李兆亮，張靖宇，李立剛

（1.中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580）

智能家居的概念起源于上世紀(jì)八十年代[1]，近十年來，隨著嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速進(jìn)步和人們物質(zhì)生活水平、家用智能化需求的不斷提高[1-2]，進(jìn)一步融合物聯(lián)網(wǎng)、自動控制、數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)對家用設(shè)備智能化的分布式控制成為智能家居系統(tǒng)重要的研究和發(fā)展方向[3-7]。

智能家居產(chǎn)業(yè)的快速興起促使各大企業(yè)研發(fā)自己的智能家居開發(fā)平臺，如蘋果的HomeKit平臺，華為的Hilink平臺等。目前，智能家居產(chǎn)業(yè)尚未形成明確的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，智能設(shè)備的社會普及度不高[5-6]。但隨著智能家居市場規(guī)模的迅速增長，新式產(chǎn)品的不斷推出[8]，居民生活的智能化是趨勢所在。

傳統(tǒng)家電的使用壽命長、體量大、技術(shù)成熟等特點使其難以在短時間內(nèi)被淘汰，并且難以與已有的智能設(shè)備組網(wǎng)。在智能家居的全民推廣過程中，家居的智能化改造將進(jìn)入大量傳統(tǒng)電器與新式智能設(shè)備共存的過渡階段。建立一種能同時面向傳統(tǒng)電器和智能新設(shè)備的智能家居控制系統(tǒng)顯得十分必要。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 智能家居構(gòu)架

為了充分利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)電器，結(jié)合新式智能家電，有效地提升居民居家生活的智能化水平，文中提出了面向智能家居推廣過渡階段的三層系統(tǒng)控制方案，如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)主體架構(gòu)

1）指令層

在該層內(nèi)用戶可以通過APP或語音發(fā)送控制指令，控制各設(shè)備的運行或獲取各智能終端的工作情況。

2）中間控制層

該層是用戶指令和家用電器間連接的橋梁。以MSP430單片機(jī)為主控制器的控制模塊對安裝位置相對集中的傳統(tǒng)電器通過合理的布線電路實現(xiàn)集中控制；對室內(nèi)已安裝的智能終端通過APP尋址訪問，發(fā)送指令實現(xiàn)分布式控制；引入智能音箱，在其工作范圍內(nèi)，對支持語音控制的智能終端實現(xiàn)分布式控制。

3）執(zhí)行層

該層包括家庭中所有可參與智能化改造的電器設(shè)備。智能設(shè)備可通過藍(lán)牙通訊直接控制；智能插座實現(xiàn)大功率傳統(tǒng)電器的組網(wǎng)控制；改進(jìn)部分傳統(tǒng)電器的控制電路，采集室內(nèi)環(huán)境信息，實現(xiàn)設(shè)備的組網(wǎng)控制與功能擴(kuò)展。

1.2 通訊方式

智能家居的改造與應(yīng)用場景中所需傳感器多，設(shè)備分散，電器功耗差異大，同時要求系統(tǒng)具有良好的交互性能。當(dāng)前主流的無線通訊技術(shù)，如：Bluetooth、WIFI、ZigBee等[9]都存在一定的不足，其特點對比如表1[10]所示。

表1 主流無線通信技術(shù)部分特點對比

新一代 Bluetooth Low Energy（BLE）+Mesh技術(shù)具有超低功耗，支持多節(jié)點組網(wǎng)，同時繼承了傳統(tǒng)藍(lán)牙安全性高[11-12]，傳輸速度較快，與手機(jī)端交互性好的優(yōu)點。當(dāng)前應(yīng)用的智能插座等新式智能設(shè)備多采用藍(lán)牙通訊。因此，文中智能家居控制系統(tǒng)采用BLE進(jìn)行通訊，通過圖1中的三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對家用設(shè)備的分布式控制，為傳統(tǒng)電器與智能設(shè)備大量并存的場景提供一種智能家居改造升級的解決方案。

2 硬件結(jié)構(gòu)與電路

2.1 系統(tǒng)主體電路

傳統(tǒng)家電的智能化改造將成為智能家居推廣過渡階段中的一項重要內(nèi)容。對于風(fēng)扇、窗簾、照明燈等廣泛應(yīng)用的家用設(shè)備，圖1中的分布式控制方式1對其增加藍(lán)牙遙控、自動運行、多方式控制等新功能，實現(xiàn)傳統(tǒng)電器的智能化升級，提升廣大用戶居住的智能感；對于圖1分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)中的控制方式2和3，用戶利用現(xiàn)有技術(shù)成熟的智能設(shè)備，如智能音箱、智能插座等終端在短時間內(nèi)即可實現(xiàn)家用設(shè)備的組網(wǎng)與智能化改造。

