裴皓 史銳博 李雪晴 廖嘉敏

摘要：基于2.4GHz微功率無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了能在宿舍應(yīng)用的智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由msp430單片機(jī)、NRF24L01芯片、電磁繼電器、降壓器等電子設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)了對用電器的遠(yuǎn)程無線操控。

關(guān)鍵詞：智能家居；學(xué)生宿舍；無線控制

Abstract： Based on 2.4 GHz micro power wireless communication technology， a smart home monitoring system that can be used in dormitories was designed. The system was composed of msp430 Singlechip， NRF24L01 chip， Electromagnetic relay， Depressor and other electronic equipment， and the realization of remote wireless manipulation of electrical appliances was realized.

Key Words： Smart Home； Student dormitory； Wireless control

一、引言

智能家居概念的起源很早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國聯(lián)合科技公司（United Techno1ogies BuildingSystem）將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的City Place Building時(shí)，才出現(xiàn)了首棟的“智能型建筑”，從此揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其是無線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，智能家居逐步進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代。它能提供照明控制、遠(yuǎn)程家電控制、安防報(bào)警、室內(nèi)外遙控、自動(dòng)窗簾、可編程定時(shí)控制等多種功能和手段，使人們的生活更加安全、舒適和便捷。

智能家居系統(tǒng)，是指采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，為人們提供高效的家居環(huán)境[2]。

二、智能家居系統(tǒng)總體方案

課題研究背景：

作為大學(xué)生，宿舍是大家日常起居的地方，將智能家居控制系統(tǒng)引入宿舍，利用無線傳感技術(shù)與自動(dòng)控制等相關(guān)原理對宿舍家電設(shè)施（空調(diào)、電燈）進(jìn)行監(jiān)測控制，從而實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)控，有利于將宿舍打造成為更便利、舒適的“家”，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的環(huán)保效果。

宿舍內(nèi)智能家居系統(tǒng)需求分析：

因宿舍在夏季、冬季經(jīng)常會出現(xiàn)屋中無人而空調(diào)持續(xù)運(yùn)行、晚上斷電后忘記關(guān)燈導(dǎo)致早上通電后電燈常亮而同學(xué)還在熟睡的現(xiàn)象，不利于節(jié)能減排?？紤]到宿舍內(nèi)安裝有無線路由器，我們設(shè)想利用路由器能檢測設(shè)備的連接情況這一功能，制作一個(gè)具有一定自主控制能力控制中心來控制空調(diào)及其他用電器的開關(guān)。一方面，讓使用者可以在外通過手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制空調(diào)及其他電器的開關(guān)。另一方面，可以通過路由器檢測特定設(shè)備的連接情況，來實(shí)現(xiàn)空調(diào)及其他電器的自動(dòng)關(guān)閉。

本次創(chuàng)新的項(xiàng)目的意義在于，對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步創(chuàng)新，真正實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)”控制。讓我們不必再擔(dān)心忘關(guān)空調(diào)的情況，踐行綠色生活，低碳環(huán)保，帶來經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。當(dāng)然，對于我們更普遍的意義在于，此次實(shí)驗(yàn)有助于提高我們自主研發(fā)能力和對前沿課題的興趣以及對所學(xué)知識的鞏固。

智能家居控制方案設(shè)計(jì)：

使用NRF24L01芯片，msp430單片機(jī)，電磁繼電器、降壓器等電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)手機(jī)-路由器-紅外線-空調(diào)-電燈的無線操作控制。

該項(xiàng)目主要分為四個(gè)硬件組成部分：路由器，帶有紅外線發(fā)射功能的空調(diào)控制器，能自動(dòng)及手動(dòng)控制燈亮滅的智能電燈開關(guān)、能控制插頭通電與否的智能插座。路由器是控制中心與手機(jī)的連接媒介，控制中心是一級設(shè)備，其余三個(gè)為二級設(shè)備。 簡單方案框如下圖所示。

三、各部分功能及構(gòu)成

（一）控制中心&帶有紅外線發(fā)射功能的空調(diào)控制器

控制中心為整個(gè)智能宿舍系統(tǒng)的控制核心，由WIFI連接到路由器進(jìn)而連到局域網(wǎng)。其余設(shè)備均無線連接到控制中心?？刂浦行膸в屑t外線發(fā)射功能，可以控制空調(diào)的狀態(tài)：改變模式、調(diào)整溫度，定時(shí)關(guān)機(jī)，智能自動(dòng)關(guān)機(jī)等。

