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智能家居控制系統范文1

 

一、智能家居系統設計的流程

 

單片機系統是微機應用產品化的最佳機種之一，其系統本身具備很多優點。例如，較其他系統，單片系統的體積更小，成本更低，功能性更加強大，單片機所帶來的系統已經在智能化產品工業制作中被廣泛應用。并且隨著技術水平的不斷進步，逐漸完善的單片機系統能夠滿足設計過程中的各種要求。

 

在總體設計的流程中，外界信息經過感應器傳導，其信號內容進行放大與整形，進一步傳導單片機信號分析處理，再由單片機系統與外部信息結構進行指導交換，引導紅外與光電裝置，將信息內容傳遞于執行器件。在控制系統中，系統控制器會接收到遠端傳遞過來的信號，并且對其解碼，再傳遞給中央處理系統。在控制系統的設計中，我們要充分考慮用戶使用的便捷性，在控制系統中添加語音提示操作系統，使用戶能夠在無人值守系統的情況下，更好地進行系統操作。

 

二、智能家居系統的應用設計

 

(一)傳感器應用設計

 

傳感器的應用設計，是家庭智能設計過程中的信號來源。在傳感器設計上，應根據產品本身的特點添加各種感應裝置。在智能家居系統中，火災警報傳感器是設計的第一項，火災煙霧傳感器的體積小、可靠性高，能夠及時將煙霧信號轉換為電信號，在智能家居的設計中，煙霧傳感器可以固定在每個房間的天花板或者墻壁上，將家居系統與小區或消防警報系統相鏈接，充分利用智能家居系統的安全性。

 

其次，我們要設立可燃氣體傳感器，將感應器放置于廚房等氣體容易泄露的地方，監視氣體疏通管道的安全性，如果發生天然氣泄露等情況，感應器會自動關閉天然氣輸送管道閥門，并且向外界發出信號，及時通知家庭以及小區物業，降低財產損失。在可燃氣體感應器設置上，利用氣體濃度來對天然氣等裝置進行監控。在智能家居生活中，防盜報警系統可以分為兩部分，一部分是對家庭周圍環境的防護，例如周圍環境的監視控制，門窗系統中的開關以及玻璃周圍的感應系統等;另一部分是針對

 

家庭無人的情況，對于室內的感應防盜系統，利用紅外感應裝置，在他人進入房間且未關閉監控系統的情況下發出警報。在房間有人活動的時候，關閉室內防盜系統，開啟室外防盜系統，在無人活動的情況下，室外系統與室內系統均開啟，并且防盜系統的靈敏程度可以根據房屋周圍環境而設定。

 

(二)通訊接口應用設計

 

智能家居的生活控制系統中，數據通信電路需要完成信息的接受與發送、與計算機的溝通、與軟件的控制等幾個方面。分析模塊組成部分可以發現，GSM基帶處理器相較于供電模塊、閃存、天線接口等幾個部分而言是TC35的核心，GSM主要負責處理終點內的語音與數據信號，并且在不需要額外增加電路支持的情況下，可以完成FR和EFR的編碼工作。

 

在連接方式上，TC35與單片機需要采用串行異步通信接口，使用紅外和通信電纜兩種傳輸方式進行傳輸。在整體的傳輸設計過程中，紅外接口的特點在于信號穩定，接口之間相互獨立，使用方面抗干擾性強，不會對手機的通訊產生影響，缺點是傳輸的距離有限，傳播的方向受到接口的限制。而電纜連接的通訊裝置傳輸距離遠，可靠性高，不過缺點在于傳輸接口的電氣參數不兼容，設計過程中容易對手機的通訊產生影響。在接口的設計中，要分析家庭周圍的環境，考慮接口信號對于家庭通訊設備的影響，選擇合適的接口，應力求將紅外接口與電纜接口進行結合，提高智能家居系統工作的效率。

 

(三)紅外線應用設計

 

在系統設計的控制方面，可以加入更多的紅外設計理念，在智能家居設計中，紅外遙控器是被廣泛應用的，但是在實際操作過程中，一個紅外遙控器所針對的只是特定的品牌產品，遙控器之間的兼容性很差，在新型智能家居設計中，可以利用紅外插座、紅外開關等產品，將電器的操作信號與電信號進行混合，利用紅外系統中的學習與記憶功能，使紅外插座成為信號傳遞的樞紐，同時利用單片機對遙控器發射出信號的波形進行測量，然后對測量數據進行反饋，從而提高遙控器的效率，實現家庭智能控制系統的優化。

 

總之，在智能家居系統的設計中，首先要明確選擇系統的性質，其次建立合理的設計流程。設計過程要符合信息技術的要求，并且最大化地提高用戶的使用效率。在應用設計方面，分析傳感器的種類并選擇合適的連接端口，提高控制系統的靈敏度，并結合紅外線感應技術，增強智能家居控制系統的完整性，使其能更好地提高人們生活質量。

智能家居控制系統范文2

智能建筑在我國經過十多年的發展，正面臨著前所未有的大好形勢。目前，絕大多數的智能家居產品尚處在發展初級階段，系統集成程度低、動作聯動性差、智能化水平差，甚至由于其功能的不完備，系統操作反而成為一種負擔。為了解決這些問題，本文詳細闡述了筆者親身設計并實現的智能家居系統――分布式智能家居系統。