針對控制方式1，利用電子器件模擬常用家電，搭建智能家居模型，提出并實現(xiàn)風(fēng)扇溫控、電動窗簾光感運行新模式；解決遙控指令與機(jī)械開關(guān)之間的沖突問題，實現(xiàn)照明燈的雙控功能；集成煙感報警、室內(nèi)溫濕度參數(shù)檢測等功能，對傳統(tǒng)家居進(jìn)行智能化改造。主電路如圖2所示，各元件以模塊的形式畫出，模塊方框下標(biāo)為所用元件的名稱或型號。

圖2 分布式控制方式1主體電路

2.2 光感窗簾

現(xiàn)有的電動窗簾產(chǎn)品，無線控制方式不同但功能相似，多數(shù)只是遙控簾布的開閉，沒有實現(xiàn)真正意義上的光感運行。設(shè)計的電動窗簾新結(jié)構(gòu)如圖3所示。光感窗簾的結(jié)構(gòu)：1.窗簾；2.窗簾軌道滑輪；3.光線傳感器固定腔；4.伸縮臂；5～6.左右紅外傳感器及其固定裝置；7.主動輪與電機(jī)；8.窗簾可移動端及其固定件；9.從動輪；10.固定外殼；11.控制箱。光線傳感器固定腔可旋轉(zhuǎn)伸縮，使光線傳感器可以根據(jù)用戶需求變高變方向采集室內(nèi)的光強(qiáng)。

其控制框圖如圖4所示，當(dāng)選取的光線傳感器具有無線通信功能時，固定腔可以拆卸放置于室內(nèi)任意位置，將檢測的光強(qiáng)值傳送給MCU。紅外傳感器ST018檢測窗簾可移動端的位置，防止窗簾在打開或關(guān)閉過程中，由于電機(jī)的慣性帶動簾布繼續(xù)運動而對傳動結(jié)構(gòu)造成的損壞?？刂葡鋬?nèi)放置電機(jī)及驅(qū)動電路。主控板采集傳感器信息，接收控制指令，控制電機(jī)驅(qū)動電路，實現(xiàn)窗簾的開閉、斷電或光感控制。

圖3 新型光感窗簾結(jié)構(gòu)

圖4 光控窗簾的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 雙控照明燈

在大空間、多燈具、多開關(guān)的場合，增加照明燈的遙控功能將有效地提升用戶生活的便捷度?？紤]用戶每次發(fā)出的開關(guān)指令是想改變被控?zé)舢?dāng)前的工作狀態(tài)，單刀開關(guān)和遙控指令共同控制照明燈會引起邏輯混亂，因此，設(shè)計雙控?zé)綦娐啡鐖D5所示。當(dāng)MCU接收到藍(lán)牙指令或彈簧復(fù)位開關(guān)按下出現(xiàn)高電平時，MCU退出低功耗模式，控制繼電器反轉(zhuǎn)照明燈的狀態(tài)；當(dāng)控制電路損壞時，通過應(yīng)急開關(guān)使照明燈保持常亮或熄滅。

圖5 雙控方式下指令沖突解決電路

2.4 溫控風(fēng)扇

設(shè)計的溫控風(fēng)扇控制框圖如圖6所示。低功耗藍(lán)牙模塊HC-08通過UART方式與單片機(jī)連接，接收手機(jī)發(fā)送的調(diào)速指令。在常用模式下，MCU根據(jù)控制指令輸出固定占空比的PWM波，通過驅(qū)動模塊實現(xiàn)對直流風(fēng)扇的調(diào)速；在溫控模式下，DS18B20溫度傳感器采集實時溫度，根據(jù)溫控策略輸出不同占空比的PWM波，實現(xiàn)溫控調(diào)速；人體紅外感應(yīng)傳感器HC-SR501檢測工作范圍內(nèi)有無人存在，對應(yīng)輸出1/0電平，當(dāng)單片機(jī)采集到低電平、無人時，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖6 溫控風(fēng)扇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.5 其他功能

采用MQ-02煙霧傳感器和蜂鳴器組合實現(xiàn)室內(nèi)燃?xì)庑孤﹫缶?；采用光線和聲音傳感器實現(xiàn)聲光雙控照明，光強(qiáng)下限值可由用戶進(jìn)行調(diào)節(jié)；采用DHT11溫濕傳感器、光線傳感器、煙霧傳感器，監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，通過OLED屏實時顯示這些物理參數(shù)。