控制中心接收到局域網(wǎng)用戶通過手機(jī)發(fā)來的指令來控制其他設(shè)備，同時(shí)也有一套自主控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到指定的幾臺移動(dòng)設(shè)備同時(shí)與路由器斷開連接時(shí)，自主發(fā)送關(guān)閉空調(diào)的指令，向智能開關(guān)發(fā)送斷電的指令切斷路由器的電源，向電燈開關(guān)發(fā)送關(guān)燈的指令。并且可以在指定時(shí)間向智能電燈開關(guān)發(fā)送關(guān)閉電燈的指令，避免早上通電以后的電的浪費(fèi)。

原理介紹

控制中心通過WIFI連接到宿舍路由器，通過定時(shí)讀取局域網(wǎng)IP地址狀態(tài)，判斷宿舍是否還有人，若檢測到?jīng)]有其他設(shè)備連接到路由器，則自動(dòng)向相關(guān)智能設(shè)備發(fā)送關(guān)機(jī)指令。達(dá)到節(jié)約用電的目的。

手機(jī)通過網(wǎng)頁或微信程序向用電器發(fā)送指令，控制中心接收到指令后使用2.4G無線模塊將指令轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)智能模塊。

NRF24L01可傳輸最多32Byte的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)將使用其傳輸6位十進(jìn)制數(shù)字，前兩位代表不同模塊，中間兩位控制相應(yīng)模塊的某一功能，后兩位控制特定功能的工作狀態(tài)。

控制中心的結(jié)構(gòu)

控制中心主要分五個(gè)部分組成：電源部分、控制器模塊、各個(gè)功能子模塊、控制中心內(nèi)部通信以及控制中心系統(tǒng)外部通信。

電源部分：電源部分是為整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)供電，因此是硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在控制設(shè)備設(shè)計(jì)中是用18650鋰電池為系統(tǒng)供電。

控制器核心：中央控制器是整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)的核心，將采用嵌入式STM32F103芯片，通過一些預(yù)留I/O接口來連接其它功能子模塊，并可以在宿舍需要其他功能時(shí)做出設(shè)備的擴(kuò)展。其主要完成以下工作：接收并識別手機(jī)設(shè)備發(fā)送的指令，然后發(fā)送指令對家居設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)運(yùn)行自動(dòng)控制代碼進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)控制。

功能子模塊：功能子模塊以控制器為核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的特定功能，比如： 智能燈光的控制、宿舍空調(diào)的控制、路由器開關(guān)的控制等，每個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)功能都是由控制器來發(fā)送指令。

控制中心內(nèi)部通信：其主要實(shí)現(xiàn)的功能是完成中央控制器與功能子模塊之間的信息傳遞。該項(xiàng)目采用無線通信方式做為智能家居控制系統(tǒng)的內(nèi)部通信方式，并結(jié)合無線通信特點(diǎn)，項(xiàng)目采用WIFI做為內(nèi)部通信方式。

控制中心外部通信：主要功能是實(shí)現(xiàn)用戶通過手機(jī)連接局域網(wǎng)操作與控制宿舍電器設(shè)備，并實(shí)時(shí)監(jiān)控宿舍設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

紅外控制設(shè)備介紹

1.紅外編碼方式

一般，家里使用的遙控設(shè)備都是38kHz的載波，并使用NEC編碼方式。NEC紅外信號編碼由同步碼頭，地址碼、地址反碼、控制碼、控制反碼和連發(fā)碼組成。我們在用編解碼模塊做解碼操作時(shí)，只需要將遙控器對準(zhǔn)紅外接收頭，按下要解碼的按鍵，即可通過串口調(diào)試助手查看到解碼的結(jié)果，結(jié)果輸出為6位16進(jìn)制的“地址碼+地址反碼+控制碼”。在做編碼發(fā)送時(shí)也只需要發(fā)送這6位16進(jìn)制數(shù)據(jù)即可。

2.紅外一體接收頭的使用

YS-NEC編解碼模塊原理圖

一體化紅外線接收器是一種集紅外線接收、放大、整形于一體的集成電路，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出，并與TTL電平信號兼容的所有工作。沒有紅外遙控信號時(shí)為高電平，收到紅外信號時(shí)為低電平。適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸[3]。

接口定義如上

a、紅外發(fā)射頭：用于發(fā)射紅外信號，波長為940nm 38k NEC編碼信號的發(fā)射。

b、紅外接收頭：用于接收NEC紅外信號，進(jìn)而模塊完成分析解碼。

c、UART 單片機(jī)串口通信接口：該端口為單片機(jī)串口（TTL），作為與外界單片機(jī)的通信橋梁，其默認(rèn)設(shè)置的波特率為9600bps。