一、分布式智能家居系統構建背景

分布式控制系統DCS（Distributed Control System）采用多臺控制分機分別承擔不同的控制功能和處理范圍，不僅其處理能力大大提高，而且將危害及系統安全的因素降低。由于智能家居系統具有監控點多、控制動作簡單、設備分布散、系統邏輯關系復雜等特點，系統運行需要協調大量被監控對象之間的關系，這就需要應用一種適合該系統特點要求的控制理論。于是，本設計采用工業上廣為使用的分布式控制系統來構建智能家居系統。系統采用分級模塊的方式，可以使處理工作分散、協調工作統一、控制功能靈活機動、可靠性高、安裝靈活方便。采用分布式控制技術，系統分類分區的監控可以分散系統處理器運算處理工作，減小誤報、誤控的發生。同時，分散的子系統各自獨立工作，可以避免系統一處故障全體癱瘓的情形出現。

1. 分布式控制系統在智能建筑中的應用現狀

DCS在智能建筑中的應用早已提出，所構建系統控制分機采用可靠性較高的PC機作為控制分機及主機，系統功能強大、可靠性高。但是，智能家居系統不可能采用多臺PC機來構建分布式控制系統，這就要求必須有分散的控制處理單元。加之其處理工作繁瑣但不復雜，故本文采用了處理能力簡單的AVR單片機為模塊處理器。所構建的系統功能適用、性價比高、功能穩定，完全可以達到要求。

2. 分布式智能家居的構建思路

智能家居系統的設備量大、分布散、需要監控的數量多，以及網絡經濟的逐步發展，必將改變目前這種家用電器單機運作的模式。同時又考慮到家用電器的擺放及使用的靈活性，我們研究并提出了采用分布式控制技術解決方案。根據DCS的特點與智能家居系統的功能需要，選用了ATMEL公司生產的8位AVR單片機――ATmega8。

考慮到同類分機模塊的功能基本相同，我們設計了環境監測分機模塊、監控分機模塊、控制主機模塊。最后，據各子系統不同的功能要求分別編制對應程序進行現場錄制，從而使各模塊真正具有功能齊全、經濟合理、維護升級方便的特點。家庭內各個被控單元與控制功能模塊連接，實現智能監控，并且各模塊間建立聯系，最終通過控制主機模塊與PC機及電話等連接。主人可以通過遙控器、網絡、電話等監控家庭安全及住宅環境狀況，遙控家用電器的運行。

二、分布式智能家居控制系統的構建

為了綜合利用資源，模塊的設計采用了統分結合的指導思想，實現家居智能監控可以簡化為監測處理信息和實現控制功能。為了滿足家庭內所有監控功能，根據需要將所需監控對象根據位置劃分，安裝相應的分機模塊。

1. 系統構建總體框架

系統功能根據監控任務的不同分為三類：環境狀況監測功能；設備開關監控功能；信息處理及對外通信功能。據此，將家庭內各處設備分類分區控制，并且模塊間均具有獨立的通信及控制功能，可以相互協作（如圖1所示）。例如，監測模塊把所監測到的信息發送到總線上，控制模塊接收并判斷實現控制功能。控制主機模塊與家用PC及電話互通信息，實現遠程監控。

2. 系統構建模塊

1）環境監測分機模塊

設計環境監測模塊，主要是因為環境參數受周圍電器工作和安裝位置的影響較大。為了防止檢測誤差，單獨安裝減小干擾作用。該模塊負責監測住宅內外的所有環境信息，包括溫度、濕度、亮度、煙霧、燃氣、噪音、風速、空氣質量、有人活動、玻璃破碎等參數。它還可以將所有的信息進行綜合分析，最后將結果總結，決定該采取何種控制動作并發送到總線上，比如環境監測模塊檢測房間內的溫度，同時與總線上傳來的室外溫度及天氣情況進行邏輯分析。如果室外溫度舒適而且空氣質量好，未有刮風下雨等，則該模塊就會發送打開該房間窗戶的命令。相反，如果天氣突然惡劣時，會發出關閉窗戶的命令。

2）設備監控分機模塊

該模塊負責所分配區域所有設備的開關控制，并且進行設備控制效果監控。將房間內各個電器根據需要劃分為若干個區域，使用一臺分機控制。控制的內容主要為照明、空調、窗戶、窗簾、電視、背景音樂及總電源開關等。分機接到命令或條件成立時，模塊實施控制動作，并且檢查控制效果。在正常運行期間，定時進行設備故障監測，并且隨時匯報故障結果，同時進行故障記錄。比如上述情況中環境監測模塊發送打開窗戶的命令時，相應模塊便會打開窗戶，同時檢查是否成功打開，并且將結果發送到控制主機；如果有故障發生，則將故障結果發送到總線上等待處理，在未處理之前會隔一定時段再次匯報。

3）控制主機模塊

控制主機模塊為該系統的下位機的處理中心，它負責接收處理所有分機發送的信息，與上位機或電話聯系，實現報警或遠程監控功能。當控制主機配裝液晶顯示器時，主人可以方便查看各設備的工作狀況、故障情況。并且，系統在沒有上位機的情況下仍能獨立的完成各項控制工作，從而保證了系統的可靠性及對環境的適應性。當發生緊急情況時，該模塊要進行電話自動撥號報警。如果PC機打開的情況下還可以通過互聯網報警、監視或監聽等。

