摘  要： 智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用智能控制等技術(shù)將與家居生活相關(guān)的設(shè)施集成起來，構(gòu)建的高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)[1]。以多功能的智能插座為控制核心，使用WiFi和ZigBee等技術(shù)進(jìn)行無線通信，使用學(xué)習(xí)型紅外為輔助控制，搭建一套實(shí)用的智能家居系統(tǒng)[2]。

　　關(guān)鍵詞： 智能家居；智能插座；無線

0引言

　　智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)通信、智能控制等技術(shù)將與家居生活相關(guān)的設(shè)施集成在一起，構(gòu)建的高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)。隨著人們生活水平的提高，智能家居的市場(chǎng)也將越來越廣闊。

　　但是目前智能家居構(gòu)建的方式各異，而且目前家居系統(tǒng)基本耗費(fèi)巨大，占用空間大，實(shí)用性不強(qiáng)，所以目前市場(chǎng)上還沒有一套成熟的智能家居系統(tǒng)。由于家用電器的使用與插座是分不開的，因此本系統(tǒng)利用這個(gè)特點(diǎn)，使用智能插座來構(gòu)建一套實(shí)用性強(qiáng)的家居控制系統(tǒng)[3]。

　　本系統(tǒng)利用家用插座這個(gè)電器的連接口，設(shè)計(jì)了智能插座，將智能插座作為電器控制的基礎(chǔ)。智能插座可以進(jìn)行電源的開關(guān)控制，還能進(jìn)行電量檢測(cè)，并對(duì)用戶用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。本系統(tǒng)使用學(xué)習(xí)型紅外對(duì)電器做進(jìn)一步的控制，學(xué)習(xí)型紅外可以模擬電器遙控器進(jìn)行控制信號(hào)的發(fā)射。本系統(tǒng)通過智能插座和學(xué)習(xí)型紅外實(shí)現(xiàn)了電器的全方位的控制。本系統(tǒng)的控制信號(hào)是由手機(jī)終端發(fā)出的，其信號(hào)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)紸RM控制核心中，然后ARM將處理后的數(shù)據(jù)通過ZigBee發(fā)送給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行具體的控制動(dòng)作。

　　本文首先描述系統(tǒng)的整體框架，之后介紹系統(tǒng)的硬件和軟件方案。

1 總體設(shè)計(jì)方案

　　整個(gè)系統(tǒng)由手機(jī)控制終端、ARM控制中心和智能插座節(jié)點(diǎn)三部分組成，如圖1所示。手機(jī)控制終端可以顯示和控制家庭內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；ARM是控制中心，與手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，發(fā)送控制信息給相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)；STM32控制的智能插座節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)家庭各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。手機(jī)終端與ARM控制核心通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，ARM控制核心與STM32控制節(jié)點(diǎn)通過ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

　　本系統(tǒng)能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制動(dòng)作。手機(jī)控制終端進(jìn)行具體的電器開關(guān)控制和紅外遙控控制，并能監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境變量。本手機(jī)終端是在安卓平臺(tái)上開發(fā)的。ARM控制端接收來自手機(jī)終端的控制命令，將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后，發(fā)送到具體的控制節(jié)點(diǎn)?？刂乒?jié)點(diǎn)會(huì)反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)給ARM端，ARM端再將這些信息反饋給手機(jī)終端。與此同時(shí)，ARM控制端會(huì)采集溫度、濕度等環(huán)境變量，并將其傳輸給手機(jī)控制終端。而在控制節(jié)點(diǎn)上，所做的工作則是接收來自ARM的控制信息，進(jìn)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，并反饋實(shí)時(shí)的控制信息給AMR控制端。

2 STM32控制的智能插座節(jié)點(diǎn)

　　STM32控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行具體的控制工作。STM32通過控制插座的開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)電器的控制工作。通過插座來控制電器設(shè)備是非常有意義的，家用電器基本通過插座來獲取電源，而通過插座控制電器的開關(guān)無疑節(jié)省了資源和空間。由于家用電器的控制不只通過電源開關(guān)控制，還有紅外遙控控制，因此本控制節(jié)點(diǎn)將插座控制與紅外控制相結(jié)合，構(gòu)建全方位的家居控制系統(tǒng)[4]。

