楊中華等

摘 要：本文闡述了基于藍牙通信和點對點WIFI通信的智能家居控制系統設計方案。該方案實現了通過智能手機來便捷地控制家用電器開關、獲取家庭環(huán)境數據、安全監(jiān)控、遙控四軸飛行器進行巡視等功能。此系統涉及無線通信，單片機，傳感器，Android軟件開發(fā)等技術。

關鍵詞：藍牙串口；Android；傳感器；點對點WIFI

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

目前智能手機大范圍普及，而且大部分人都隨身攜帶，這為智能家居提供了一個良好的控制平臺。本文描述的方案使用廉價的單片機作為控制中樞，配合溫度傳感器，紅外線傳感器等采集環(huán)境參數和安全狀況。同時實現了對家居電器的方便控制。帶有實時畫面?zhèn)鬏敼δ艿乃妮S飛行器的引入使得控制和監(jiān)控更為便捷。整個系統具有很好的穩(wěn)定性和很高的性價比，在智能家居市場有一定的競爭力。

1 系統功能分析

本系統的主要功能有以下幾點：

⑴環(huán)境數據采集

⑵安防報警

⑶電器開關控制

⑷四軸飛行器巡視

下文將對以上功能進行闡述和分析

1.1 環(huán)境數據采集

家居環(huán)境數據主要有溫度、濕度、煤氣、光強等。對于每個數據，都有對應的傳感器進行采集。由于測試環(huán)境的限制，本方案僅選擇溫度傳感器作為范例。本方案中溫度傳感器型號為DS18B20。它是一種常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。測溫范圍為-55℃～+125℃，完全能夠滿足日常生活測溫需要。

溫度傳感器連接在單片機開發(fā)板選定的接口上，當單片機收到來自智能手機的測溫指令時，便通知傳感器進行測溫，并手機數據，處理后傳送給手機。

當接收到指令時，單片機首先通過數據線向傳感器發(fā)送特定的波形信號，傳感器接收到信號以后，開始進行溫度測量和轉換工作。此時，單片機則在等待傳感器輸出結果。一旦單片機接收到數據，便進行處理，轉換成溫度然后發(fā)送給手機。

1.2 安防報警

安全監(jiān)控是家居所需要的一項重要功能，目前一般民用安全監(jiān)控有視頻監(jiān)控，紅外報警器等。紅外報警器分主動式和被動式兩種。主動式紅外線報警器，是報警器主動發(fā)出紅外線，紅外線碰到障礙物，就會反彈回來，被報警器的探頭接收。如果探頭監(jiān)測到，紅外線是靜止不動的，也就是不斷發(fā)出紅外線又不斷反彈的，那么報警器就不會報警。當有會動的物體觸犯了這根看不見的紅線的時候，探頭就會檢測到有異常，就會報警。本方案采用的是主動式紅外線報警器。

當紅外線報警器被觸發(fā)時，會以中斷的形式通知單片機，單片機會向智能手機發(fā)送報警信息提示用戶。

1.3 電器開關控制

智能家居的另一項重要工作就是對家用電器的控制?？煽刂频念I域包括空調、冰箱、電視、燈具、窗簾等設備。本方案中選擇燈具作為范例。

當用戶需要控制某一盞燈的開關時，通過手機向單片機發(fā)送指令，單片機再控制指定的端口的電平，從而控制燈具的開關。由于家庭的燈具不止一盞，所以此項功能的關鍵點是控制的方式和模式。針對各個家庭的特殊情況，需要制定不同的控制方案，比如全部點亮，全部熄滅，控制特定的燈點亮等?？刂颇Ｊ竭@一部分工作可以交給客戶端軟件來進行，軟件將支持用戶進行自定義控制模式，從而實現靈活控制，關于軟件的介紹將在下文進行。

1.4 四軸飛行器巡視

四軸飛行器（四旋翼飛行器）也稱為四旋翼直升機，簡稱四軸、四旋翼，是一種有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。它是多旋翼飛行器中最基本的一種。近幾年，得益于微型自動控制系統的發(fā)展，四旋翼飛行器發(fā)展十分迅速。

飛行器利用三軸陀螺儀和三軸加速度計來向控制結構反饋其運動狀態(tài)，從而實現穩(wěn)定控制。但是由于勻速的偏移是加速度計檢測不出來的，所以要實現真正準確的定位需要更為精確的定位系統。有條件的話可以在室內安裝反射定位系統等給飛行器建立室內坐標并提供給飛行器。四軸的控制也是一項龐大的工程，目前已經有很多機構在這一領域取得了顯著的成果，所以實現精確控制指日可待。

