翟亞芳，張?zhí)禊i

(安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

目前，智能化已經(jīng)成為自動化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和顯著標(biāo)志，并且推動智能功能迅速擴(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)前國內(nèi)的智能家居主要研究的內(nèi)容有：(1)對家用電器和其他設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)測。(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)通過對外接口，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息交換。盡管中國的智能家居市場前景很大，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，成本費用高等原因，導(dǎo)致智能化家居的應(yīng)用在中國并沒有得到良好的推廣和發(fā)展。

本設(shè)計研究了基于AVR單片機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)計了對家居中的時間、溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度、光照、安防等信息進(jìn)行監(jiān)測的系統(tǒng)和家用電器的自動化控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

系統(tǒng)通過各種傳感電路檢測室內(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)可以實時地顯示當(dāng)前時間、溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度、照度、安防狀況等參數(shù)值，并與聲光報警裝置配合，及時將各種監(jiān)控信息通知住戶。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體方案的設(shè)計應(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，確定一個硬件實現(xiàn)的可行方案。經(jīng)過反復(fù)對比，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)計采用了框架結(jié)構(gòu)，將整個系統(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?？刂破髦饕?fù)責(zé)采集信息和控制被控設(shè)備的工作狀態(tài)，用以完成對時間信息、溫度信息、濕度信息、光照信息等信號的采集，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，將控制信號通過射頻信號傳送給被控終端，從而實現(xiàn)對被控設(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，從而控制對應(yīng)被控設(shè)備的工作狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

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系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此電源電路的設(shè)計在本系統(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。為了使系統(tǒng)供電更加穩(wěn)定，在設(shè)計電源電路時，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。

圖2 電源電路原理圖

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)計了快恢復(fù)保險管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氣體中一項或幾項特定成分敏感，將其檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號的器件，它實現(xiàn)的是氣體—電信號的轉(zhuǎn)換。可燃?xì)怏w傳感器對天然氣、液化氣等可燃性氣體都有感應(yīng)，可以應(yīng)用于家庭、旅店、實驗室、工廠車間等場合[4]。本設(shè)計選用的可燃?xì)怏w傳感器型號為 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)上對液化氣、天然氣、煤氣的監(jiān)測，當(dāng)元件接觸還原性氣體時，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個用于信號提取，2個用于提供加熱電源，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]，電壓信號是從RL和地之間取出，然后送至LM358的同相輸入端。LM358是雙運算放大器，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。

圖3 MQ-5接口電路原理圖

在MQ-5剛開始通電工作時，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，此時才可以正常使用，為此，在設(shè)計電路時就要采用延時的方法來解決。在該設(shè)計中，采用軟件延時的方法，即在控制器首次采集MQ-5的輸出電壓時，進(jìn)行適當(dāng)?shù)能浹訒r。

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)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。通過單片機等微處理器的簡單連接就能夠?qū)崟r地采集本地濕度和溫度[6]。

DHT11的濕度測量范圍為20%RH～90%RH，溫度測量范圍為0℃～50℃，測量分辨率為8位，濕度測量精度為±5%RH，溫度測量精度為±2℃，能夠滿足一般室內(nèi)溫濕度環(huán)境監(jiān)測的要求。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與單片機之間能采用簡單的單總線進(jìn)行通信，僅僅需要一個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校驗和。DHT11在與單片機通信過程中，40 bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機，由于數(shù)據(jù)采用了校驗和方式進(jìn)行校驗，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)計本著簡單穩(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，其內(nèi)阻很大，當(dāng)光照增強時，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，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)光照強度增加到使D2的壓降降到一定程度時，三極管導(dǎo)通，其發(fā)射極輸出高電平。單片機采集后通過判斷高低電平即可知道光照強弱。可通過調(diào)節(jié)電位器R3進(jìn)行標(biāo)定，使三極管的關(guān)閉導(dǎo)通閾值固定在一個需要的數(shù)值。

2.5 人體熱釋電紅外監(jiān)測模塊

人體熱釋電紅外監(jiān)測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轉(zhuǎn)化成電信號。人體都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會發(fā)出特定波長的紅外線(普通人體會發(fā)射10 μm左右的特定波長紅外線)，人體熱釋電紅外檢測模塊的菲涅爾透鏡將熱釋的紅外信號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，即熱電轉(zhuǎn)換。因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動時，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，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處理器 BISS0001，引出 VCC(+5V)、OUT和 GND三個引腳。模塊上電后，當(dāng)有人時，OUT引腳輸出高電平，無人時模塊將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。

圖4 光照采集電路原理圖

圖5 人體熱釋電紅外傳感器模塊外形圖

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位通用編解碼電路，振蕩頻率通過一個外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時，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，否則接收距離會變近甚至無法接收，根據(jù)參數(shù)匹配經(jīng)驗，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，發(fā)光二極管被點亮，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。

圖6 無線通信模塊電路

根據(jù)一般家庭用戶的需要，設(shè)計了性價比高的家居環(huán)境控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)分成了控制器、監(jiān)控器和被控終端三個部分?？刂破骱捅O(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進(jìn)行通信，這樣可以將控制器和監(jiān)控器分離，實現(xiàn)無線監(jiān)控。該系統(tǒng)具有安裝方便、操作簡單、維護(hù)方便的優(yōu)點，另外還可增加TCP/IP模塊，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程家居控制，或增加GSM/3G模塊，通過手機來控制家居環(huán)境。

[1]周洪，胡文山，張立明，等.智能家居控制系統(tǒng)[M].北京：

中國電力出版社，2006.

[2]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.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]劉鵬，韓中華，王琦.基于單片機的智能家居環(huán)境狀況監(jiān)控器[J].科技廣場，2008(3)：188-190.

[5]韓中華，王長濤，張楠.基于單片機的瓦斯氣體濃度信息報警設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2009(6).

[6]張艷麗，楊仁弟.數(shù)字溫濕度傳感器SHT11及其應(yīng)用[J].工礦自動化，2007，6(3)：113-114.

[7]王毅，白澤生.現(xiàn)代溫室環(huán)境多參數(shù)測控系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2008，24(7-2)：140-141.