摘  要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AVR單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了控制器、監(jiān)控器及被控終端的框架結(jié)構(gòu)?？刂破骱捅O(jiān)控器之間采用藍(lán)牙串口通信模塊進(jìn)行通信，控制器和被控終端之間采用無線射頻通信。
關(guān)鍵詞： 智能家居；DHT11；MQ-5；PT2262/2272；F05R/J05U

　目前，智能化已經(jīng)成為自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和顯著標(biāo)志，并且推動(dòng)智能功能迅速擴(kuò)展到儀器、儀表等設(shè)備中去，使設(shè)備具有智能化。隨著科技的進(jìn)步和人民生活水平的提高，居民對(duì)住宅的功能、質(zhì)量提出了更高的要求，智能家居以其安全舒適、信息通暢、服務(wù)完善而深受住戶的喜愛[1]。
　當(dāng)前國(guó)內(nèi)的智能家居主要研究的內(nèi)容有：(1)對(duì)家用電器和其他設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)。(2)溝通家電和其他視頻設(shè)備之間以及與外部世界之間的信息通道。(3)通過對(duì)外接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息交換。盡管中國(guó)的智能家居市場(chǎng)前景很大，但由于缺乏規(guī)范、統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，安裝、調(diào)試復(fù)雜，成本費(fèi)用高等原因，導(dǎo)致智能化家居的應(yīng)用在中國(guó)并沒有得到良好的推廣和發(fā)展。
本設(shè)計(jì)研究了基于AVR單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了控制器、監(jiān)控器和被控終端的框架結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)了對(duì)家居中的時(shí)間、溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度、光照、安防等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)和家用電器的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)通過各種傳感電路檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度信息、光照信息、可燃?xì)怏w濃度信息以及安防信息等，然后與預(yù)置的參數(shù)臨界值進(jìn)行比較。系統(tǒng)根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制命令，以控制相關(guān)被控設(shè)備的工作狀態(tài)。并且，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地顯示當(dāng)前時(shí)間、溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度、照度、安防狀況等參數(shù)值，并與聲光報(bào)警裝置配合，及時(shí)將各種監(jiān)控信息通知住戶。
1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)應(yīng)該全面考慮系統(tǒng)的總體功能，進(jìn)行硬件的初步選型后，確定一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的可行方案。經(jīng)過反復(fù)對(duì)比，考慮到節(jié)約整體成本，系統(tǒng)以Atmel公司生產(chǎn)的AVR系列Mega8L單片機(jī)為控制核心，并選用低功耗和低成本的功能器件。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了框架結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)分為三部分，分別為控制器部分、監(jiān)控器部分和被控終端部分。控制器主要負(fù)責(zé)采集信息和控制被控設(shè)備的工作狀態(tài)，用以完成對(duì)時(shí)間信息、溫度信息、濕度信息、光照信息等信號(hào)的采集，并將采集的信息按既定的通信協(xié)議，通過藍(lán)牙串口通信模塊發(fā)送給監(jiān)控器，并在收到監(jiān)控器發(fā)送的控制被控設(shè)備工作狀態(tài)的控制命令后，將控制信號(hào)通過射頻信號(hào)傳送給被控終端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的無線控制[2]。監(jiān)控器主要用于顯示監(jiān)控信息和發(fā)送被控設(shè)備的控制命令，當(dāng)監(jiān)控器收到控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將相關(guān)信息顯示在LCD屏上；用戶通過按鍵操作，將控制被控設(shè)備工作狀態(tài)的命令通過監(jiān)控器發(fā)送給控制器。此外，監(jiān)控器還可以發(fā)出聲光報(bào)警。被控終端用于接收控制器發(fā)送的控制被控設(shè)備工作狀態(tài)的命令，從而控制對(duì)應(yīng)被控設(shè)備的工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)
2.1 電源及指示電路模塊
　電源電路在很大程度上決定了一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此電源電路的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中也占據(jù)了重要的地位。系統(tǒng)采用市電直接供電，選用了市售的交流220 V到直流5 V/3 W的開關(guān)電源，它具有體積小、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。為了使系統(tǒng)供電更加穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，串入了防止正負(fù)極反接的二極管1N4007，輸入部分加入330 μF電解電容進(jìn)行濾波，并加入了集成穩(wěn)壓芯片7805進(jìn)行進(jìn)一步穩(wěn)壓，輸出部分加入220 μF電解電容和104瓷片電容進(jìn)行低頻和高頻濾波，使電源的紋波更小，從而使系統(tǒng)工作得更穩(wěn)定[3]，電源電路如圖2所示。
電源電路采用兩路供電，除了上述的開關(guān)電源供電外，電源電路還設(shè)計(jì)了USB供電通道，供電通道切換通過開關(guān)K1進(jìn)行。為了防止負(fù)載的變化或者負(fù)載短路導(dǎo)致負(fù)載受損，本電源電路設(shè)計(jì)了快恢復(fù)保險(xiǎn)管X025。另外加入了由限流電阻R1和發(fā)光二極管LED1組成的電源指示電路。

