鄭 譚， 馬鐵華，張 濤

(1.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；3.華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045)

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基于GSM網(wǎng)絡的智能家居控制系統(tǒng)設計

鄭 譚1,2， 馬鐵華1,2，張 濤3

(1.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；3.華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045)

為了有效并及時地獲取家用電器運行的情況，基于通信技術(shù)和控制理論，提出了一種使用AVR單片機作為主控制器，并利用GSM網(wǎng)絡的智能家居控制系統(tǒng).該系統(tǒng)采用Atmega128為主控芯片，實現(xiàn)了一個主控模塊對多個執(zhí)行模塊的控制；利用多種傳感器對家用電器的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制；并通過TC35模塊進行信息遠程傳輸，從而達到對家用電器的遠程控制和安防監(jiān)測報警的目的.系統(tǒng)性能穩(wěn)定，成本低，安裝方便，具有很好的發(fā)展前景.

智能家居；AVR單片機；GSM網(wǎng)絡

為進一步提高智能家居的安全和便捷性，筆者提出了一種使用AVR單片機作為主控制器，并利用GSM網(wǎng)絡的智能家居控制系統(tǒng)的方案，實現(xiàn)了對家用電器的遠程控制和安防監(jiān)測報警的目的.

1 系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能

智能家居控制系統(tǒng)[2-4]主要需實現(xiàn)以下3個方面的功能.

1)安防監(jiān)控.實現(xiàn)對非法闖入和火災的報警.通過人體熱釋紅外傳感器監(jiān)測家中是否有人活動，在設定無人活動的時間內(nèi)如果有人活動，控制器就會發(fā)出警報，并通過GSM手機短信將信息發(fā)送至用戶手機.火災報警是通過可燃氣體傳感器以及煙霧傳感器進行監(jiān)測，當可燃氣體發(fā)生泄漏或者煙霧濃度達到設定的閾值時，控制器就會向用戶手機發(fā)送手機短信，并切斷房間中的總電源開關(guān).

2)家電控制.對電視、空調(diào)、冰箱、飲水機、電飯煲、熱水器、燈光照明、電動窗簾等接入系統(tǒng)的所有家電進行智能控制.用戶在家的時候可以使用遙控器控制家中所有電器，不在家的時候，則可以通過手機短信發(fā)送固定的指令控制家中電器的工作狀態(tài)，同時可以通過手機短信對電器的工作狀態(tài)進行遠程查詢.

3)遠程通信.采用西門子公司的TC35工業(yè)用GSM模塊[5]，完成控制器與用戶手機之間的短信通信，用戶可以通過手機短信控制及查詢家中電器的工作狀態(tài)，安防系統(tǒng)可以通過GSM網(wǎng)絡向用戶手機發(fā)送安放數(shù)據(jù)及報警情況.

2 系統(tǒng)的設計方案

智能家居控制系統(tǒng)是基于8位AVR單片機的控制平臺，具有低功耗、高運算速度以及低成本的優(yōu)點.

2.1 整體系統(tǒng)架構(gòu)

智能家居控制系統(tǒng)采用模塊化設計，由主控模塊和執(zhí)行模塊構(gòu)成，主控模塊[6]以Atmega128為主控芯片，包含GSM通信單元、主從機無線通信單元、紅外接收和紅外轉(zhuǎn)發(fā)單元、人體熱釋紅外傳感器、煙霧濃度傳感器、可燃氣體傳感器、溫濕度傳感器、光強傳感器以及液晶顯示器和鍵盤等組成，實現(xiàn)智能家居的安防監(jiān)控、遠程通信以及人機交換等功能.執(zhí)行模塊以Atmega8L為主控芯片，包含雙值輸出單元、三值輸出單元以及光輸出單元，實現(xiàn)對家中用電器的有效控制.執(zhí)行模塊與主控模塊之間通過2.4 GHz無線通信單元，使整個系統(tǒng)結(jié)合在一起.

2.2 主控模塊設計

主控模塊處理各種傳感器的監(jiān)控數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送用戶手機短信，向各個執(zhí)行模塊發(fā)送控制指令，通過紅外發(fā)射器件控制遙控家電，如圖1所示.

圖1 主控模塊結(jié)構(gòu)框圖

可燃氣檢測使用MQ2可燃氣體傳感器，內(nèi)部處理電路采用惠斯通電橋，電橋輸出的電壓為0～50 mV.放大電路采用ADI公司的經(jīng)濟型運放AD8542進行信號放大，第一級為電壓跟隨電路，提高輸入阻抗，后級放大電路放大100倍.經(jīng)過實際測量，放大電路的性能數(shù)據(jù)見表1.