3 控制方案

通過HC-COM藍(lán)牙助手APP向低功耗藍(lán)牙模塊HC-08發(fā)送控制指令，不同的ASCII碼字符代表不同設(shè)備對應(yīng)的功能，MSP430f5529單片機(jī)通過UART中斷接收藍(lán)牙指令，集中控制風(fēng)扇、電動窗簾等家用電器模型?？刂七^程增加風(fēng)扇溫控、窗簾光感兩種新模式，解決遙控與機(jī)械開關(guān)雙控下的指令沖突問題，集成煙感報警，照明燈聲光控，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的檢測與顯示等功能。

3.1 程序流程

系統(tǒng)控制流程如圖7所示。初始化主要包含啟用外部晶振，設(shè)置ADC和UART通信模式，定義各外設(shè)的管腳、功能和主要變量；DS18B20和DHT11是程控傳感器，采集溫濕度參數(shù)需要嚴(yán)格的時序邏輯。系統(tǒng)在任何控制流程處都可以發(fā)生UART中斷。當(dāng)手機(jī)發(fā)送指令時，程序進(jìn)入中斷，更新當(dāng)前的控制指令，設(shè)備進(jìn)行功能切換；在主循環(huán)中依次完成參數(shù)采集和顯示，判斷每個設(shè)備的指令，各設(shè)備按指令在對應(yīng)的功能模式下工作。圖7中窗簾和風(fēng)扇都對應(yīng)多個控制指令，二者都從第一個控制指令開始查詢。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

3.2 自動光感模式

傳統(tǒng)電動窗簾只能根據(jù)遙控指令打開、關(guān)閉、停轉(zhuǎn)或斷電。通過圖3中的設(shè)計結(jié)構(gòu)，該文增加了光感控制模式。光線傳感器檢測室內(nèi)光強(qiáng)，MCU采集光強(qiáng)的模擬信號量，根據(jù)程序中設(shè)定的舒適光強(qiáng)區(qū)間上下限值，判定當(dāng)前室內(nèi)的光強(qiáng)等級；采集左右兩個紅外傳感器輸出的高/低電平，判斷窗簾的位置，形成光感窗簾控制邏輯，如表2所示。

表2中的“左側(cè)”代表圖3中左紅外傳感器5以左的區(qū)域，表2中的“右側(cè)”代表右紅外傳感器6以右的區(qū)域，表2中的“中部”代表5和6之間的區(qū)域。窗簾的可移動端在“中部”區(qū)域時可以進(jìn)行開閉調(diào)節(jié)，可移動端進(jìn)入“左側(cè)”時需停止左移，進(jìn)入“右側(cè)”時需停止右移，防止電機(jī)傳動結(jié)構(gòu)的損壞。單片機(jī)根據(jù)表2中的邏輯關(guān)系控制主動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)窗簾的位置，使室內(nèi)的光強(qiáng)值保持在舒適的范圍內(nèi)。

表2 光感窗簾控制邏輯

表2中通過比較當(dāng)前的采樣光強(qiáng)值與設(shè)定光強(qiáng)值，結(jié)合窗簾可移動端的位置，形成邏輯關(guān)系控制窗簾的開閉。在全天候光感調(diào)節(jié)時，室內(nèi)檢測的光強(qiáng)值總會停在設(shè)定的舒適光強(qiáng)區(qū)間上下限值附近。此時光強(qiáng)的ADC采樣值會在設(shè)定的光強(qiáng)上限或下限數(shù)值附近跳動，導(dǎo)致電機(jī)頻繁地啟停以調(diào)節(jié)窗簾可移動端的位置，而電動機(jī)的頻繁啟動會造成嚴(yán)重的能量損失[13]。

為實現(xiàn)光控模式的節(jié)能優(yōu)化，提出基于偏差的窗簾光控策略，如圖8所示。ΔH為舒適光強(qiáng)區(qū)間上限的設(shè)置偏差值，ΔL為舒適光強(qiáng)區(qū)間下限的設(shè)置偏差值，二者都為正數(shù)；Δ+為當(dāng)前光強(qiáng)值超出舒適光強(qiáng)上限的差值，Δ-為當(dāng)前光強(qiáng)值超出舒適光強(qiáng)下限的差值；窗簾可移動端進(jìn)入“右側(cè)”，即認(rèn)為完全關(guān)閉，進(jìn)入“左側(cè)”，即認(rèn)為完全打開。設(shè)舒適光強(qiáng)區(qū)間對應(yīng)的ADC采樣值是[a，b]，當(dāng)前采樣的光強(qiáng)值為sampling value，Δ+和Δ-的計算方法分別如式（1）、（2）所示：