2.2 可燃?xì)怏w濃度采集模塊
　可燃?xì)怏w傳感器是一種氣敏傳感器，氣敏傳感器是一種對(duì)氣體中一項(xiàng)或幾項(xiàng)特定成分敏感，將其檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，它實(shí)現(xiàn)的是氣體—電信號(hào)的轉(zhuǎn)換?？扇?xì)怏w傳感器對(duì)天然氣、液化氣等可燃性氣體都有感應(yīng)，可以應(yīng)用于家庭、旅店、實(shí)驗(yàn)室、工廠車間等場(chǎng)合[4]。本設(shè)計(jì)選用的可燃?xì)怏w傳感器型號(hào)為MQ-5，該傳感器是電阻型氣敏傳感器，它的氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，適用于家庭或工業(yè)上對(duì)液化氣、天然氣、煤氣的監(jiān)測(cè)，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其導(dǎo)電率隨氣體濃度的增加而迅速升高。
　MQ-5元件封裝有6只管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)提取，2個(gè)用于提供加熱電源，其連接電路如圖3所示。電阻RL是外接電阻，用來調(diào)整輸出的模擬電壓范圍[5]，電壓信號(hào)是從RL和地之間取出，然后送至LM358的同相輸入端。LM358是雙運(yùn)算放大器，適合于單電源供電，在該電路中LM358被用作電壓跟隨器，起隔離緩沖作用，以便將RL上的輸出電壓全部作用在A/D轉(zhuǎn)換的輸入端。

　在MQ-5剛開始通電工作時(shí)，即使沒有接觸到可燃性氣體，其電導(dǎo)率也急劇增加，1 min后才能穩(wěn)定，此時(shí)才可以正常使用，為此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)就要采用延時(shí)的方法來解決。在該設(shè)計(jì)中，采用軟件延時(shí)的方法，即在控制器首次采集MQ-5的輸出電壓時(shí)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)能浹訒r(shí)。
2.3 溫度、濕度信息采集模塊
　溫濕度傳感器采用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的集成數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。通過單片機(jī)等微處理器的簡(jiǎn)單連接就能夠?qū)崟r(shí)地采集本地濕度和溫度[6]。
　DHT11的濕度測(cè)量范圍為20％RH~90％RH，溫度測(cè)量范圍為0 ℃~50 ℃，測(cè)量分辨率為8位，濕度測(cè)量精度為±5% RH，溫度測(cè)量精度為±2 ℃，能夠滿足一般室內(nèi)溫濕度環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求。工作電壓范圍為3.3 V~5.5 V，在5 V電源電壓下，最大工作平均電流0.5 mA，功耗比很低。
　DHT11與單片機(jī)之間能采用簡(jiǎn)單的單總線進(jìn)行通信，僅僅需要一個(gè)I/O口[7]。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)由5 Byte(40 bit)組成，一次通信時(shí)間最大3 ms，高位先出。其具體數(shù)據(jù)格式為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和。DHT11在與單片機(jī)通信過程中，40 bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī)，由于數(shù)據(jù)采用了校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn)，有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
2.4 光照信息采集模塊
　光照采集電路的設(shè)計(jì)本著簡(jiǎn)單穩(wěn)定的原則進(jìn)行，電路如圖4所示。D2是光電二極管，工作模式為反接方式，類似于穩(wěn)壓二極管，當(dāng)光照很弱時(shí)，其內(nèi)阻很大，當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，其內(nèi)阻變小。D2與R3、R11組成串聯(lián)分壓電路，當(dāng)光照較弱時(shí)，D2的壓降很大，使PNP三極管9015的基極電壓很高，三極管不導(dǎo)通，其發(fā)射極輸出低電平。當(dāng)光照強(qiáng)度增加到使D2的壓降降到一定程度時(shí)，三極管導(dǎo)通，其發(fā)射極輸出高電平。單片機(jī)采集后通過判斷高低電平即可知道光照強(qiáng)弱?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)電位器R3進(jìn)行標(biāo)定，使三極管的關(guān)閉導(dǎo)通閾值固定在一個(gè)需要的數(shù)值。