表1 放大電路性能指標

輸入15 mV電壓，輸出時變?yōu)?6.3 mV，誤差為8.6%.報警精度較低，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)的溫濕度傳感器進行溫度補償，可以提高MQ2的氣體敏感性，提高測量精度.一般情況下，當可燃氣體體積濃度>1%，就將啟動報警程序，即可燃氣體泄漏就要進行報警.

圖2為傳感器運放電路仿真圖.光強檢測采用光敏三極管，直接輸出TTL電平.當光照強度為98LUX時，輸出5 V電平，小于98LUX時，輸出0 V低電平，用來輔助電動窗簾的工作，當光照強度大于98LUX時，電動窗簾架會自動關(guān)閉窗簾.溫濕度檢測采用DHT11型數(shù)字式溫濕度傳感器，與單片機之間的通信采用IIC標準接口，實時監(jiān)測家居環(huán)境中的溫濕度信息.人體紅外傳感器采用集成的人體紅外傳感模塊，以TTL電平輸出，與單片機進行通信.

圖2 傳感器運放電路仿真圖

設計中選用西門子公司的TC35模塊[5]和使用AT指令進行遠程控制通信，針對GSM模塊的天線電路進行了EMI設計.GSM模塊對工作電壓和電流有著嚴格要求，所以GSM電源模塊選用高性能的開關(guān)電源芯片LM2575，芯片的最大輸出電流可達到3 A，能夠滿足GSM模塊在尋網(wǎng)時的功率要求.

2.3 執(zhí)行模塊設計

執(zhí)行模塊如圖3所示，使用Atmega8L單片機為核心控制器完成對家用電器的控制.控制對象包括開關(guān)量、照明電路的交流電壓、電動窗簾的電機驅(qū)動等.

圖3 執(zhí)行模塊結(jié)構(gòu)框圖

電動窗簾控制系統(tǒng)采用直流蝸桿減速器電動機，其電壓為12 V，空載轉(zhuǎn)速為35 r/min，扭矩為15 kg·cm.電動機驅(qū)動電路采用最常用的H橋驅(qū)動電路進行PWM調(diào)速.H橋驅(qū)動芯片使用BTS7960[7]半橋驅(qū)動結(jié)合限位開關(guān)進行控制，以發(fā)揮其輸出電流大、發(fā)熱小的優(yōu)點，驅(qū)動電動機的負載變化曲線如圖4所示，在負載全程能夠以大于85%的功率轉(zhuǎn)換系數(shù)工作.

圖4 電動窗簾架啟動過程電動機扭矩變化曲線

根據(jù)圖4顯示的變化曲線，當控制電動機啟動400 ms以后，PWM信號的占空比減小到50%，輸出電壓符合電機啟動過程中功率變化的曲線，可有效降低系統(tǒng)運行功耗.

照明電路交流電壓控制是為了控制燈光的軟啟動.設計中采用可控硅控制導通時間的方法控制交流電的輸出電壓,控制電路如圖5所示.電路中使用高速光耦6N137，通過交流變壓后的信號與光耦中二極管導通的門限電壓進行比較，提取交流信號的過零位置，起到了隔離電路和提取交流過零信號的作用.

圖5 可控硅光輸出控制電路原理圖

首先提取交流電的過零點信號作為同步信號，50 Hz交流電的過零點同步信號頻率為100 Hz，將同步信號送入單片機的定時中斷中，單片機控制可控硅的觸發(fā)信號.如果要輸出最大電壓，則每次接收到同步信號后，零延遲輸出可控硅的觸發(fā)信號及最小電壓.接收到同步信號以后，延遲9 900 μs輸出觸發(fā)信號.可控硅導通時間與延遲時間的關(guān)系如圖6所示.

圖6 觸發(fā)信號延遲時間與可控硅導通時間的關(guān)系

實際測得的延遲時間與輸出電壓關(guān)系如圖7所示.按照圖7的函數(shù)關(guān)系，設定燈光軟啟動，通過對人夜間醒來開燈時眼睛對燈光的適應時間進行測試得出，在10 s內(nèi)，白熾燈軟啟動，電壓勻速地從0 V增加至180 V，在之后的10 s內(nèi)，增加至220 V，人眼不會感到刺眼和不適.在系統(tǒng)軟件設計中，控制器僅對燈光的啟動階段進行控制，當燈光啟動以后，由繼電器接管控制權(quán)限.

