作者/熊長智，江西應(yīng)用科技學(xué)院

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者/熊長智，江西應(yīng)用科技學(xué)院

目前，我國很多領(lǐng)域都應(yīng)用到了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高了各大領(lǐng)域信息化及網(wǎng)絡(luò)化水平。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)下使用較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已經(jīng)在各種智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，其中最具有代表性的智能系統(tǒng)之一便是智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)，該智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了電腦操作，提高了住房智能化水平，使人們的生活質(zhì)量得到了提高。智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理在于通過單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)無線遙控器電路編碼和解碼的模擬，最終實(shí)現(xiàn)電腦控制，具有很強(qiáng)的可拓展性、發(fā)展空間和應(yīng)用前景。因此，筆者基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，探討了智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

單片機(jī)；智能遙控；數(shù)據(jù)編碼；USB轉(zhuǎn)串口；無線發(fā)射

科學(xué)技術(shù)與人類社會(huì)是相符影響、相互作用、相互促進(jìn)和相互制約的關(guān)系，即科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)人類社會(huì)發(fā)展，而人類社會(huì)進(jìn)步也同樣推動(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展，反之則阻礙相互之間的發(fā)展，所以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信息技術(shù)等的發(fā)展推動(dòng)了人類社會(huì)信息化發(fā)展，使人們實(shí)現(xiàn)了各種智能化操作，在生活質(zhì)量上得到了提高?，F(xiàn)代，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，智能手機(jī)、智能機(jī)器人等智能產(chǎn)品得以開發(fā)和應(yīng)用，使智能家居概念在人們生活中逐漸滲入，方便了人們的生活。這里的智能家居就是指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、綜合布線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各種家居子系統(tǒng)的結(jié)合，從而提高家居智能化操作的水平，如信息家電系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等的有機(jī)結(jié)合，使平民體會(huì)到了物聯(lián)網(wǎng)的便利性，進(jìn)一步證實(shí)實(shí)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下構(gòu)建智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)成為一種必然。

1.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境概述

現(xiàn)如今我國家的物聯(lián)網(wǎng)體系已經(jīng)初見規(guī)模，即使與國外的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)與產(chǎn)品相比，也不會(huì)有太大的差距，雖然大致的發(fā)展很好，但是在一些小的比如傳感器、RFID等一些感知方面的制作技術(shù)以及高端軟件與集成服務(wù)方面還是有著很大的不足。在我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展下，我國的儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)、軟件集成與服務(wù)等方面還是有很大建樹，然而新形式下的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展還是處于起步階段，因此，物聯(lián)網(wǎng)的未來潛力還是非常廣闊的[1]。

近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)全球化、社會(huì)信息化的程度逐漸加深，已經(jīng)影響到了時(shí)代的潮流的發(fā)展方向，而且智能化的設(shè)備，比如生活中最為常見的智能手機(jī)，就是移動(dòng)性最強(qiáng)，普及率最高的，而如今便攜式的智能手機(jī)也已經(jīng)成為了智能家居系統(tǒng)的主要控制手段。

在生活水平的不斷提升下，消費(fèi)者的需求也在發(fā)生變變化，現(xiàn)如今的消費(fèi)者對(duì)家居的需求已經(jīng)不再滿足于單純的外觀與簡單，消費(fèi)者的需求逐漸在向多功能性延伸。智能家電的意思主要就是講全新的計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字信息化技術(shù)、信息技術(shù)運(yùn)用在傳統(tǒng)的家電設(shè)備上，讓傳統(tǒng)家電能夠擁有智能化的信息網(wǎng)絡(luò)功能，這樣的話，消費(fèi)者就可以利用手機(jī)對(duì)家電進(jìn)行遠(yuǎn)程的操控、系統(tǒng)升級(jí)、以及報(bào)警燈諸多功能[2]。

