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        基于藍(lán)牙的智能家居控制研究
        ——以“智能窗簾”為例

        2018-11-17 07:10:22陳志杰
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)系統(tǒng)

        陳志杰

        (福州大學(xué);福州理工學(xué)院,福建 福州 350506)

        智能化微型控制器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,自動(dòng)窗簾控制器的發(fā)展也隨之得到大規(guī)模提高,作為智能家居的重要組成部分,自動(dòng)窗簾控制器已經(jīng)引領(lǐng)了智能家居的發(fā)展,并且將來(lái)會(huì)成為智能家居的頂梁柱,具備非常樂(lè)觀的發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)狀的研究與實(shí)際使用的空白進(jìn)行彌補(bǔ),具有簡(jiǎn)捷智能,低功耗、低成本的應(yīng)用價(jià)值。

        一、智能家居中用到的關(guān)鍵技術(shù)

        此設(shè)計(jì)是基于一款藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng)。其中對(duì)于家居的控制本課題著重研究的是窗簾控制,智能家居控制系統(tǒng)完成使用藍(lán)牙通信進(jìn)行窗簾控制的功能。

        1.智能家居無(wú)線通信功能。由于現(xiàn)在藍(lán)牙技術(shù)的廣泛應(yīng)用、技術(shù)更新至比較成熟、且研發(fā)成本較低,與當(dāng)今生活中所用的移動(dòng)設(shè)備中的藍(lán)牙都可以互相,使用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能,實(shí)現(xiàn)智能家居的控制,是值得使用的應(yīng)用。

        2.在環(huán)境實(shí)施控制方面,可以利用藍(lán)牙無(wú)線控制,自動(dòng)監(jiān)控家居周圍的溫度、光照強(qiáng)度,濕度等環(huán)境因素。

        3.窗簾的拉合控制。進(jìn)行軟件和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證功能,硬件進(jìn)行焊接,搭建硬件環(huán)境,從而實(shí)現(xiàn)控制窗簾的拉合。

        4.噪聲的方位信息和相關(guān)提示信息。采用液晶顯示器顯示信息。

        二、自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

        此次設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如圖1(圖序從圖1開(kāi)始標(biāo)注)所示,從圖中可以看出系統(tǒng)被分成了采集模塊和控制模塊。采集模塊和控制模塊之間使用藍(lán)牙的方式進(jìn)行無(wú)線通信,采集模塊可以獲取家居環(huán)境,如光強(qiáng)、濕度等信息,并在LCD屏幕上顯示需要修改和輸入的內(nèi)容,采集模塊采集的信息可以通過(guò)藍(lán)牙通信的方式傳輸?shù)娇刂颇K上,控制模塊采用步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)模擬家居窗簾的開(kāi)關(guān)狀態(tài),并實(shí)時(shí)判斷是否超限,超限后可關(guān)閉窗簾控制。在控制模塊中,由光敏電阻傳感器控制窗簾的光控和自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的控制,晚上窗簾關(guān)閉,白天打開(kāi)窗簾。手動(dòng)控制通過(guò)采集模塊的按鍵的控制方式,通過(guò)藍(lán)牙通信發(fā)送命令對(duì)窗簾的開(kāi)合進(jìn)行控制,可根據(jù)選擇控制模式實(shí)現(xiàn)智能家居窗簾的自動(dòng)控制。

        圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

        三、智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

        智能家居系統(tǒng)硬件主系統(tǒng)有單片機(jī)控制核心模塊、電源模塊、液晶顯示模塊、藍(lán)牙模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、光照模塊等。

        (一)單片機(jī)控制核心模塊

        圖2 最小系統(tǒng)電路圖

        圖3 晶振電路

        圖4 復(fù)位電路

        如圖3所示,上面的電路圖為電容三點(diǎn)式震蕩圖,本次課題的晶振,選用的是頻率為12M的無(wú)源晶振。電容則是選用了兩個(gè)普通電容,容值均為30pF。

        通過(guò)系統(tǒng)復(fù)位,實(shí)現(xiàn)了STC89C51的硬件初始化過(guò)程。具備了外部復(fù)位管腳RST的STC89C52單片機(jī),能夠在識(shí)別長(zhǎng)度為2us以上的高電平,同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位系統(tǒng)的功能。

        (二)電源模塊

        電源采用常見(jiàn)的USB接口的電源線,配接直流5V電源,用其作為整個(gè)系統(tǒng)的供電電源。SW1為電源部分的開(kāi)關(guān),起到電源控制的作用,通過(guò)此模塊可以實(shí)現(xiàn)電源在需要的時(shí)候打開(kāi),不需要的時(shí)候關(guān)閉即可。如圖5所示。

