陳駿耀 陳芬生 林鐸 梁珀榮 林培照

摘要：本文設計了一種智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用樹莓派為上位機，MCS-51單片機為下位機，設置多個單片機從機用作控制模塊，使用Flask做為網(wǎng)絡服務框架，基于Python語言設計網(wǎng)絡控制界面，用戶能夠在PC端或手機終端通過該界面來實現(xiàn)智能家居控制開關的應用功能。

關鍵字：樹莓派；MCS-51單片機；嵌入式系統(tǒng)；Flask框架；智能家居

一、緒論

目前智能家居網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術(shù)為兼容性強的家庭主控制器和滿足信息傳輸需要的家庭網(wǎng)絡，主要有PC架構(gòu)、單片機架構(gòu)、嵌入式架構(gòu)三大解決方案[1]。一般情況下，非PC系統(tǒng)就是我們常說的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的軟硬件可裁剪，從而能更靈活的適應不同的應用場景；PC機架構(gòu)與單片機架構(gòu)在運行上都存在穩(wěn)定性不高的問題[2]，而嵌入式系統(tǒng)采用數(shù)字電路設計，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強，結(jié)合單片機的實用性與易用性，本文從照明控制與窗簾控制入手，提出了一種以嵌入式系統(tǒng)為主、單片機架構(gòu)為輔的組合式方案來進行智能家居的網(wǎng)絡控制。

二、系統(tǒng)設計

在樹莓派開發(fā)板上搭載Ubuntu Mate 16.04系統(tǒng)，組成一個嵌入式系統(tǒng)控制中心，采用最新的Flask框架搭建Web服務器，用戶可使用PC端或者手機終端通過無線網(wǎng)絡登錄控制頁面。系統(tǒng)框圖如下：

三、硬件環(huán)境搭建

1.樹莓派與MCS-51單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸

在MCS-51單片機上設置中斷事件，通過檢測樹莓派電路板上指定I/O口的高低電平的變化來判斷中斷事件是否發(fā)生，從而實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸；若中斷事件發(fā)生，則表明用戶在網(wǎng)絡控制平臺進行的相應操作（如照明的開關）經(jīng)由樹莓派上的Ubuntu系統(tǒng)處理后，將信號進行傳遞，此時接收到信號的MCS-51單片機將實施對實際電路模塊的控制。

2.單片機與單片機之間的通信

本文設計中共用到三個MCS-51單片機，其中一個用作主機，另外兩個用作從機；主機接收來自系統(tǒng)控制中心的數(shù)據(jù)，并且通過nRF24L01無線模塊向另外兩個從機發(fā)送指令；從機接收到指令后進行對窗簾或照明的控制。nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，可以進行一對多同通信，其工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式，在這里我們采用了收發(fā)模式。

3.Nrf24L01之間通信調(diào)試

在發(fā)送端先讀取狀態(tài)寄存器，判斷標志位是否置位，再清除標志位，調(diào)試時候可以先固定一端（比如接收端），調(diào)試發(fā)送端，確保發(fā)送正確后再嘗試調(diào)試接收端。本文將采用shockburst模式發(fā)送接收數(shù)據(jù)，在此方式下，通訊協(xié)議如下：對發(fā)送方（配置PRIM_RX為低）：發(fā)送方啟動發(fā)送后，即CE拉高至少10us，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后使用通道0接收終端應答ASK信號，如果沒有收到ASK，發(fā)送方將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直到收到應答信號或重發(fā)次數(shù)超過設定最大值為止。若超過最大次數(shù)，將會產(chǎn)生MAX—RT中斷，IRQ輸出低電平。若收到了ASK信號，認為發(fā)送成功，將產(chǎn)生TX_DS中斷。對接收方（配置PRIM_RX為高）：接收方啟動接收后，即CE拉高至少10us，若接收到的數(shù)據(jù)通過CRC校驗正確，則將數(shù)據(jù)存儲在RX_FIFO中。

四、軟件程序設計

采用最新的Flask框架搭建Web服務器，F(xiàn)lask是一個使用Python編寫的輕量級Web應用框架，其WSGI工具箱采用Werkzeug，模板引擎則使用Jinjia2，F(xiàn)lask自帶開發(fā)用服務器和debugger、集成單元測試和RESTful調(diào)度請求。本文使用Python+Flask設計出智能家居控制網(wǎng)頁，如圖3。

在同個局域網(wǎng)下面，用戶可以使用PC端或者手機終端在地址欄輸入IP+端口號登錄，用戶通過HTTP協(xié)議訪問網(wǎng)頁控制平臺。

運行python程序后，只要有用戶連接到正確的IP+端口號，在系統(tǒng)控制中心下還可以及時得到智能家居控制情況的反饋信息，如所訪問的用戶，響應時間以及網(wǎng)頁是否正常響應等，保證系統(tǒng)運行的正確性。

五、結(jié)語

本文所設計的基于樹莓派及MCS-51單片機的智能家居控制系統(tǒng)，樹莓派上搭載的Ubuntu Mate 16.04作為系統(tǒng)運行后臺，采用MCS-51單片機作為控制終端，使用NRF24L01無線模塊實現(xiàn)各個控制終端之間的通信，方法簡單有效；并且使用基于Python的開源框架Flask設計了智能家居網(wǎng)頁控制界面，使得用戶可以通過PC端或手機端通過HTTP協(xié)議訪問該界面進行智能家居的控制，系統(tǒng)后臺可以及時得到反饋信息，有效地保障了系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]李鴻. 幾種智能家居網(wǎng)絡控制系統(tǒng)方案的分析與比較[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2010， 3（314）： 143-146

[2]郭福洲. 嵌入式技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應用[J]. 論述， 2017， 22（11）： 334-336