本方案中引入四軸飛行器的設想是，可以利用其靈活的特性，實現對家庭某些不易到達地點的巡視。比如獨棟住宅的房頂狀況，狹窄地帶的物品尋找等。另外只要控制系統足夠優(yōu)秀，在室內四軸飛行器可以進行小物品搬運，智能監(jiān)視，空中視角錄像等功能。大大增加智能家居領域的范圍和功能。

四軸飛行器同樣使用智能手機作為遙控平臺。利用點對點WIFI作為通信手段，進行控制信號的傳輸和實時畫面?zhèn)鬏敗?/p>

2 數據處理和控制平臺

此部分側重介紹系統的軟件部分，包括單片機運行程序，家居控制軟件和四軸控制軟件。

2.1 數據處理

數據處理是指對傳感器的數據進行采集和處理、轉發(fā)數據、對控制指令的處理和轉發(fā)的工作。在本系統中，此工作由MSP430F149來承擔。MSP430F149是一款低功耗、廉價、但功能強大的單片機。我們編寫了控制單片機運行的程序，使其能夠高效有序地處理指令和數據信息。

具體的程序包括溫度傳感器數據處理部分、紅外傳感器數據處理部分、指令解釋和執(zhí)行部分、串口數據發(fā)送和接收部分。

溫度傳感器的輸出是二進制數據流，單片機要負責把溫度數據提取出來，轉換成十進制數據并送往串口發(fā)送。

紅外傳感器主要以中斷的形式提供報警信息。當特定端口電平改變時，單片機進入中斷處理程序，向手機發(fā)送報警信息。

指令解釋和執(zhí)行部分則負責接收手機發(fā)來的指令，并對相應的組件執(zhí)行指令。

串口數據轉發(fā)部分主要負責串口通信協議的實現，對二進制數據流進行檢驗和譯碼。

2.2 控制平臺

由于我們選定的控制平臺是智能手機，所以我們開發(fā)了一款Android應用作為客戶端。

此客戶端可以接收來自單片機轉發(fā)的數據，進行一定處理后呈現給用戶。同時能夠向單片機發(fā)送控制指令。能夠良好地實現控制功能。本軟件的技術核心是對藍牙設備的調用和串口通信的開發(fā)。

另一個控制軟件是四軸飛行器的遙控軟件。此軟件要進行的主要工作是接收攝像頭的畫面信息并顯示。模仿真實的遙控器向四軸發(fā)送控制信號。通過控制各個電機的轉速來控制四軸的運動姿態(tài)。本軟件的技術核心是對WIFI設備的調用、WIFI數據傳輸的開發(fā)、四軸控制算法的應用。

3 無線傳輸

3.1 藍牙傳輸

單片機和手機之間的通信，我們選擇使用藍牙通信技術來實現無線傳輸。具體地來說，是用藍牙來實現串口通信。由于控制指令和傳感器數據的數據量不大，所以藍牙串口通信技術完全能夠承擔這一任務。

用藍牙技術來實現串口通信，需要將單片機的串口數據輸出至藍牙模塊，藍牙模塊對二進制數據流進行編碼、調制后發(fā)送。手機對接收到的信號進行譯碼等處理，提取出信息。

3.2 點對點WIFI

由于四軸飛行器要進行實時畫面?zhèn)鬏敚瑪祿枯^大，因此必須選用一種高效的數據傳輸方式。所以我們選擇了點對點WIFI來實現這一功能。

四軸上裝載有WIFI模塊來實現數據的傳輸，能夠實現100米范圍內可靠的數據傳輸服務。

4 總結與展望

在智能家居控制系統的設計中，理念的地位非常重要。很多時候一個新的控制理念的提出，甚至會引發(fā)某領域的一個革命。本系統實現了智能家居的一些功能，但是可做的還有很多，比如對窗簾的控制、智能喚醒、語音控制、家庭娛樂等功能。而且以后可能出現的新技術將為智能家居領域翻開新的篇章。現在智能家居市場還沒有真正展開，隨著人民生活水平的提高，智能家居將會有非常廣闊的發(fā)展空間。

[參考文獻]

[1]向忠宏.智能家居[M].人民郵電出版社，2002：15-38.

[2]顧牧君.智能家居設計與施工[M].同濟大學出版社，2004：100-120.