圖8 基于偏差的光感窗簾節(jié)能控制流程

當(dāng)檢測的光強(qiáng)值與舒適光強(qiáng)區(qū)間上限值之差大于設(shè)定上偏差ΔH時，關(guān)閉窗簾直至室內(nèi)光強(qiáng)為上限值；當(dāng)檢測光強(qiáng)值與舒適光強(qiáng)區(qū)間下限值之差小于設(shè)定下偏差ΔL時，打開窗簾至室內(nèi)光強(qiáng)為下限值。一天中室內(nèi)光強(qiáng)檢測值變化緩慢連續(xù)，通過留出上下偏差數(shù)值的裕度，當(dāng)室內(nèi)光強(qiáng)變化超過該裕度后，電機(jī)再帶動簾布進(jìn)行下一次的開閉調(diào)節(jié)。舒適光強(qiáng)區(qū)間的上下限值和上下偏差設(shè)定值由用戶根據(jù)體驗設(shè)置?；谄畹墓饪夭呗阅苡行Ц纳茊我槐容^控制導(dǎo)致的電機(jī)在舒適光強(qiáng)區(qū)間上下限值附近頻繁啟停的問題，實現(xiàn)電器節(jié)能，兼顧人體的舒適體驗。

3.3 溫控策略

常見風(fēng)扇的調(diào)速方式有線性調(diào)速、擋位調(diào)速等[14]，文獻(xiàn)[15-16]分別使用可控硅和變頻的方法對風(fēng)扇進(jìn)行階梯調(diào)速改進(jìn)，取得了一定的效果。傳統(tǒng)風(fēng)扇的連續(xù)調(diào)速功能改造對硬件要求更高，故該系統(tǒng)直流風(fēng)扇的溫控調(diào)速模式采用階梯控制。

當(dāng)風(fēng)扇工作在溫控模式下時，在不同的溫度范圍內(nèi)，MCU輸出不同占空比的PWM波，驅(qū)動風(fēng)扇模塊，實現(xiàn)調(diào)速，增加階梯數(shù)可使風(fēng)速跳躍減小，增加舒適度，其溫控策略如圖9所示。當(dāng)風(fēng)扇工作在常規(guī)模式下時，通過APP發(fā)送遙控指令，控制MCU輸出固定占空比的PWM波，調(diào)節(jié)風(fēng)速或關(guān)閉電器。

圖9 風(fēng)扇溫控策略

3.4 分布式電器節(jié)能控制

在家庭生活中，單個電器使用的傳感器等電氣元件數(shù)量少，占用控制器的資源少；而采用一塊控制器對多個位置分散的電器設(shè)備實現(xiàn)集中式布線控制存在一定的困難。針對以上兩點，大量的智能家居系統(tǒng)設(shè)計實踐指出，利用低功耗芯片，通過設(shè)計簡單的外圍印刷電路可以實現(xiàn)單顆芯片控制單個電器設(shè)備。這樣既能縮小MCU的體積，又能有效地降低成本。結(jié)合MSP430單片機(jī)出色的低功耗特性和上述節(jié)能式控制策略，可以有效地實現(xiàn)設(shè)備降耗。用戶通過APP與設(shè)備對應(yīng)的藍(lán)牙建立連接，發(fā)送指令，即可實現(xiàn)對各家用設(shè)備的分布式節(jié)能控制，單個設(shè)備的低功耗工作狀態(tài)如圖10所示。

圖10 分布式電器節(jié)能工作狀態(tài)圖

4 結(jié)束語

該文針對智能家居在推廣過程中面臨的傳統(tǒng)電器和智能設(shè)備大量共存的狀況，提出了包含指令層、中間控制層和執(zhí)行層的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)各式家用電器的分布式控制。與一般智能家居系統(tǒng)設(shè)計相比，該系統(tǒng)不僅可以使多種傳統(tǒng)電器與智能設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，還重新設(shè)計了常用電器的硬件結(jié)構(gòu)，增加了自適應(yīng)控制新模式，并做出節(jié)能優(yōu)化。模型測試結(jié)果表明，在15 m范圍內(nèi)，系統(tǒng)信號收發(fā)正常，運行順暢，對單個模塊發(fā)送控制指令測試25次，模塊正常運行次數(shù)≥24次，具有較高的穩(wěn)定性。文中面向智能家居推廣過渡階段的系統(tǒng)架構(gòu)為現(xiàn)階段居民家庭智能化改造提供了一種較為可行的方案。