圖7 延遲時間與輸出電壓的關(guān)系

3 軟件設計

智能家居控制系統(tǒng)軟件采用標準C語言和匯編語言混合編譯，軟件架構(gòu)是基于μCos-II操作系統(tǒng)，具有移植方便、實時性較強、源代碼開放的特點.μC/OS-II操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了在移植μC/OS-II時，只需要修改與CPU有關(guān)部分的代碼(其結(jié)構(gòu)如圖8所示，只需要對OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM以及OS_CPU_C.S進行相應的修改，就可以完成對操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植.設計中使用ATmega128作為主控MCU，具有128k的FLASH、4k的SRAM和4k的EEPROM，系統(tǒng)中還使用了24C512存儲器，可以完成對任務的存儲.

系統(tǒng)中，有4個特殊優(yōu)先級的用戶應用程序，最高優(yōu)先級為初始化任務.因為一旦程序跑飛，首先需要進行初始化設置，保證系統(tǒng)的可控；第二是火災報警任務，一旦發(fā)生火災，將啟動次高優(yōu)先級的報警，包括發(fā)送短消息，切斷主電源；第三是燃氣泄漏檢測報警任務，一旦發(fā)生燃氣泄漏，將啟動優(yōu)先級任務，包括發(fā)送短消息報警和切斷主電源；第四是鬧鐘，當有鬧鐘到期的時候，啟動鬧鐘定時報警任務.控制部分軟件設計流程如圖9所示.

圖8 μC/OS-II操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖9 控制部分軟件流程圖

4 結(jié) 語

隨著智能手機的普及和網(wǎng)絡的發(fā)展，家居智能控制系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢.設計采用GSM網(wǎng)絡發(fā)送短信息獲取家電使用信息，對異常情況進行報警并加以控制，使家居更方便安全，且系統(tǒng)安裝方便，性能安全穩(wěn)定，成本低，具有很好的發(fā)展前景.

[1]童曉渝,房秉毅,張云勇．物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J]．移動通信，2010，34(9)：16-20．

[2]武一,包春蘭．基于GSM和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設計[J]．河北工業(yè)大學學報，2014，43(1)：15-18．

[3]何信東．藍牙無線組網(wǎng)的GSM智能家居控制模塊設計[J]．科學技術(shù)與工程，2012，12(15)：3754-3758．

[4]張增林,郁曉慶,拓延生．基于GSM網(wǎng)絡的家庭智能監(jiān)控器[J]．微計算機信息，2012，28(9)：8-10．

[5]郭穩(wěn)濤,何怡剛．智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J]．計算機測量與控制，2011，19(9)：2109-2112．

[6]陳建明,張亞軍,沈媛雪．基于Cortex-A8處理器與Android平臺的溫度檢測系統(tǒng)設計[J]．華北水利水電大學學報(自然科學版)，2014，35(5)：69-71．

[7]湯鍇杰,李偉,栗燦．基于CAN總線的智能電動車窗系統(tǒng)設計[J]．汽車電器，2014，11(4)：23-26．

(責任編輯：杜明俠)

Design of Intelligent Home Control System Based on GSM Network

ZHENG Tan1,2, MA Tiehua1,2, ZHANG Tao3

(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement, North University of China, Taiyuan 030051, China; 3.School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

To obtain the operation situation of domestic appliances timely and effectively, according to communication technology and control theory, an intelligent home control system was proposed. In the system, AVR singlechip is used as main control unit, and GSM network is used to realize remote control. Meanwhile, to achieve the remote control and the security monitoring alarm of domestic appliances, this system utilizes Atmega128 as main control chip to realize the control of a main control module for multiple execution module, utilizes multiple sensors to monitor and control the running state of domestic appliances, and adopts TC35 module to transfer remote informations. The system has stable performances, low cost, convenient installation, and has a good prospects.

intelligent home; AVR singlechip; GSM network

2014-10-12

河南省科技攻關(guān)項目(112102210104).

鄭 譚(1989—)，男，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事儀器科學與動態(tài)測試方面的研究. 馬鐵華(1964—)，男，山西交城人，教授，博士生導師，主要從事儀器科學與動態(tài)測試方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.017

TP273

A

1002-5634(2015)01-0081-05