3. 系統通信方式

1）有線通信方式

該系統通信采用了RS-485總線。由于RS-485總線的可擴展性及工程安裝的簡單性、廉價性等特點，使得系統可以方便的實現各并聯連接功能模塊之間的通信，易于擴展、維護升級方便。保證了分機模塊間的順利通信協調工作之后，總線可以通過一個RS-485轉RS-232器件與計算機通信，實現系統與局域網、互聯網的互聯。

2）無線通信方式

該系統還采用了無線通信方式。無線數據傳輸電路由Nordic公司的單片UHF無線數據收發芯片NRF401及其電路構成。NRF401采用FSK調制解調技術，其工作效率可達20kbit/s，且有兩個頻率通道供選擇，并且支持低功耗和待機模式。它不用對數據進行曼徹斯特編碼，其天線接口設計為差分天線，因而很容易用PCB來實現。采用該無線通信方式可以實現模塊間通信，還可靈活布置無線探測器及控制器。完全采用無線通信方式可以方便進行舊住宅房改造安裝，不會影響裝修并且省去布線的工作和費用。

三、系統軟件設計

本系統軟件主要由系統主機和系統分機的AVR程序及系統上位機控制系統與Internet網絡通訊程序組成。該系統正常工作時，用戶可以完全不必干預，也可通過分機操作接口、上位機操作系統接口界面控制，或通過Internet及電話方式進行遠程訪問監控。

1. 下位機程序的編制

系統主機程序主要用于實現系統的總體通信調節控制功能，包括無線數據傳輸程序、分機采集匯報數據的收集處理轉發、緊急電話撥號報警、雙音頻編解碼程序、語音錄放程序、串行通訊程序、鈴流檢測與摘掛機控制程序、系統初始化程序、意外事件處理程序及接收上位機控制命令及匯報數據等。程序編制以消息驅動為主導思想。消息由計數器中斷1、外部中斷0和串行中斷產生，在中斷服務程序中應按相應的狀態位置位，而在消息循環中則應按相應的狀態位調用功能函數，然后由功能函數將相應的狀態位清0并完成所需功能，并最后返回到消息循環中。其程序流程如圖5所示。該系統的分機程序和主機類似，故此不再詳述。

2. 上位機操作系統及其與Internet網絡遠程訪問程序的編制

上位機操作系統程序用C++語言在C++ Builder編譯環境中編制，系統帶有友好操作界面，可以通過鼠標方便的控制及查詢任何家居設備的工作狀態等。通過Internet訪問部分通訊程序分為服務器和客戶端兩個程序。服務器程序主要完成客戶端與系統主機通訊的中轉，即將客戶端發來的控制或者查詢命令翻譯成系統主機能識別的格式；或者將系統主機收到的報警等信息上傳到客戶端，主要通過Internet網絡完成用戶的控制功能。客戶端程序是運行在遠端用戶的控制界面，主要用于完成家居內狀態的顯示以及對家居內電器的遠程控制，同時使客戶端直接連接到服務器。

四、結論

智能家居控制系統范文3

智能家居系統產品取代了傳統的燈光及家電控制模式，在為您提供安全保障的同時，讓您輕松享受生活。在外您可通過電話、電腦來遠程遙控您的家居，例如在回家的路上提前打開家中的空調和熱水器；到家開門時，借助門磁或紅外傳感器，系統會自動為您拉上窗簾、打開過道燈，讓家處于最佳的狀態迎接您的歸來；回到家里，通過遙控器您可以方便地控制房間內的各種電器設備，設置所需的預置場景，讓懂得生活的您有更充裕的時間來享受更舒適的生活。

二、系統功能介紹

家庭遠程自動化控制和監控功能

現代家庭擁有越來越多的家用電器設備，家庭智能化系統可以對這些家電設備進行遠程控制和監控功能。業主可以根據需要以及光線的變化來控制電器設備和照明燈光的開或關，使用者還可以控制家中空調設備的啟停以及溫度的高低。縱使控制主機故障，只要系統電源不中斷，亦不影響其它家電設備及燈光的控制。避免因系統故障而對家居生活產生的影響。

多種控制方式

家庭智能化系統對家庭中的任何一件電器產品都可有五種控制方式來選擇，即：

1）直接操作智能模塊上的按鍵進行控制和調節；

2）在智能控制主機的鍵盤上輸入操作碼控制；

3）在戶內通過射頻（RF）遙控器進行控制和調節；

4）在異地通過電話進行遠程控制；

5）在異地通過INTERNET網絡控制。

系統狀態監測

家庭智能化系統可以通過系統的控制狀態反饋檢測，以語音方式通知業主目前家中每個模塊的運行狀態，有效防止誤操作，這一點是家庭智能化系統所特有的功能。當業主一旦進行誤操作時，系統不但不會執行指令，同時還會通過語音方式提示操作者：“電源關或閉”。通過這一點就可以說明家庭智能化系統的卓越功能和智能水平。

聯動聯控

家庭智能化系統由于采用了控制網絡技術，從而徹底改變了傳統的控制方式。家庭智能控制系統可以實現的聯動控制方式主要有以下幾種：

1）場景控制：在很多情況下，我們希望能夠通過燈光來營造美好的家庭氣氛，使生活更加豐富多彩。然而好的燈光效果往往需要多個燈具共同作用才能實現。家庭智能化系統的場景控制功能可以將常用的各種場景模式保存起來，并把控制指令定義給任意一個開關模塊的任意一個按鍵上，需要時只要按一下對應的按鍵，室內所有的燈具就會按照預先的定義產生動作，營造出主人希望的燈光效果和氣氛。比如，當主人離開廚房前按下廚房燈光控制模塊上的某一按鍵時，系統會將廚房、書房、客廳的燈光調暗，打開餐廳的燈光、關掉各個臥室的燈光，從而營造出就餐氣氛。與此相類似，我們還可以定義會客場景、休閑場景、慶祝節日等場景的燈光照明模式；

