劉軒 史秀男 沈陽工學(xué)院

智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉軒 史秀男 沈陽工學(xué)院

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)藍(lán)牙遙控以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙指令的解析和控制開關(guān)指令的發(fā)出，工業(yè)級藍(lán)牙2.0模塊HC-05實(shí)現(xiàn)和手機(jī)藍(lán)牙的通信，藍(lán)牙模塊把接收到的指令通過串口通信的方式傳輸給單片機(jī)，系統(tǒng)顯示終端采用LCD12864中文液晶屏，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行家電的開啟和關(guān)閉時(shí)，液晶顯示屏實(shí)時(shí)更新家電的開關(guān)狀態(tài)，以便設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下判斷是控制部分出現(xiàn)故障還是家電部分故障，為了更好的模擬演示系統(tǒng)功能，系統(tǒng)采用冰箱、電視、空調(diào)、燈泡作為控制對象，為了硬件實(shí)物演示方便，4路家電分別用4種顏色的LED燈來代替，通過繼電器開關(guān)控制LED燈的亮滅來代替家電的開啟和關(guān)閉。系統(tǒng)遙控藍(lán)牙遙控距離不小于10米，開關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于1秒鐘。本文在家電開關(guān)控制的基礎(chǔ)上增加了室內(nèi)溫濕度和煙霧濃度檢測報(bào)警功能，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)超限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出鳴笛報(bào)警提示功能。

主要是基于51單片機(jī)和2.0藍(lán)牙模塊來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，硬件方案主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電源管理電路、4路繼電器開關(guān)電路、LCD12864液晶顯示屏電路和HC-05藍(lán)牙模塊電路組成，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)電路為系統(tǒng)的控制核心，完成控制信號的采集和控制信號的輸出控制，HC-05藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)藍(lán)牙指令的接收，然后和單片機(jī)控制電路之間通過串口通信電路完成數(shù)據(jù)的傳輸，家電開關(guān)的控制通過單片機(jī)控制4路繼電器的斷開和吸合來實(shí)現(xiàn)，繼電器開關(guān)采用高電平輸出使能，當(dāng)單片機(jī)對應(yīng)的端口輸出高電平即可完成對應(yīng)繼電器開關(guān)的接通，相反對應(yīng)端口輸出低電平，繼電器開關(guān)斷開。為了直觀的觀測繼電器開關(guān)的開啟和關(guān)閉。

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)，藍(lán)牙通信電路設(shè)計(jì)，液晶顯示電路設(shè)計(jì)，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集電路，家電開關(guān)輸出控制電路設(shè)計(jì)和電源處理電路等幾部分組成，下面將對上述各部分電路進(jìn)行詳細(xì)的闡述和分析。單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路主要有STC12C5A60S2單片機(jī)、11.0592M晶振、復(fù)位電路三部分組成，藍(lán)牙串口通信模塊主要有HC-05主從一體藍(lán)牙芯片、3.3VLDO穩(wěn)壓電路和信號指示燈電路組成，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集電路主要由溫度采集、濕度采集和煙霧采集3部分組成，溫度采集使用DS18B20溫度傳感器，此傳感器為單總線數(shù)字輸出型的傳感器，和單片機(jī)之間可以直接進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，不要增加其它外圍電路；濕度傳感器采用DHT11實(shí)現(xiàn)，DHT11也是數(shù)字輸出型傳感器，不需要其它外圍電路支持就能完成和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信；煙霧采集采用MQ-2煙霧傳感器模塊，煙霧采集傳感器為模擬信號輸出型傳感器，需要接單片機(jī)的AD端口方可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與通信。智能家電的開啟和關(guān)閉采用繼電器控制實(shí)現(xiàn)，繼電器是一種常用的弱點(diǎn)控制強(qiáng)電的自動(dòng)開關(guān)，由于本文單片機(jī)系統(tǒng)采用5V供電單片機(jī)，單片機(jī)信號輸出高電平為5V，因而本文繼電器型號選擇DC5V松樂繼電器，此繼電器輸出端可接220V家用電器，帶負(fù)載能力可達(dá)到20A電流，完全能夠承受一般家用電器的負(fù)載要求。繼電器開關(guān)控制電路主要有繼電器、輸出端子、信號控制端子以及脈沖泄放回路組成。系統(tǒng)軟件編程采用C語言編程，編譯環(huán)境為KeilC51，下載工具采用STC-ISP下載軟件進(jìn)行下載，對于單片機(jī)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的編程方式是將單片機(jī)先從電路板上取下，放入專用的編程器進(jìn)行編程，再放人電路板進(jìn)行調(diào)試。其缺點(diǎn)是頻繁的拔插器件容易損壞器件的引腳；如果頻繁的更換程序，必須重復(fù)拔插，大大降低了開發(fā)效率。ISP技術(shù)是未來發(fā)展的方向，其優(yōu)勢是無需編程器就可進(jìn)行單片機(jī)程序的在線下載，免去調(diào)試時(shí)由于頻繁插入取出對器件造成的損壞和帶來的不便。ISP可降低研發(fā)成本，縮短從設(shè)計(jì)、制造到現(xiàn)場調(diào)試的時(shí)間，簡化生產(chǎn)流程，大大提高工作效率；在試驗(yàn)新品或?qū)W生試驗(yàn)等常需用不同的程序調(diào)試器件的場合中，ISP在線編程技術(shù)尤為重要。

設(shè)計(jì)采用USB-ISP下載線，實(shí)現(xiàn)在KeilC51軟件開發(fā)環(huán)境下調(diào)試的C語言程序機(jī)器碼能在線下載到STC12C5A60S2單片機(jī)片內(nèi)Flash中，并可在線修改。系統(tǒng)軟件功能測試主要是把通過KeilC51編程軟件編譯通過的程序代碼下載到硬件實(shí)物中進(jìn)行功能的驗(yàn)證，系統(tǒng)功能測試包括環(huán)境檢測功能測試和藍(lán)牙遙控開關(guān)功能測試。以51內(nèi)核的STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，結(jié)合晶振電路、復(fù)位電路完成單片機(jī)最小系統(tǒng)控制單元，藍(lán)牙模塊采用工業(yè)級HC-05藍(lán)牙模塊完成手機(jī)藍(lán)牙指令的接收和通信，通過手機(jī)藍(lán)牙APP操作界面完成操控指令的發(fā)送，單片機(jī)控制單元通過解析所接收到的藍(lán)牙指令，然后對相應(yīng)的家電開關(guān)進(jìn)行開啟和關(guān)閉的操作，LCD12864液晶顯示屏用來顯示4路家電開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，室內(nèi)環(huán)境檢測主要檢測溫度、濕度和煙霧濃度三個(gè)環(huán)境參數(shù)，溫度采集采用DS18B20溫度傳感器采集，濕度采集采用DHT11濕度傳感器實(shí)現(xiàn)，煙霧采集通過MQ-2煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以方便的實(shí)現(xiàn)智能家居的控制，并且設(shè)計(jì)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

史秀男（通訊作者），沈陽工學(xué)院通信教研室講師。