　　2.1 節(jié)點(diǎn)硬件組成

　　智能插座節(jié)點(diǎn)主要由STM32、插座模塊、學(xué)習(xí)型紅外模塊、ZigBee模塊、溫濕度模塊和GSM模塊組成。其中ZigBee模塊用來接收來自ARM控制端發(fā)送過來的控制命令，并且控制相應(yīng)的模塊，然后返回對(duì)應(yīng)的信息。

　　下面的示例節(jié)點(diǎn)模塊可以簡(jiǎn)單說明設(shè)備節(jié)點(diǎn)的硬件組成及工作原理。

　　圖2為插座控制節(jié)點(diǎn)原理圖，此電路的功能是控制插座的開關(guān)狀態(tài)。采用STM32的GPIO口控制對(duì)應(yīng)插座的繼電器是否導(dǎo)通，以達(dá)到弱點(diǎn)控制強(qiáng)電的目的。圖中S8050三極管起著電流放大的作用，并且可以有效隔離繼電器和IO口；穩(wěn)壓管LN4007可以有效地穩(wěn)定電壓，來消除繼電器在開啟和閉合的時(shí)候產(chǎn)生的緩沖電流。

　　在每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制處，都會(huì)有電流檢測(cè)電路。此檢測(cè)電路能測(cè)量大功率的交流電流，電流檢測(cè)的準(zhǔn)確度高，適用于家用電器的電流檢測(cè)。STM32控制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到用電信息后，可記錄下具體實(shí)時(shí)的用電信息，將此信息儲(chǔ)存在本地。系統(tǒng)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出電器每個(gè)月的用電量。用戶可在手機(jī)終端實(shí)時(shí)調(diào)用和查看具體的用電信息。

　　2.2 學(xué)習(xí)型紅外模塊設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射接收模塊是以STM32為控制器的萬能學(xué)習(xí)型紅外模塊。利用STM32單片機(jī)對(duì)多個(gè)紅外遙控編碼的脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，并原封不動(dòng)地把發(fā)射信號(hào)中高、低電平的時(shí)間寬度記錄至擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)的指定地址。當(dāng)要發(fā)射紅外信號(hào)時(shí)，從擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)中還原出相應(yīng)的紅外遙控編碼，并調(diào)制到38 kHz的載波信號(hào)上，最后，通過三極管放大電路驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外信號(hào)，達(dá)到學(xué)習(xí)和發(fā)射的目的，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)遙控器控制多種紅外遙控設(shè)備。

　　紅外編碼信號(hào)通過STM32產(chǎn)生然后與38 kHz載波進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，接收電路采用一體化紅外接收頭HS0038。圖3為學(xué)習(xí)型紅外接收模塊，圖4為學(xué)習(xí)型紅外發(fā)送模塊。

　　本設(shè)計(jì)中38 kHz載波通過波形發(fā)生器555定時(shí)器產(chǎn)生，555定時(shí)器能產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的穩(wěn)定的方波，常用于低頻率方波的產(chǎn)生。載波信號(hào)的波形對(duì)發(fā)射功率和距離是有很大影響的，經(jīng)過試驗(yàn)證明，1/3占空比的載波能使紅外信號(hào)發(fā)射較遠(yuǎn)的距離。因此本系統(tǒng)的555定時(shí)器產(chǎn)生的是占空比為1/3、頻率為38 kHz的載波信號(hào)，用于紅外信號(hào)的調(diào)制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 概述

　　STM32控制節(jié)點(diǎn)是主要的核心部分。系統(tǒng)程序的編寫主要由以下幾個(gè)模塊組成：ZigBee模塊驅(qū)動(dòng)、溫度傳感器驅(qū)動(dòng)、濕度傳感器模塊、GSM模塊驅(qū)動(dòng)、插座驅(qū)動(dòng)、可調(diào)燈驅(qū)動(dòng)、測(cè)電量模塊驅(qū)動(dòng)及學(xué)習(xí)型紅外驅(qū)動(dòng)。

　　3.2 智能插座驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　要控制LED燈的亮滅，只要控制LED對(duì)應(yīng)的GPIO管腳的輸出高低電平即可。LED燈驅(qū)動(dòng)注冊(cè)為雜項(xiàng)設(shè)備，相應(yīng)GPIO口設(shè)置為輸出。