2）報警聯動控制：當室內發生報警時，系統可以在向外發出報警信息的同時打開室內的照明燈光、啟動警號等；

3）設/撤防聯動控制：當主人外出前啟動安全防范系統的同時，系統可以聯動切斷某些家用電器的電源，比如關掉所有的燈光，切斷電熨斗、電水壺、電視機等家用電器的插座電源等；

4）定時控制：家庭智能控制系統提供一個定時控制器。通過對定時控制器的設置，可以實現對系統各個模塊的定時控制。比如根據定義，家庭飲水機可以在早餐前10分鐘開啟，并在早餐結束或上班前關掉飲水機，以此來延長飲水機的使用壽命、節能節源。

留言錄音功能

智能家居控制系統范文4

隨著21世紀的到來，特別是近年現代高科技和信息技術(IT)正在由智能大廈(IB)走向智能住宅小區，進而走進家庭(SH)。現代社會的家庭成員正在以追求家庭智能化帶來的多元化信息和安全、舒適與便利的生活環境作為一個理想的目標。

1 國內外智能家居現狀及發展趨勢

智能住宅的概念起源于美國，美國的智能住宅發展是最為迅猛的。繼美國之后，歐洲、日本、新加坡等國家住宅智能化也得到了飛速發展。

目前，家庭自動化（HA）在我國正在悄悄興起，一些歐美著名的家庭自動化標準，例如LonWorks、CEBus和X-10等都先后被業界的先驅們介紹引進，對我國在該領域的技X發展起了積極的推動作用，有些事實上也成為我國在HA方面的標準。

2 基于APBUS總線技術的智能家居介紹

埃普總線技術（APBUS）是一種分布式控制網絡（總線）技術及通信協議，主要用于網絡化控制系統，特別是智能家居網絡或智能住宅小區網絡方面。它采用普通雙絞線為通信介質，結合低壓直流饋電/信號混合輸送技術和無極性通信技術，使得所有與APBUS兼容的產品都可以實現無拓撲邏輯限制的網絡連接。

APBUS是對現有HA技術做出改進后推出的一個家庭總線技術。APBUS智能控制系統集安防報警、燈光調光、場景設置、電器控制、無線遙控、SMS短信接收、電話及互聯網遠程控制等多種功能于一體。系統可廣泛應用于現代家庭、高檔辦公場所、學校、醫院及公共活動場所等電器、燈光及安防系統的智能控制。

3 基于APBUS總線技術的智能家居的控制原理、系統優勢和系統結構

3.1 控制原理和系統優勢

APBUS采用最簡單的雙絞線為通訊媒體，結合最先進的電源/信號混合輸送技術和無極性通訊技術，使得所有根據APBUS技術制造，與APBUS兼容的產品/模塊都可以實現無極性、無拓撲邏輯限制的網絡互聯。APBUS獨有的聽者可編程技術及多節點無沖撞隨機數據訪問方式和全分布式雙向性網絡，使其在建筑及住宅數字控制網絡應用上體現了低成本、無干擾、高效率、高可靠性的特色。更使APBUS具備與眾不同的高效率和可靠性。

3.2 系統結構

APBUS專用總線系統采用總線式的結構，主要由電源供應器、雙絞線和功能模塊三個基本部分組成。每個功能模塊都是串連在雙絞線上，互相的連接不分極性。如圖 1 所示：

一根APBUS專用總線可以連接32個功能模塊，如果功能模塊超過32個，則需要另加一根總線，兩根總線之間通過一個路橋器連接。如圖 2 所示：

4 結語

我國發展水平與發達國家相比還有很大差距。目前還不能系統綜合地考慮環保、節能、智能控制和低價格概念的智能型家居住房。但全國已建立了一些具有一定智能化功能的住宅和住宅小區。其內容涉及到居家辦公、自動抄表、電子巡更、車庫管理、家電遙控、給排水、電、區域照明、電子公告、廣播及背景音樂、家庭一卡通等等方面。

參考文獻

[1]Huang Geng.Mixed Mode Transceiver Digital Control Networks and Collision-Free Communication Method.US Patent App. 09/267,632.

[2]Wacks E P. Home automation and utility customer serbices[Z].Cutter Information Corporation,1998.

智能家居控制系統范文5

關鍵詞： 智能家居； 短距射頻網絡； GSM； μC/OS?Ⅱ； 分段線性化

中圖分類號： TN911?34； TP872 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0145?04

Electricity control system in smart home based on RF network

YU Wei1， XIE Xing1， XING Yu?xiu2， CHEN Jian?xin3， GUAN Tu?hua1

（1. Engineering Training Center， Nantong University， Nantong 226019， China； 2. Qinggong College， Hebei United University， Tangshan 063000， China；

3. School of Electronics and Information， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： In view of the status quo that the popularizing rate of smart home products remains low due to their expensive prices， an electricity control system in smart home based on radio frequency network is proposed in this paper. With the system， users can control the sockets remotely by key triggering， SMS sending and timer setting. The relative socket will turn off the power and send a message as an alarm to a certain user automatically when indoor fire， gas leakage or other dangerous situation occurs. Optimum area using the remote?controller was obtained after comparing results of the bit error rates tested in different indoor regions. The experimental results show that the system is stable in operation and has high performance cost ratio.