當(dāng)前，絕大多數(shù)的家客廳對(duì)電器的控制依然是手動(dòng)，而物聯(lián)網(wǎng)下的智能家居控制系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)來模擬遙控器編碼，從而實(shí)現(xiàn)終端對(duì)家用電器的控制目的。整個(gè)系統(tǒng)主要在兩點(diǎn)：控制終端與發(fā)射終端，這里面的控制終端指的就是計(jì)算機(jī)設(shè)備，本新型實(shí)用作品的設(shè)計(jì)主體就是其中的發(fā)射終端，它是一種類似USB接口的新型遙控信號(hào)發(fā)射器，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功得到了國家實(shí)用新型發(fā)明的專利。這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)不僅可以通過電腦對(duì)家用電器形成控制，而且它還能被用于工業(yè)中的大規(guī)模無線控制，在未來這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景是非常廣的[3]。

2.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)共分為電腦控制系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)兩大主體部分。電腦控制系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)控制終端的編碼，根據(jù)輸入的狀態(tài)產(chǎn)生相匹配的指令從而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的控制。發(fā)射系統(tǒng)是保證電腦與系統(tǒng) CPU的正常連接，然后在根據(jù)不同的指令進(jìn)行編碼的二次確認(rèn)，隨后再將編碼發(fā)射出去，這一過程還需要保證終端能夠順利的接收到指令。

因此發(fā)射系統(tǒng)又被分為硬件與軟件兩部分共同協(xié)作：硬件主要是USB轉(zhuǎn)串模塊、單片機(jī)主控模塊與信號(hào)發(fā)射模塊共同組成，發(fā)射系統(tǒng)就是通過電腦將數(shù)據(jù)通過USB串口輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)受到的信息進(jìn)行檢查是否正確，有五則重新發(fā)送，接受無誤即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼處理并傳送到無線發(fā)射模塊，再由模塊將信息發(fā)射出去[4]。

■2.2 系統(tǒng)各模塊電路設(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

這一模塊以軟件編程為主，而且硬件的電路也算是相對(duì)比較簡單的。單片機(jī)控制模塊的硬件電路設(shè)計(jì)主要是通過USB 轉(zhuǎn)串口模塊的TXD 和RXD 線和單片機(jī)的RXD 和TXD線進(jìn)行串聯(lián)，從而達(dá)到與電腦信息的傳輸與交換。

2.2.2 USB 轉(zhuǎn)串口模塊設(shè)計(jì)

這一模塊主要是負(fù)責(zé)的是控制系統(tǒng)與單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交流，電路可以利用經(jīng)典的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換芯片規(guī)定使用的是PL2303HX。在設(shè)計(jì)這一模塊時(shí)，需要讓產(chǎn)品的體積盡可能縮小，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要在保證性能的前期下，盡可能降低對(duì)元器件的利用[5]。

2.2.3 信號(hào)發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

這一模塊功能是把單片機(jī)傳輸過來的編碼按照順序重新發(fā)射出去。這一模塊是由聲表諧振器、高頻三極管組成的三點(diǎn)式振蕩電路。電路圖如圖1所示。

圖1 無線發(fā)射模塊電路圖

3.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)有兩部分組成：第一，計(jì)算機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)，為了保證直觀，因此多使用虛擬儀器中的LabVIEW軟件；第二部分是單片機(jī)控制模塊的程序設(shè)計(jì)，主要利用底層的匯編語言完成[6]。

■3.1 編碼規(guī)則的確定

傳統(tǒng)手動(dòng)的無線遙控器主要利用的是PT2262芯片，而PT2262/PT2272的編碼規(guī)則，對(duì)實(shí)際波形測(cè)量時(shí)，編碼的規(guī)則為：同步碼+八位地址碼+四位數(shù)據(jù)碼。在理論中，每個(gè)碼都有三種狀態(tài)，它們分別是低電平、高電平、高阻三種狀態(tài)，且都有各自相匹配的波形圖。

■3.2 發(fā)射編碼設(shè)計(jì)