　　表1和表2說明了各個(gè)參數(shù)可能的取值及意義。

　　3.3 學(xué)習(xí)型紅外驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　紅外學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)如下：

　　接收原理（學(xué)習(xí)原理）：中斷里面進(jìn)行捕獲高低電平，并且記錄相應(yīng)的時(shí)間。用一個(gè)無符號(hào)的字節(jié)來標(biāo)志狀態(tài)，比如是否收到完整的引導(dǎo)碼，是否得到所有信息（地址/數(shù)據(jù)信息），標(biāo)志計(jì)時(shí)器計(jì)了多久（原本是用延時(shí)查詢方式，但有誤差，也會(huì)誤判）。圖5為學(xué)習(xí)型紅外學(xué)習(xí)流程。

　　紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)如下：

　　學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，只要把學(xué)習(xí)到的紅外脈寬通過STM32的GPIO口控制輸出高低電平的時(shí)間來達(dá)到輸出學(xué)習(xí)到的波形的目的。圖6為學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射流程。

4 數(shù)據(jù)分析

　　4.1 用戶用電量模塊

　　本系統(tǒng)使用測(cè)電量模塊便可測(cè)量電器的實(shí)時(shí)用電量。為了同時(shí)兼顧測(cè)量電量的準(zhǔn)確度、系統(tǒng)的功耗和性能，本系統(tǒng)每5 s進(jìn)行一次電量檢測(cè)，并且將其保存記錄在當(dāng)天用電信息存儲(chǔ)表中。此表是保存在本地存儲(chǔ)中的，數(shù)據(jù)掉電不會(huì)丟失。每天的凌晨0點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)便會(huì)將當(dāng)天的用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，計(jì)算出當(dāng)天的用電量，并將其保存在本月用電信息存儲(chǔ)表中。圖7是當(dāng)天電視機(jī)用電量的統(tǒng)計(jì)圖。

　　從圖7可以看出，當(dāng)天的凌晨到中午11點(diǎn)之前，用電量基本為零，這表示這時(shí)候電視處于關(guān)閉的狀態(tài)。而當(dāng)天的中午11點(diǎn)到13點(diǎn)有小量的用電量產(chǎn)生，這表示中午用戶有短時(shí)間觀看電視。從13點(diǎn)到18點(diǎn)之間，每小時(shí)用電量為5 W左右，這表示這時(shí)候電視是處于待機(jī)狀態(tài)。而在19點(diǎn)到22點(diǎn)則迎來了用電量的高峰，這表明用戶在這段時(shí)間內(nèi)都在觀看電視。

　　對(duì)電器的用電量進(jìn)行測(cè)量和記錄，可以方便統(tǒng)計(jì)各分電器的功耗和用戶的使用習(xí)慣。這些數(shù)據(jù)是非常有使用價(jià)值的，便于后期進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析。在基于智能插座這個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電量統(tǒng)計(jì)和分析工作是非常方便的，因?yàn)橹悄懿遄刂屏穗娖鞯碾娏块_關(guān)。

　　4.2 學(xué)習(xí)型紅外的功能分析

　　紅外遙控器是重要的家用電器的控制設(shè)備，而學(xué)習(xí)型紅外則很好地完成了紅外遙控器控制的功能。學(xué)習(xí)型紅外需要接收并分析紅外遙控器發(fā)出的波形信號(hào)，將其進(jìn)行相應(yīng)的解析后存儲(chǔ)在本地中。當(dāng)需要發(fā)射控制信號(hào)時(shí)，將這些信號(hào)的信息取出，將其調(diào)制成紅外信號(hào)并通過紅外發(fā)射管發(fā)出。

　　為了證明學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射出的控制信號(hào)與紅外遙控發(fā)出的控制信號(hào)波形是吻合的，將這兩個(gè)信號(hào)均由一體化紅外接收頭接收并解調(diào)，將解調(diào)后的波形由示波器顯示，分析并對(duì)比兩者波形的異同。由于波形較長(zhǎng)，表3只列出波形的吻合度。

　　由表3可以看出，波形的吻合度基本在0.98左右，表示學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射的波形基本沒有變化。而在實(shí)際的控制過程中也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，學(xué)習(xí)型紅外能很好地控制家用電器。

　　參考文獻(xiàn)

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