Keywords： smart home； short?range radio frequency network； GSM； μC/OS?Ⅱ； piecewise linearization

近年來，物聯網技術發展迅速，全社會的信息化水平不斷提升。智能家居是物聯網的主要應用之一，已成為當前的熱門研究領域，也是未來家居生活的發展方向[1]。它能夠為用戶提供舒適、便利的生活環境。但由于市場上的相關產品大多價格昂貴，普及率依然較低。以往的探索與開發往往停留在對電器設備本身的改造上[2]，這種嘗試使智能家居產品一度成為奢侈品。本文介紹了一種電能控制系統，作為智能家居的重要組成部分，它在不改動原有電器設備的基礎上實現了遠程自動控制功能。

1 系統結構

該電能控制系統由遙控器和插座節點組成，其工作原理如圖1所示。當用戶在家時，通過遙控器以射頻方式對插座進行控制。插座節點收到信號后，由微控制器進行解碼，并根據得出的結果，對特定編號的插座做通斷電處理，從而使與其連接的用電器被啟動或者關閉。當用戶離住所較遠時，可通過GSM網絡向遙控器發送手機短信[3]，微控制器讀取信息后，通過射頻芯片，將信息傳遞到室內的無線網絡中，進而使相應地址上的插座受到控制。由此可見，遙控器在整個智能家居系統中屬于網關節點[4?5]，一方面，它與插座節點組成了室頻局域網，另一方面，它又與GSM網絡相連，延展了遙控距離。遙控器的內部結構如圖2所示，包括溫濕度檢測電路、時鐘模塊、nRF905射頻收發模塊、GSM模塊等功能電路，這些模塊均與控制核心LM3S811相連。該微控制器采用ARM Cortex?M3架構，由于依托高密度的Thumb?2指令集，內存開銷大大降低，操作系統的移植也更加方便。

插座節點主要實現與遙控器的射頻通信以及繼電器的通斷控制，其結構框圖如圖3所示。插座中的煙霧傳感器用于預防火災危險。一旦檢測到煙霧或可燃性氣體，插座上對應的繼電器將斷開，并通過射頻收發模塊向遙控器匯報，遙控器收到信息后，再通過GSM模塊的短信功能及時提醒用戶采取相應的措施，防止危險的發生或財產損失的進一步擴大。由于插座端工作量較少，從成本和性能兩方面考慮，本系統采用STC12C5620AD微控制器作為插座端的主控芯片。

圖1 遙控插座工作原理

圖2 遙控器結構框圖

圖3 插座節點結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 溫濕度檢測電路

本系統采用溫度傳感器LM35和濕度測量模塊CHM?02進行環境監測。LM35的電壓輸出與攝氏溫度呈線性關系，無需校準就可在常溫環境下達到±1/4 ℃的測量精度。CHM?02模塊可在0～70 ℃的溫度下對20～95%RH范圍內的濕度進行檢測，室溫下的測量精度為5%RH。溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖如圖4所示。由于兩種傳感器輸出的模擬信號在MCU片內 A/D采樣電路的檢測范圍內，所以直接將兩者的輸出端與MCU的兩個ADC引腳連接。模擬式傳感器的使用不但充分利用了控制器的片上資源，而且提高了子程序的利用率。

圖4 溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖

2.2 煙霧檢測電路

煙霧傳感器MQ?2基于SnO2的電化學特性，對可燃性氣體及煙塵有良好的檢測靈敏度。煙霧檢測電路原理圖如圖5所示。MQ?2在正常工作前需要對內部加熱絲的H?h兩極通電預熱[6]，為了防止加熱電流過大而導致內部信號線溫度過高，此處將加熱絲與100 Ω電阻串聯。當環境中的煙霧或可燃氣體超過警戒閾值時，傳感器A?B兩極間的電導率迅速增加，與其串聯的負載電阻RL所獲得的電壓也相應增加，該電壓信號經低功耗運放TLC27M2放大后，得到與煙霧或可燃氣濃度相對應的模擬量輸出，最終接入控制器的ADC模塊進行量化。

圖5 煙霧檢測電路原理圖

2.3 時鐘模塊

時鐘模塊除了顯示系統時間以外，還可對單個插座進行通斷電定時。時鐘電路原理圖如圖6所示，DS1302通過串行方式與MCU通信，為保證信號傳輸的穩定性，接口已做上拉處理。芯片采用雙電源供電，主電源正常工作時可以對備用電源進行涓細電流充電；在掉電情況下啟動備用電源，避免因突然停電而造成時鐘停滯[7]。考慮到使用的便捷性，遙控器由鋰電池供電。DS1302的主電源引腳VCC2連接到集成穩壓器的3.3 V輸出，而備用電源引腳VCC1與4 700 μF的電容串接，兩個電源引腳之間通過二極管隔離。由于芯片耗電量很低，在更換電池的過程中，電容的放電作用可以暫時維持芯片運行。