4.發(fā)射指令說明：

地址 操作位 數(shù)據(jù)位1 數(shù)據(jù)位2 數(shù)據(jù)位3

A1（FA） XX XX XX XX

操作位數(shù)據(jù)代表當(dāng)前工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)位1和2為紅外接收設(shè)備對應(yīng)的地址碼與地址反碼，用于區(qū)別接收設(shè)備；數(shù)據(jù)位3為控制位，用來控制接收設(shè)備具體參數(shù)。

（二）智能插座

智能插座接收控制中心發(fā)出的指令控制插座上電源的通斷，做到及時(shí)關(guān)閉用電器，防止人離開房間后忘記關(guān)閉用電器造成的能源浪費(fèi)。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，路由器插在能控制插頭通電與否的智能插座，用來控制路由器的開關(guān)與否。

現(xiàn)階段智能插座控制方式對比

智能插座就是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代賦予智能化的開關(guān)控制器。根據(jù)不同的控制介質(zhì)，可以分為以下幾種控制方式：

1.紅外遙控。紅外技術(shù)出現(xiàn)年代久遠(yuǎn)，技術(shù)較為成熟。但其有方向局限性，而且家中過多的紅外設(shè)備易被干擾，造成控制混亂。

2.藍(lán)牙遙控。一般采用手機(jī)控制。它相較于紅外技術(shù)有傳輸速度快、距離遠(yuǎn)、安全性高等優(yōu)勢，但是想要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制就難以實(shí)現(xiàn)了。而且藍(lán)牙信號容易被家中2.4Ghz的WiFi信號所干擾，影響其實(shí)際遙控范圍。

3.2.4G微功率無線技術(shù)。手機(jī)電腦等設(shè)備通過無線模塊連接無線信號，通過接收控制中心發(fā)來的開關(guān)信號可控制插座。此方式既可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，極低的功耗也能省電。

綜上所述，2.4G微功率無線技術(shù)相對其他控制方式優(yōu)勢明顯，而且具有成本較低、整合度高、安全性強(qiáng)、開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。

智能插座的組成

智能插座由電源降壓器、單片機(jī)、電磁繼電器、無線連接設(shè)備組成。

電源降壓器：為控制器、電磁繼電器等部件供電。

控制器：接收指令，向電磁繼電器發(fā)送指令。

電磁繼電器：控制輸出插口通電狀態(tài)。

Msp430單片機(jī)，采用C語言代碼實(shí)現(xiàn)控制，單片機(jī)上接2.4G無線模塊實(shí)現(xiàn)無線通信，接收指令，通過改變電磁繼電器數(shù)據(jù)端口的電平高低，控制插座輸出電路的通斷。擬用高電平通路，低電平斷路。智能插座單片機(jī)可以識別控制中心通過無線發(fā)來的控制指令，對多個(gè)開關(guān)進(jìn)行分別控制。

（三）智能電燈

智能電燈開關(guān)采用雙控電路，一端接手動(dòng)開關(guān)，另一端接自動(dòng)控制開關(guān)。自動(dòng)控制開關(guān)包含電磁繼電器和2.4G無線模塊，開關(guān)采用單火線取電?？刂浦行目梢灾悄芘袛喾块g昏暗程度自動(dòng)開關(guān)電燈，并接入控制中心的自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人走燈滅。原理與電燈開關(guān)控制部分原理與智能插座相同。

四、小結(jié)

1.該項(xiàng)目所呈現(xiàn)的幾個(gè)硬件設(shè)備將智能家居的監(jiān)控、控制系統(tǒng)的相關(guān)原理推廣至宿舍，擴(kuò)大了智能家居系統(tǒng)的適用人群，讓在校學(xué)生享受到科技對生活的便利。

2.巧妙地利用了路由器可以檢測到移動(dòng)設(shè)備的連接狀態(tài)這一功能，創(chuàng)造性的開發(fā)出一套利用特定幾個(gè)移動(dòng)設(shè)備在同一路由器上的不同連接狀態(tài)，進(jìn)行一系列自主控制的系統(tǒng)，對智能家居的控制系統(tǒng)進(jìn)行了近一步升級。

3.利用紅外控制器對空調(diào)的自動(dòng)及遠(yuǎn)程控制達(dá)到了節(jié)能減排，低碳生活的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程秀華，繆希仁，謝禮龍.數(shù)字家居智能系統(tǒng)控制技術(shù)[J].低壓電器，2007.4：30-32

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[3] 張彬杰.22個(gè)原件做出學(xué)習(xí)型遙控器.[J].無線電，2010.11