摘 要： 智能家居是以住宅為平臺，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)進行無線通信，使用學(xué)習(xí)型紅外為輔助控制，搭建一套實用的智能家居系統(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，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)基本耗費巨大，占用空間大，實用性不強，所以目前市場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)利用這個特點，使用智能插座來構(gòu)建一套實用性強的家居控制系統(tǒng)[3]。
本系統(tǒng)利用家用插座這個電器的連接口，設(shè)計了智能插座，將智能插座作為電器控制的基礎(chǔ)。智能插座可以進行電源的開關(guān)控制，還能進行電量檢測，并對用戶用電量進行統(tǒng)計和分析。本系統(tǒng)使用學(xué)習(xí)型紅外對電器做進一步的控制，學(xué)習(xí)型紅外可以模擬電器遙控器進行控制信號的發(fā)射。本系統(tǒng)通過智能插座和學(xué)習(xí)型紅外實現(xiàn)了電器的全方位的控制。本系統(tǒng)的控制信號是由手機終端發(fā)出的，其信號通過以太網(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)送給每個節(jié)點，在節(jié)點上進行具體的控制動作。
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)計方案
整個系統(tǒng)由手機控制終端、ARM控制中心和智能插座節(jié)點三部分組成，如圖1所示。手機控制終端可以顯示和控制家庭內(nèi)部設(shè)備的運行狀態(tài)；ARM是控制中心，與手機終端進行數(shù)據(jù)交互，發(fā)送控制信息給相應(yīng)的控制節(jié)點；STM32控制的智能插座節(jié)點負(fù)責(zé)對家庭各個節(jié)點進行控制。手機終端與ARM控制核心通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，ARM控制核心與STM32控制節(jié)點通過ZigBee進行數(shù)據(jù)交互。
本系統(tǒng)能進行監(jiān)測和控制動作。手機控制終端進行具體的電器開關(guān)控制和紅外遙控控制，并能監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境變量。本手機終端是在安卓平臺上開發(fā)的。ARM控制端接收來自手機終端的控制命令，將數(shù)據(jù)進行解析后，發(fā)送到具體的控制節(jié)點?？刂乒?jié)點會反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)給ARM端，ARM端再將這些信息反饋給手機終端。與此同時，ARM控制端會采集溫度、濕度等環(huán)境變量，并將其傳輸給手機控制終端。而在控制節(jié)點上，所做的工作則是接收來自ARM的控制信息，進行相應(yīng)的控制動作，并反饋實時的控制信息給AMR控制端。
2 STM32控制的智能插座節(jié)點
STM32控制節(jié)點進行具體的控制工作。STM32通過控制插座的開關(guān)從而實現(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)點硬件組成
智能插座節(jié)點主要由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，然后返回對應(yīng)的信息。
下面的示例節(jié)點模塊可以簡單說明設(shè)備節(jié)點的硬件組成及工作原理。
圖2為插座控制節(jié)點原理圖，此電路的功能是控制插座的開關(guān)狀態(tài)。采用STM32的GPIO口控制對應(yīng)插座的繼電器是否導(dǎo)通，以達(dá)到弱點控制強電的目的。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候產(chǎn)生的緩沖電流。
在每個節(jié)點控制處，都會有電流檢測電路。此檢測電路能測量大功率的交流電流，電流檢測的準(zhǔn)確度高，適用于家用電器的電流檢測。STM32控制節(jié)點檢測到用電信息后，可記錄下具體實時的用電信息，將此信息儲存在本地。系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，計算出電器每個月的用電量。用戶可在手機終端實時調(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
本設(shè)計學(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單片機對多個紅外遙控編碼的脈沖寬度進行測量，并原封不動地把發(fā)射信號中高、低電平的時間寬度記錄至擴展存儲區(qū)的指定地址。當(dāng)要發(fā)射紅外信號時，從擴展存儲區(qū)中還原出相應(yīng)的紅外遙控編碼，并調(diào)制到38 kHz的載波信號上，最后，通過三極管放大電路驅(qū)動紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外信號，達(dá)到學(xué)習(xí)和發(fā)射的目的，從而實現(xiàn)一個遙控器控制多種紅外遙控設(shè)備。
