楊中華等

摘 要：本文闡述了基于藍(lán)牙通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WIFI通信的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案實(shí)現(xiàn)了通過(guò)智能手機(jī)來(lái)便捷地控制家用電器開(kāi)關(guān)、獲取家庭環(huán)境數(shù)據(jù)、安全監(jiān)控、遙控四軸飛行器進(jìn)行巡視等功能。此系統(tǒng)涉及無(wú)線通信，單片機(jī)，傳感器，Android軟件開(kāi)發(fā)等技術(shù)。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙串口；Android；傳感器；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WIFI

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

目前智能手機(jī)大范圍普及，而且大部分人都隨身攜帶，這為智能家居提供了一個(gè)良好的控制平臺(tái)。本文描述的方案使用廉價(jià)的單片機(jī)作為控制中樞，配合溫度傳感器，紅外線傳感器等采集環(huán)境參數(shù)和安全狀況。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居電器的方便控制。帶有實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏敼δ艿乃妮S飛行器的引入使得控制和監(jiān)控更為便捷。整個(gè)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和很高的性價(jià)比，在智能家居市場(chǎng)有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 系統(tǒng)功能分析

本系統(tǒng)的主要功能有以下幾點(diǎn)：

⑴環(huán)境數(shù)據(jù)采集

⑵安防報(bào)警

⑶電器開(kāi)關(guān)控制

⑷四軸飛行器巡視

下文將對(duì)以上功能進(jìn)行闡述和分析

1.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

家居環(huán)境數(shù)據(jù)主要有溫度、濕度、煤氣、光強(qiáng)等。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)，都有對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行采集。由于測(cè)試環(huán)境的限制，本方案僅選擇溫度傳感器作為范例。本方案中溫度傳感器型號(hào)為DS18B20。它是一種常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，完全能夠滿足日常生活測(cè)溫需要。

溫度傳感器連接在單片機(jī)開(kāi)發(fā)板選定的接口上，當(dāng)單片機(jī)收到來(lái)自智能手機(jī)的測(cè)溫指令時(shí)，便通知傳感器進(jìn)行測(cè)溫，并手機(jī)數(shù)據(jù)，處理后傳送給手機(jī)。

當(dāng)接收到指令時(shí)，單片機(jī)首先通過(guò)數(shù)據(jù)線向傳感器發(fā)送特定的波形信號(hào)，傳感器接收到信號(hào)以后，開(kāi)始進(jìn)行溫度測(cè)量和轉(zhuǎn)換工作。此時(shí)，單片機(jī)則在等待傳感器輸出結(jié)果。一旦單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)，便進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成溫度然后發(fā)送給手機(jī)。

1.2 安防報(bào)警

安全監(jiān)控是家居所需要的一項(xiàng)重要功能，目前一般民用安全監(jiān)控有視頻監(jiān)控，紅外報(bào)警器等。紅外報(bào)警器分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式紅外線報(bào)警器，是報(bào)警器主動(dòng)發(fā)出紅外線，紅外線碰到障礙物，就會(huì)反彈回來(lái)，被報(bào)警器的探頭接收。如果探頭監(jiān)測(cè)到，紅外線是靜止不動(dòng)的，也就是不斷發(fā)出紅外線又不斷反彈的，那么報(bào)警器就不會(huì)報(bào)警。當(dāng)有會(huì)動(dòng)的物體觸犯了這根看不見(jiàn)的紅線的時(shí)候，探頭就會(huì)檢測(cè)到有異常，就會(huì)報(bào)警。本方案采用的是主動(dòng)式紅外線報(bào)警器。

當(dāng)紅外線報(bào)警器被觸發(fā)時(shí)，會(huì)以中斷的形式通知單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)向智能手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息提示用戶。

1.3 電器開(kāi)關(guān)控制

智能家居的另一項(xiàng)重要工作就是對(duì)家用電器的控制?？煽刂频念I(lǐng)域包括空調(diào)、冰箱、電視、燈具、窗簾等設(shè)備。本方案中選擇燈具作為范例。

當(dāng)用戶需要控制某一盞燈的開(kāi)關(guān)時(shí)，通過(guò)手機(jī)向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)再控制指定的端口的電平，從而控制燈具的開(kāi)關(guān)。由于家庭的燈具不止一盞，所以此項(xiàng)功能的關(guān)鍵點(diǎn)是控制的方式和模式。針對(duì)各個(gè)家庭的特殊情況，需要制定不同的控制方案，比如全部點(diǎn)亮，全部熄滅，控制特定的燈點(diǎn)亮等?？刂颇Ｊ竭@一部分工作可以交給客戶端軟件來(lái)進(jìn)行，軟件將支持用戶進(jìn)行自定義控制模式，從而實(shí)現(xiàn)靈活控制，關(guān)于軟件的介紹將在下文進(jìn)行。

1.4 四軸飛行器巡視

四軸飛行器（四旋翼飛行器）也稱為四旋翼直升機(jī)，簡(jiǎn)稱四軸、四旋翼，是一種有4個(gè)螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。它是多旋翼飛行器中最基本的一種。近幾年，得益于微型自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，四旋翼飛行器發(fā)展十分迅速。