2.4 射頻收發模塊nRF905

射頻收發模塊是連接插座與遙控器的橋梁。nRF905集成收發器能在3個ISM頻段配置使用，且功耗很低。本系統中的所有節點均設置在433 MHz頻段工作[8]，射頻收發電路原理圖如圖7所示，其中的SMA接口用來連接特性阻抗為50 Ω的單端天線，有利于信號的全向輻射。單端天線又被稱為非平衡天線，其主要參考點為信號地，而nRF905的天線接口（引腳ANT1和ANT2）為差分射頻輸出端口。為了維持信號平衡，保證兩個端口的阻抗匹配，此處在兩者之間增加了balun（平衡/非平衡）電路，對芯片輸出端的特性進行調節。

圖6 時鐘電路原理圖

2.5 GSM通信模塊

將短距射頻網絡與GSM技術相結合，既發揮了短距射頻網絡配置靈活的特點，又發揮了GSM技術在通信距離上的優勢。GSM通信電路的核心是SIM300模塊，其電路如圖8所示。

圖7 射頻收發電路

原理圖SIM300通過串口與MCU通信，模塊與SIM卡之間串聯的22 Ω電阻用于阻抗匹配。為保證信號的傳輸質量，SIM卡數據線作了上拉處理，與引腳并聯的SMF05C型靜電抑制器用于靜電防護。電源與地之間并聯的100 μF鉭電容和1 μF陶瓷電容用于去除低頻毛刺，并在一定程度上兼顧了高頻特性。按下按鍵S1，使PWRKEY引腳的電位拉低約2 s左右，可以完成模塊的上電與掉電，當前狀態由串聯在VDD_EXT引腳上的發光二極管指示。為了便于程序控制，在原有按鍵的基礎上增加了一種三極管開關電路，當模塊工作異常時，可以通過軟件改寫PWR端口的狀態來實現SIM300的自動復位。

圖8 GSM通信電路原理圖

3 軟件設計

遙控器和插座對于整個射頻無線網絡而言都是其中的節點，但硬件結構上的差異決定了兩者功能與地位上的不同，也使得兩者在軟件設計的方式上有所差別。

3.1 遙控器節點程序設計

遙控器是系統的控制核心，也是用戶與插座之間聯系的紐帶，因此程序中的并發模塊多，任務繁重。考慮到遙控器中采用的ARM處理器可提供對操作系統的全面支持，利用μC/OS?Ⅱ操作系統對該節點中的多個任務進行調度[9]，可有效保證系統的實時性和穩定性，也有利于功能的擴展。在進行操作系統移植前，需要對任務進行 劃分，每個功能對應一個系統任務，同時應避免劃分過細而導致頻繁調度的問題。遙控器節點的程序流程如圖9所示，其中包含了7個任務，任務之間通過信號量、消息隊列、消息郵箱等方式實現同步與通信。從用戶的角度來看， 這些任務是并發執行的。

按鍵掃描任務的優先級在所有用戶任務中最高。通過中斷方式讀取用戶輸入的按鍵值，數據存入消息郵箱KeyMbox中，若數字鍵1～6被按下，則通知射頻發送任務處理；若時鐘設置按鍵被按下，則進行時鐘調整或定時器設置。時鐘定時任務用于獲得DS1302的時鐘輸出值，在定時時間到達后，發送消息通知射頻發送任務處理，完成后自動掛起。射頻發送任務是根據其他任務中獲得的控制碼，以射頻方式對相應編號的插座發送通斷電控制信號，隨后等待插座端返回動作信息。若超時無反饋則重發1次，重發3次后任務掛起。危險報警任務需經過同頻載波檢測，地址匹配確認后，才開始接收射頻信號，進而將信息送入郵箱，解碼確認危險報警標識后，通過GSM模塊，以短消息的方式通知用戶。短信接收任務負責接收用戶短信，并將其存放在消息郵箱GSMMbox中。通過AT指令“AT+CMGR=1”每次只讀取序號為1的短信息，成功提取控制碼（包含插座ID號和開關動作碼）后，將該條信息刪除，并向射頻發送任務傳遞消息。環境監測任務負責對室內溫濕度信息循環采樣。雖然溫度傳感器的線性度較好，但外界環境對濕度傳感器的影響較大，需對其輸出電壓值作分段線性化處理。數據存放于消息隊列中，最終結果為3次測量值的算術平均值。液晶顯示任務優先級最低，待以上任務結束后，負責顯示各插座最終的狀態、時鐘信息以及室內溫濕度測量結果等。

圖9 遙控器節點程序流程圖

3.2 插座節點程序設計

插座節點程序流程如圖10所示，其中最主要的工作是實現射頻信號的接收與發送。當沒有煙霧報警時，nRF905進入接收模式，同時偵聽信道；若監測到同頻載波且數據包地址有效，則啟動接收；當CRC校驗結果正確，硬件會自行去除數據包的前導碼、校驗碼及地址碼[10]，并通知MCU數據準備就緒，進而MCU通過SPI串行總線讀取接收到的信息。

射頻信號發送本質上是接收的逆過程。當nRF905進入待機模式后，MCU將地址與數據信息傳送至射頻芯片的發送寄存器，同時啟動芯片進入射頻發送模式，隨后片內硬件自動完成對數據的打包、編碼、調制及發送任務。一幀數據發送結束后，射頻芯片轉入待機模式，等待下一次被激活。射頻電路的每一次接收或發送過程都伴隨著繼電器的接通或斷開動作。默認條件下，煙霧傳感器處于使能狀態，為了防止用戶在室內抽煙而導致系統誤判，煙霧檢測功能也可以設置為失效。