紅外編碼信號通過STM32產(chǎn)生然后與38 kHz載波進行調(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)計中38 kHz載波通過波形發(fā)生器555定時器產(chǎn)生，555定時器能產(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。載波信號的波形對發(fā)射功率和距離是有很大影響的，經(jīng)過試驗證明，1/3占空比的載波能使紅外信號發(fā)射較遠(yuǎn)的距離。因此本系統(tǒng)的555定時器產(chǎn)生的是占空比為1/3、頻率為38 kHz的載波信號，用于紅外信號的調(diào)制。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 概述
STM32控制節(jié)點是主要的核心部分。系統(tǒng)程序的編寫主要由以下幾個模塊組成：ZigBee模塊驅(qū)動、溫度傳感器驅(qū)動、濕度傳感器模塊、GSM模塊驅(qū)動、插座驅(qū)動、可調(diào)燈驅(qū)動、測電量模塊驅(qū)動及學(xué)習(xí)型紅外驅(qū)動。
3.2 智能插座驅(qū)動設(shè)計
要控制LED燈的亮滅，只要控制LED對應(yīng)的GPIO管腳的輸出高低電平即可。LED燈驅(qū)動注冊為雜項設(shè)備，相應(yīng)GPIO口設(shè)置為輸出。
表1和表2說明了各個參數(shù)可能的取值及意義。
3.3 學(xué)習(xí)型紅外驅(qū)動設(shè)計
紅外學(xué)習(xí)驅(qū)動如下：
接收原理（學(xué)習(xí)原理）：中斷里面進行捕獲高低電平，并且記錄相應(yīng)的時間。用一個無符號的字節(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)志計時器計了多久（原本是用延時查詢方式，但有誤差，也會誤判）。圖5為學(xué)習(xí)型紅外學(xué)習(xí)流程。
紅外發(fā)射驅(qū)動如下：
學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射驅(qū)動較為簡單，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)使用測電量模塊便可測量電器的實時用電量。為了同時兼顧測量電量的準(zhǔn)確度、系統(tǒng)的功耗和性能，本系統(tǒng)每5 s進行一次電量檢測，并且將其保存記錄在當(dāng)天用電信息存儲表中。此表是保存在本地存儲中的，數(shù)據(jù)掉電不會丟失。每天的凌晨0點，控制節(jié)點便會將當(dāng)天的用電量進行統(tǒng)計和計算，計算出當(dāng)天的用電量，并將其保存在本月用電信息存儲表中。圖7是當(dāng)天電視機用電量的統(tǒng)計圖。
從圖7可以看出，當(dāng)天的凌晨到中午11點之前，用電量基本為零，這表示這時候電視處于關(guān)閉的狀態(tài)。而當(dāng)天的中午11點到13點有小量的用電量產(chǎn)生，這表示中午用戶有短時間觀看電視。從13點到18點之間，每小時用電量為5 W左右，這表示這時候電視是處于待機狀態(tài)。而在19點到22點則迎來了用電量的高峰，這表明用戶在這段時間內(nèi)都在觀看電視。
對電器的用電量進行測量和記錄，可以方便統(tǒng)計各分電器的功耗和用戶的使用習(xí)慣。這些數(shù)據(jù)是非常有使用價值的，便于后期進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析。在基于智能插座這個控制節(jié)點的基礎(chǔ)上，進行電量統(tǒng)計和分析工作是非常方便的，因為智能插座控制了電器的電量開關(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，將其進行相應(yīng)的解析后存儲在本地中。當(dāng)需要發(fā)射控制信號時，將這些信號的信息取出，將其調(diào)制成紅外信號并通過紅外發(fā)射管發(fā)出。
為了證明學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射出的控制信號與紅外遙控發(fā)出的控制信號波形是吻合的，將這兩個信號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，分析并對比兩者波形的異同。由于波形較長，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。而在實際的控制過程中也驗證了這一點，學(xué)習(xí)型紅外能很好地控制家用電器。
參考文獻
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