飛行器利用三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)來(lái)向控制結(jié)構(gòu)反饋其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。但是由于勻速的偏移是加速度計(jì)檢測(cè)不出來(lái)的，所以要實(shí)現(xiàn)真正準(zhǔn)確的定位需要更為精確的定位系統(tǒng)。有條件的話可以在室內(nèi)安裝反射定位系統(tǒng)等給飛行器建立室內(nèi)坐標(biāo)并提供給飛行器。四軸的控制也是一項(xiàng)龐大的工程，目前已經(jīng)有很多機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域取得了顯著的成果，所以實(shí)現(xiàn)精確控制指日可待。

本方案中引入四軸飛行器的設(shè)想是，可以利用其靈活的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭某些不易到達(dá)地點(diǎn)的巡視。比如獨(dú)棟住宅的房頂狀況，狹窄地帶的物品尋找等。另外只要控制系統(tǒng)足夠優(yōu)秀，在室內(nèi)四軸飛行器可以進(jìn)行小物品搬運(yùn)，智能監(jiān)視，空中視角錄像等功能。大大增加智能家居領(lǐng)域的范圍和功能。

四軸飛行器同樣使用智能手機(jī)作為遙控平臺(tái)。利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WIFI作為通信手段，進(jìn)行控制信號(hào)的傳輸和實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏敗?/p>

2 數(shù)據(jù)處理和控制平臺(tái)

此部分側(cè)重介紹系統(tǒng)的軟件部分，包括單片機(jī)運(yùn)行程序，家居控制軟件和四軸控制軟件。

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是指對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、對(duì)控制指令的處理和轉(zhuǎn)發(fā)的工作。在本系統(tǒng)中，此工作由MSP430F149來(lái)承擔(dān)。MSP430F149是一款低功耗、廉價(jià)、但功能強(qiáng)大的單片機(jī)。我們編寫了控制單片機(jī)運(yùn)行的程序，使其能夠高效有序地處理指令和數(shù)據(jù)信息。

具體的程序包括溫度傳感器數(shù)據(jù)處理部分、紅外傳感器數(shù)據(jù)處理部分、指令解釋和執(zhí)行部分、串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收部分。

溫度傳感器的輸出是二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，單片機(jī)要負(fù)責(zé)把溫度數(shù)據(jù)提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)并送往串口發(fā)送。

紅外傳感器主要以中斷的形式提供報(bào)警信息。當(dāng)特定端口電平改變時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入中斷處理程序，向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

指令解釋和執(zhí)行部分則負(fù)責(zé)接收手機(jī)發(fā)來(lái)的指令，并對(duì)相應(yīng)的組件執(zhí)行指令。

串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)部分主要負(fù)責(zé)串口通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行檢驗(yàn)和譯碼。

2.2 控制平臺(tái)

由于我們選定的控制平臺(tái)是智能手機(jī)，所以我們開(kāi)發(fā)了一款A(yù)ndroid應(yīng)用作為客戶端。

此客戶端可以接收來(lái)自單片機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定處理后呈現(xiàn)給用戶。同時(shí)能夠向單片機(jī)發(fā)送控制指令。能夠良好地實(shí)現(xiàn)控制功能。本軟件的技術(shù)核心是對(duì)藍(lán)牙設(shè)備的調(diào)用和串口通信的開(kāi)發(fā)。

另一個(gè)控制軟件是四軸飛行器的遙控軟件。此軟件要進(jìn)行的主要工作是接收攝像頭的畫面信息并顯示。模仿真實(shí)的遙控器向四軸發(fā)送控制信號(hào)。通過(guò)控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制四軸的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。本軟件的技術(shù)核心是對(duì)WIFI設(shè)備的調(diào)用、WIFI數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)發(fā)、四軸控制算法的應(yīng)用。

3 無(wú)線傳輸

3.1 藍(lán)牙傳輸

單片機(jī)和手機(jī)之間的通信，我們選擇使用藍(lán)牙通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。具體地來(lái)說(shuō)，是用藍(lán)牙來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信。由于控制指令和傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量不大，所以藍(lán)牙串口通信技術(shù)完全能夠承擔(dān)這一任務(wù)。

用藍(lán)牙技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信，需要將單片機(jī)的串口數(shù)據(jù)輸出至藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼、調(diào)制后發(fā)送。手機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行譯碼等處理，提取出信息。

3.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WIFI

由于四軸飛行器要進(jìn)行實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏敚瑪?shù)據(jù)量較大，因此必須選用一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式。所以我們選擇了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WIFI來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。

四軸上裝載有WIFI模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)100米范圍內(nèi)可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

4 總結(jié)與展望

在智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，理念的地位非常重要。很多時(shí)候一個(gè)新的控制理念的提出，甚至?xí)l(fā)某領(lǐng)域的一個(gè)革命。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能家居的一些功能，但是可做的還有很多，比如對(duì)窗簾的控制、智能喚醒、語(yǔ)音控制、家庭娛樂(lè)等功能。而且以后可能出現(xiàn)的新技術(shù)將為智能家居領(lǐng)域翻開(kāi)新的篇章?，F(xiàn)在智能家居市場(chǎng)還沒(méi)有真正展開(kāi)，隨著人民生活水平的提高，智能家居將會(huì)有非常廣闊的發(fā)展空間。

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