圖10 插座節點程序流程圖

4 測試與分析

在圖11所示住宅中進行現場測試，6個插座和1個遙控器被放置于A到G這7個區域內。為了評估系統的抗干擾能力，在各區域的交界處均放置兩個干擾源，頻率為432 MHz和434 MHz。改變遙控器所在位置，對6個插座各遙控200次，并記錄插座端的回饋信號。若返回錯誤信息或不反饋，則作為一次丟包記錄。

結果發現，遙控器在C、E兩個區域平均誤碼率略高于其他區域；當遙控器在G區域時，平均誤碼率最低，效果最好。

圖11 測試現場網絡節點分布圖

5 結 語

本系統實現了對家用插座的智能無線控制，在不改動原有家電內部結構的基礎上，用戶可以通過射頻、短信、定時等方式，控制插座的通斷電狀態。當室內發生火災或可燃氣體泄漏等情況時，插座能自動斷電。整個系統對控制對象沒有特殊要求，適應性較強，不失為一種廉價的智能家居解決方案。

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智能家居控制系統范文6

關鍵詞：NIOSⅡ；SOPC以太網；智能家居

中圖分類號：TP393.03

文獻標識碼：B

文章編號：1004―373X(2008)04―046―03

1 引 言

在現代家居環境中，隨著照明、智能電器、安防等設備的日益增多，電氣安裝、控制線路也日趨復雜。在滿足多功能要求的同時，安裝簡單、良好的擴展性和低廉的運行成本，成為現代智能家居系統技術發展的必然要求。隨著計算機功能的日益強大和網絡的普遍應用，人們對各種智能化產品的需求越來越強烈，家居智能化、網絡化、遠程化和系統化設計以其安全、舒適、便捷的服務而受到消費者的青睞。因此，智能家居控制系統有很大的發展潛力。

與其他同級別的CPU，例如ARM、MIPS和POWER―PC等處理器相比NIOSⅡ處理器有其明顯的設計優勢；能夠隨著設計者的需要自由定制，并且SoPC技術將處理器、存儲器、I／O口等系統設計需要的功能模塊集成在一個PLD器件上，構建成一個可編程的片上系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并且很好地利用IP復用技術，在SoPC Builder開發工具中包含NIOSⅡ處理器以及其他一些常用外設IP模塊，可以很方便地將處理器、存儲器和其他外設模塊連接起來，形成一個完整的系統，具有極大的應用靈活性，并且對于系統升級來說也是相當方便的。

本文設計的智能家居控制系統采用基于NIOSⅡ的SoPC技術，結合NIOSⅡ軟核處理器和CycloneⅡ開發套件實現。整個硬件系統包括核心的FPGA芯片，外部擴展的SDRAM，FLASH、各種輸入／輸出電路以及SMSC公司的LANglClll以太網接口芯片等。

2 系統設計

對于一個智能家居控制系統，需要滿足照明燈光控制、智能家電、家電電源的本地或遠程控制及安防監測控制等要求，本系統將通過FPGA、NIOSⅡ處理器、以太網以及擴展的外部電路實現對于家電環境的遠程控制。

設計首先在FPGA上搭建主要的系統架構，然后在FPGA搭建系統擴展電路，包括SDRAM，FLASH以太網接口電路，其次利用Visual Basic編寫桌面控制軟件通過以太網來控制系統，實現對于系統電路的遠程控制。同時，可以通過系統的輸入按鈕向遠程客戶端發送信息，通過桌面軟件接收信息并顯示，實現兩端的消息通訊。由于系統利用以太網來進行數據的傳輸和處理，將智能家居控制系統和目前功能日益強大的計算機以及廣泛應用的互聯網緊密結合在一起，具有更強大的功能性以及使用的方便性。

3　系統硬件電路設計

Altera的NIOSⅡ處理器設計突出優點表現在他的靈活性和可裁減性上，系統提供了大量IP，設計者可以任意對IP進行選擇，同時，用戶也可以根據需要定制自己的IP，實現自己所需要的功能。圖1表示本系統設計中CycloneⅡ芯片的內部配置情況以及與設備的連接情況。

在本系統設計中，主要使用了如下的Altera IP，并對其進行相應設置：

(1)NiosⅡProcessor：該IP是系統處理器模塊，作為整個系統運行的控制處理核心；

(2)FLASH Memory(CFI)：該IP是外部存儲器FLASH控制接口模塊，完成對FLASH的時序控制；

(3)DDR SDRAM Controller：該IP是外部存儲器DDR SDRAM的接口控制模塊，完成對DDR SDRAM的時序控制；

(4)JTAG UART：該IP完成在主機PC和SoPCBuilder系統之間的字符流傳輸，進行程序的下載，以及硬件軟件的在線調試；

(5)LAN91Clll Interface；該IP是外部以太網芯片接口模塊，完成NIOSⅡ系統對外部LAN91C111網卡芯片的控制，進而實現系統的以太網數據傳輸；

(6)Character LCD：該IP是外部LCD的接口控制模塊，完成對外部液晶模塊顯示的控制；

(7)PIO：該IP是通用I／0控制模塊，用來控制外部的輸入輸出；

(8)Interval timer：該IP是系統的定時器模塊，完成對系統時間的處理。

在選定系統需要的IP資源后，就可以通過SoPCBuilder很快地在FPGA上構建一個嵌入式系統。首先，定制軟核處理器，設定為standard標準型NIOSⅡCPU，4 kB指令緩沖器，支持JTAG下載調試；16 M FLASH用來存放用戶數據和程序；16 M DDR SDRAM用來作為系統運行時程序的存儲空間；定制Avalon三態總線架構，將LAN91Clll設置為Avalon總線的從器件，通過Avalon總線與NIOSⅡ系統相連，并定制LAN91C111的驅動模塊，實現系統對于該芯片的控制。