通常在PT2262/PT2272 的協(xié)議中，編碼一般是由三部分構(gòu)成：分別是同步碼、地址碼以及數(shù)據(jù)碼。雖然理論上的地址碼與數(shù)據(jù)碼都有三種狀態(tài)，但是在手動(dòng)遙控器中，地址碼會(huì)在焊接電路時(shí)就已經(jīng)固定，統(tǒng)一保持在高阻狀態(tài)。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的產(chǎn)生是因?yàn)槟M的芯片編碼，所以可以不用受硬件電路的限制，若是采用1 和0 來顯示高低電平兩種狀態(tài)來完成編碼，可以控制的終端能達(dá)到212個(gè)，但若是選擇10、00、01 來表示，控制的數(shù)量講可以達(dá)到312個(gè)，通常普通的工作只需要1 和0 就能夠滿足設(shè)計(jì)需求[6–7]。

一般情況下，在使用單片機(jī)進(jìn)行模擬脈沖編碼時(shí)，都是通過USB轉(zhuǎn)串口來完成數(shù)據(jù)的傳輸，然后在通過相應(yīng)的算法來肯定8 位地址碼和4 位數(shù)據(jù)碼應(yīng)該擁有的狀態(tài)特性，只有這樣才能更好的調(diào)用不同的基準(zhǔn)延時(shí)來模擬不同狀態(tài)編碼，從而實(shí)現(xiàn)的真正的模擬型12 位的波形編碼，這種方法在最后還需要添加上模擬過程中的同步嗎，通常為了簡單，同步碼都是單獨(dú)的編寫的程序，在使用時(shí)就可以直接快速的插入就能達(dá)成目的。這樣就算是讓單片機(jī)的軟件編程完成模擬了PT2262 芯片的編碼過程[7]。

當(dāng)系統(tǒng)最終制作完成時(shí)，就會(huì)顯示出下圖所示的電路，圖上顯示的為電路PCB制版的正反兩面。在PCB 排版的過程中，要考慮的因素很多，而其中最需要重視就是其中的高頻發(fā)射模塊排版布局，這點(diǎn)做好的話可以有效地提升發(fā)射效率，比如下面的圖2，所顯示的正是經(jīng)過多項(xiàng)修改與測(cè)量后的電路板圖。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 系統(tǒng)正、反面PCB圖

這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)主要是為了用計(jì)算機(jī)來取代手動(dòng)的遙控器，從而對(duì)家用電器進(jìn)行智能化的控制，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分完成時(shí)，就可以利用LabVIEW 語言設(shè)計(jì)一個(gè)可以安裝在所有電腦上的控制軟件。通常來講，軟件的有效控制端口做最好保證在212個(gè)，也就是通常的4096個(gè)，哲哲技術(shù)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的手動(dòng)遙控器控制量，也能很好的滿足當(dāng)下多種復(fù)雜場合的使用需求。

5.結(jié)論

總之，當(dāng)下已經(jīng)迎來了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，很多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在各大領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，家居領(lǐng)域也不另外，在各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用下，逐漸實(shí)現(xiàn)了智能化操作，使人們?cè)诩揖討?yīng)用中更加安全、方便和快捷。智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)是現(xiàn)代最具有影響力的智能家居系統(tǒng)，已經(jīng)在人們生活中得到了應(yīng)用，具有很大的發(fā)展空間及應(yīng)用前景，所以在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用是必要的。對(duì)此，上文先簡單概述了當(dāng)下的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，然后從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大方面分析物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中應(yīng)用到了電腦設(shè)備、傳統(tǒng)的U盤、控制軟件、無線媒介等軟硬件。

＊ [1]陳萬培,高為民,丁小梅,王曉天.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能家居發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子制作,2013,(08):150-151.

＊ [2]陳志楨,董建懷.家居新風(fēng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào),2016,24(03):28-33.

＊ [3]龍?zhí)咸?吉承平,李志遠(yuǎn).智能家居無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(17):122-124.

＊ [4]許朋,梁雨,張春亞,卞小亮,張認(rèn).基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程紅外控制器[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016,(19):145.

＊ [5]張為方,張倫寧,尹子悅,席素,馬凱.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015,5(08):52-53+56.

＊ [6]劉燕,黃杰賢.基于無線語音控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦與電信,2015,(07):68-70.

＊ [7]王倩,鄒浙湘,劉謀君.基于RF的智能家居無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2017,40(16):29-31.

江西省教育廳科技項(xiàng)目，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)智能家居控制系統(tǒng)及其模塊化接口研究（GJJ151311）。