        圖5 電源模塊電路圖

        (三)液晶顯示模塊

        如圖6所示是液晶顯示部分的電路原理圖。從圖中可以看出,LCD1602接口較為簡(jiǎn)單,僅需要3根控制線以及8位數(shù)據(jù)總線即可。R3電阻的作用主要是調(diào)節(jié)液晶的對(duì)比度,通過(guò)對(duì)外部接口的調(diào)整,可以選擇串行通信方式和并行通信方式兩種方式進(jìn)行液晶的程序控制,數(shù)據(jù)和地址等寄存器數(shù)據(jù)是通過(guò)數(shù)據(jù)總線發(fā)送到LCD1602的控制器中。LCD1602液晶的控制器不僅能夠驅(qū)動(dòng)液晶進(jìn)行顯示字符以及數(shù)字字母,而且能夠進(jìn)行背光調(diào)節(jié),使得液晶能夠在白天和夜晚都可以使用;LCD1602的驅(qū)動(dòng)時(shí)序較為簡(jiǎn)單,只需要控制RS引腳以及DB0~DB78個(gè)引腳就可以實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)使用LCD1602主要是顯示噪聲的方位信息以及相關(guān)提示信息。

        圖6 液晶顯示模塊電路圖

        (四)藍(lán)牙無(wú)線模塊

        采用藍(lán)牙的無(wú)線通信方式進(jìn)行通信,傳輸速度可達(dá)1MBps,在250Kbs的情況下,傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到2公里。通信IC采用的是TI公司出品的CC2550。CC2540內(nèi)嵌了藍(lán)牙通信協(xié)議,對(duì)與單片機(jī)來(lái)說(shuō),其引出了TCD和RXD兩個(gè)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng),但是需要設(shè)計(jì)好通信為T(mén)TL通信電平標(biāo)準(zhǔn)。該部分電路圖如圖7所示。

        圖7 無(wú)線模塊電路圖

        (五)步進(jìn)電機(jī)模塊

        步進(jìn)電機(jī)可用無(wú)反饋控制,并且具有能夠?qū)㈦娦盘?hào)和位移信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的作用。位移信號(hào)包括了角度位移和距離位移。步進(jìn)電機(jī)在額定的工作方式下,受電平和驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的影響。這款電機(jī)可以通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制,可根據(jù)外部輸入的周期性電平,變換角度和位移。電路圖如圖8所示。

        圖8 步進(jìn)電機(jī)接口電路

        (六)光照模塊

        光照模塊采用的是——由光感應(yīng)器件和外圍處理電路組成的,GY-30光照模塊傳感器。光敏電阻是對(duì)光照敏感的電子元器件,阻值隨著光照的變化而變化,當(dāng)?shù)陀谝欢ü庹斩葧r(shí),傳感器模塊通過(guò)外圍電路的處理會(huì)輸出電位0,單片機(jī)檢測(cè)傳感器模塊輸出的低電位,即可實(shí)現(xiàn)光照控制窗簾的邏輯功能。光照模塊電路如圖9所示。

        圖9 光照模塊電路

        四、智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

        本次課題的編程語(yǔ)言運(yùn)用的是C語(yǔ)言,開(kāi)發(fā)環(huán)境采用的是51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境,即MDK for C51開(kāi)發(fā)環(huán)境。這個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境能夠編譯連接生產(chǎn)hex文件,內(nèi)嵌許多輔助工具,因此生成代碼的效率很高,之后將代碼下載到單片機(jī)中,可以進(jìn)行功能驗(yàn)證與分析。

        系統(tǒng)剛開(kāi)始的時(shí)候首先執(zhí)行的是初始化操作,完成LCD1602的基本工作寄存器配置以及光敏驅(qū)動(dòng)ADC的模式設(shè)置,設(shè)置完成后將步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)模擬智能家居的窗簾為關(guān)閉狀態(tài),同步開(kāi)啟接收藍(lán)牙指令狀態(tài),當(dāng)收到藍(lán)牙指令的時(shí)候能夠解析指令控制智能家居的窗簾開(kāi)關(guān)情況,沒(méi)收到指令可以根據(jù)光照和濕度動(dòng)態(tài)控制智能家居中的窗簾工作狀態(tài)。整個(gè)程序被分為了多部分程序內(nèi)容,分別為主程序、LCD1602顯示程序、紅外程序和時(shí)鐘模塊驅(qū)動(dòng)程序等。整體運(yùn)用的是單元化編程思想。

        五、系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論

        系統(tǒng)的界面布局美觀、簡(jiǎn)潔、大方,整個(gè)系統(tǒng)操作起來(lái)簡(jiǎn)便、靈活,并注重設(shè)計(jì)的實(shí)用、安全性。對(duì)于本課題設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng),可在顯示屏能夠顯示濕度、溫度、控制信息等信息,通過(guò)濕度控制邏輯、光照控制邏輯、藍(lán)牙通信模塊、人體紅外傳感器采集的信息以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息的采集與校準(zhǔn),從而控制窗簾的狀態(tài),該系統(tǒng)簡(jiǎn)捷智能,功耗低,達(dá)到精確到、協(xié)調(diào)、迅速的完成指定設(shè)計(jì)要求。根據(jù)多次測(cè)試,基于藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng)能夠達(dá)到我們預(yù)期的目標(biāo)。

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