的方向發(fā)展。在智能家居控制系統(tǒng)當(dāng)中采用無線傳輸技術(shù)將是一個(gè)較為熱門的研究方向。通過采用一定的軟件和硬件控制系統(tǒng)，能夠不斷完善相應(yīng)的系統(tǒng)，從而可以編寫控制指令，控制電路，改善傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高了控制范圍，不斷加強(qiáng)控制系統(tǒng)的實(shí)用性，進(jìn)一步改善用戶體驗(yàn)。參考文獻(xiàn)：[1]李珂心，楊子倩.智能家具的組成系統(tǒng)與設(shè)計(jì)原則[J].家具，2019，40(5)：45-49+60.[2]