2.5人體熱釋電紅外監(jiān)測(cè)模塊
　人體熱釋電紅外監(jiān)測(cè)模塊是一種能夠感應(yīng)人體靠近或遠(yuǎn)離的傳感器，模塊將人體紅外熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。人體都有恒定的體溫，一般在37 ℃左右，會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線(普通人體會(huì)發(fā)射10 μm左右的特定波長(zhǎng)紅外線)，人體熱釋電紅外檢測(cè)模塊的菲涅爾透鏡將熱釋的紅外信號(hào)折射在熱釋電紅外傳感器(PIR)上，熱釋電紅外傳感器將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即熱電轉(zhuǎn)換。因此在被動(dòng)紅外探測(cè)器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人警戒區(qū)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異，此時(shí)將前后兩次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，可以判斷出是否有人等紅外線源進(jìn)入警戒區(qū)。
　系統(tǒng)采用市售的人體熱釋電紅外采集模塊，外形如圖5所示。其內(nèi)部集成了熱釋電紅外傳感器和紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001，引出VCC(+5V)、OUT和GND三個(gè)引腳。模塊上電后，當(dāng)有人時(shí)，OUT引腳輸出高電平，無人時(shí)模塊將OUT端電平拉低，輸出低電平。主控器通過與OUT端相連的輸入端口的高低電平來判斷是否有人進(jìn)入房間。
2.6 無線收發(fā)模塊
　系統(tǒng)的控制器部分和被控終端部分的通信采用無線通信模式，其通信模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。圖中PT2262為射頻編碼電路，PT2272為射頻解碼電路。PT2262/2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，振蕩頻率通過一個(gè)外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對(duì)后，VT腳才輸出高電平，與此同時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出相應(yīng)電平。只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對(duì)使用。另外發(fā)射接收芯片的地址端口振蕩電阻還必須匹配，否則接收距離會(huì)變近甚至無法接收，根據(jù)參數(shù)匹配經(jīng)驗(yàn)，PT2262的振蕩電阻取2 MΩ，PT2272的振蕩電阻取390 kΩ。當(dāng)PT2272的VT腳輸出高電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，表明解碼有效。

　無線發(fā)射模塊和接收模塊分別采用安陽(yáng)新世紀(jì)電子研究所生產(chǎn)的F05R和J05U。F05R是一款小體積、低電壓、微功率無線發(fā)射模塊，特別適合低電壓電池供電使用，無數(shù)據(jù)時(shí)休眠，并符合FCC認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。J05U是一款特小體積、超低功耗、高靈敏度的OOK/ASK超外差接收模塊，芯片內(nèi)高度集成了超外差接收電路的所有功能，具有較高的接收靈敏度和穩(wěn)定性。F05R和J05U均可以工作在315.0 MHz或 433.92 MHz頻段，為了與PT2262/2272芯片的工作頻率相一致，本系統(tǒng)采用315.0 MHz頻段。
　根據(jù)一般家庭用戶的需要，設(shè)計(jì)了性價(jià)比高的家居環(huán)境控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分成了控制器、監(jiān)控器和被控終端三個(gè)部分。控制器和監(jiān)控器之間通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，控制器和被控終端通過射頻信號(hào)進(jìn)行通信，這樣可以將控制器和監(jiān)控器分離，實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控。該系統(tǒng)具有安裝方便、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，另外還可增加TCP/IP模塊，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程家居控制，或增加GSM/3G模塊，通過手機(jī)來控制家居環(huán)境。
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