搭建完系統的模塊后，需要為各個模塊設定中斷號，讓CPU在運行過程中判斷內部和外部各種中斷的優先級，其中系統定時器的中斷優先級最高，然后各個模塊的中斷優先級從高到低依次為JTAG模塊、外部按鈕輸入、EPCS配置芯片、LAN91Clll芯片。同時需要將FLASH存儲器的基地址設為0x000000，以便使系統每次都能從FLASH中開始執行指令。這樣，在使用SoPC Builder中的組件編輯器將用戶外設和系統連接起來后，就可以運行SoPC Builder生成系統的硬件描述語言文件，編寫相關的Verilog HDL模塊，將系統模塊和外部器件連接，然后通過QuartusⅡ軟件編譯整個FPGA設計項目。

4 系統的軟件程序設計

在智能家居控制系統中，需要完成網絡數據傳輸和控制控能，因此在軟件設計中，需要完成2個方面：網絡服務功能，建立客戶端和本系統之間的網絡連接；響應以太網消息數據，進行對應的電路控制。

在設計中使用LwIP(Lightweight TCP／IP Stack)組件實現系統的網絡控制功能，同時需要移植操作系統支持LwIP組件的使用，在系統中選擇移植μC／OS－Ⅱ操作系統，在軟件的設計中添加上RTOS和LwlP這2個組件，就能很方便地實現本系統的網絡數據傳輸與控制功能。

在NiosⅡIDE中建立新的工程后，首先在“System Library Properties”(系統庫屬性)中選擇RTOS Options進行操作系統的參數設置。在μC／OS－Ⅱ中除了用戶創建的任務外，系統還自帶2個必須的任務，分別為統計任務和空閑任務，用來進行系統的管理，所以考慮以后系統升級的方便，在對系統最大任務數進行設置時，最大任務數設為10。同時最低優先級設為20，在這里數字越高代表任務優先級越低，這個參數不受限于系統所帶的任務數。然后，在系統庫屬性中選擇Software Components進行LwlP網絡協議棧的參數設置，在系統中使用的協議有UDP和TCP協議，并使用DHCP服務完成對系統自動分配IP的功能，其他參數保存為默認值。對μC／OS－Ⅱ和LwIP設置完成后，就是編寫系統的相關功能任務。

在系統中主要設計了4個自定義任務，分別為：

(1)系統初始化管理任務：用來初始化操作系統的數據結構和創建其他任務。該任務在初始化完成后自動刪除。

(2)網絡DHCP服務管理任務：主要用來檢查DHCP服務是否成功，即系統是否成功分配到IP。該任務在完成后也自動刪除。任務流程圖如圖2所示：

(3)遠程控制管理任務：主要用來在服務器和客戶端之間建立Socket連接，在服務器端接收從客戶端發送來的控制命令，并判斷這些命令來進行相應操作。任務流程圖如圖3所示：

(4)服務器端中斷管理任務：主要在服務器端處理用戶產生的各種中斷，然后向客戶端發送相應命令執行對應操作。任務流程圖如圖4所示。

5　遠程終端的桌面軟件設計

在系統的硬件和軟件設計都完成后，為了進一步完善系統功能，以及提高使用的方便性，需要在客戶端編寫一個專用的界面軟件，代替客戶端命令行的操作，遠程用戶界面是利用Visual Basic 6.0來完成開發。Windows操作系統為Internet提供Windows Sockets(或Winsock)等標準接口，而VB則利用ActiveX控件Winsock為Internet提供標準接口，所以使用VB的Winsock控件來完成本軟件開發非常方便。

從軟件界面可以看到，在系統使用中通過“啟動連接”按鈕建立本地計算機和智能家居控制系統間的網絡連接。在“信息接收”對話框中可以接收并顯示從智能家居控制系統端發送過來的消息，在“命令發送”欄中可以選擇不同的服務通過智能家居控制系統響應對應的操作。

6 系統性能分析和功能驗證

利用QuartusⅡ軟件對設計的系統進行綜合分析后可以知道，采用CycloneⅡEP2C35F672C6型號的FPGA設計的系統占用整個FPGA的資源是比較少的，使用3 658個邏輯單元，占總資源的11％，使用了52 224 b存儲單元，占總存儲量的10％，顯示了FPGA的強大功能，利用剩余的資源可以進行后續高級功能的擴展。

在系統功能驗證中，設計2組電路來驗證系統的功能。設計外部發光二極管LED電路驗證“開燈1”按鈕功能，模擬系統對燈具的控制作用；設計外部紅外信號發射與接收電路來(包括1對紅外發光二極管和紅外接收二極管電路)驗證“開家電1”按鈕功能，模擬系統對紅外家電的控制作用。在實際測試中，電路工作良好，利用FP―GA引腳輸出3.3 V電壓作為外部電路的電源。當通過本地的桌面軟件建立本地計算機和智能家居控制系統間的網絡連接后，可以利用軟件上的操作按鈕方便地遠程控制LED電路和紅外發射接收電路，同時可以利用智能家居控制系統的輸入按鈕向客戶端發送消息，并顯示在客戶端軟件上，實現兩端的相互通訊。