摘? 要：對(duì)智能家居使用需求進(jìn)行了研究，分析了傳統(tǒng)家居監(jiān)測現(xiàn)狀，進(jìn)行了智能家居監(jiān)測可行性調(diào)查，提出了一種基于STC89C52單片機(jī)的控制方案，設(shè)計(jì)了一款嵌入式智能家居監(jiān)測控制終端。以ARM7TDMI處理器為核心，集主控單元、藍(lán)牙功能、數(shù)字溫濕度傳感器、繼電控制、無源蜂鳴報(bào)警及電源穩(wěn)壓等為一體，通過擴(kuò)展RF模塊組建智能Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，使用無線通信進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制，對(duì)智能家居環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測調(diào)控，提升家庭生活現(xiàn)代化水平。

關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī);智能家居監(jiān)測器;設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);集成方案

中圖分類號(hào)：TP368? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）01-0175-04

Abstract： This paper studies the use requirements of smart home， analyzes the current situation of traditional home monitoring， investigates the feasibility of smart home monitoring， puts forward a control scheme based on STC89C52 single-chip microcomputer， and designs an embedded smart home monitoring and control terminal. Taking ARM7TDMI processor as the core， it integrates the main control unit， Bluetooth function， digital temperature and humidity sensor， relay control， passive buzzer alarm and power supply voltage stabilization， establishes an intelligent Wi-Fi wireless network by expanding RF module， uses wireless communication for real-time monitoring and remote control， monitors and regulates the temperature and humidity of smart home environment， and improves the modern level of family life.

Keywords： STC89C52 single-chip microcomputer; smart home monitoring meter; design and implementation; integrated solution

0? 引? 言

當(dāng)前社會(huì)背景下，市面上出現(xiàn)了大量的智能家居產(chǎn)品，尤其隨著近年來信息化越來越普及，家庭中的通信終端、智能家電越來越多[1]。如今是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，更是萬物智能的“物聯(lián)時(shí)代”，智能家居產(chǎn)品的出現(xiàn)，讓家庭信息化和現(xiàn)代化成為一種時(shí)尚和潮流，正是生活水準(zhǔn)的提高，進(jìn)一步激發(fā)了人們對(duì)于居家環(huán)境的多樣化、個(gè)性化追求。因此，如何針對(duì)智能家居產(chǎn)品進(jìn)行更好地監(jiān)測與控制，營造更加舒適的居家環(huán)境，儼然已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)所在[2]。本文基于上述需求，在充分考慮監(jiān)測控制方案的可行性、便捷性與經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，提出一種基于STC89C52單片機(jī)的控制方案，旨在使得家居生活變得更加輕松便捷、簡單舒心，充滿無限樂趣。

1? 智能家居監(jiān)測器總體設(shè)計(jì)方案

1.1? 監(jiān)測原理

智能家居監(jiān)測器是現(xiàn)代家庭智能化設(shè)備的核心控制終端，目前人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知在不斷深化，使得家電的網(wǎng)絡(luò)化日益受到重視，智能家居不僅能夠給用戶提供便捷的智能化生活環(huán)境，更能夠提供舒適、健康和安全的居家環(huán)境，但要想實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境控制智能化與自動(dòng)化，就必須要借助嵌入式智能家居控制終端來對(duì)家居中的相關(guān)智能家電產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與運(yùn)行狀態(tài)遙控。目前，主流的智能家居控制終端是帶有Android系統(tǒng)的智能手機(jī)，但是它作為為一個(gè)中央媒介解釋器往往具有一定的局限性，比如數(shù)據(jù)處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換等均需要依賴于控制終端自帶的Wi-Fi模塊或無線RF模塊，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶居家環(huán)境中溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)控，同時(shí)維持和營造一個(gè)更加適宜人體生活的健康居住生活環(huán)境，本研究以STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)主控單元，分別借助繼電保護(hù)、報(bào)警、溫濕度模塊以及電源模塊等實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙/Wi-Fi小程序進(jìn)行信號(hào)處理并傳送信號(hào)，通過STC89C52單片機(jī)監(jiān)測居家環(huán)境的狀況，由溫濕度傳感模塊實(shí)時(shí)將相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩糁悄苁謾C(jī)中，這種基于單片機(jī)控制的智能家居監(jiān)測器設(shè)計(jì)與控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互和無線遠(yuǎn)程開關(guān)控制，用戶每發(fā)送一次控制指令，系統(tǒng)報(bào)警模塊就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)警報(bào)，由此保護(hù)監(jiān)測器的安全[3]。

1.2? 控制過程

串口按“位”來接收和發(fā)送字節(jié)就是“串口通信”，雖然串口通信要慢于并行通信，但是由于串口通信過程中的“串口”是一步的，所以只需要兩根線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中一根用來數(shù)據(jù)接收，另外一根則用來數(shù)據(jù)發(fā)送。同時(shí)，來自CPU的并行數(shù)據(jù)經(jīng)過串行接口，即可快速轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流，并將其實(shí)時(shí)發(fā)送出去。另外，串口通信模塊的功能是將系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收到的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符并供給CPU器件[4]。

2? 智能家居監(jiān)測器硬件模塊選型及功能設(shè)計(jì)

2.1? 主控單元

STC89C52單片機(jī)是一種CMOS8位的微型控制器，與傳統(tǒng)的STM32單片機(jī)相比，它具有“性能高”“功耗低”等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該單片機(jī)內(nèi)置有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4 kB EEPROM，4個(gè)外部中斷及MAX810復(fù)位電路，基于全雙工串行口作為本智能家居監(jiān)測器主控單元的串行通路。該模塊主要作用是負(fù)責(zé)采集藍(lán)牙終端與溫濕度監(jiān)測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)報(bào)警裝置與繼電裝置相關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理與分析，然后再將其發(fā)送給HC-05藍(lán)牙小程序[5]。

2.2? 藍(lán)牙模塊

HC-05藍(lán)牙模塊主要作用是實(shí)現(xiàn)STC89C52單片機(jī)與用戶手機(jī)之間的相關(guān)信息傳遞，在信息傳輸過程中，藍(lán)牙模塊首先需要對(duì)用戶實(shí)時(shí)發(fā)送的相關(guān)監(jiān)測控制指令進(jìn)行接收，然后基于HC-05模塊的TXD發(fā)送終端將系統(tǒng)接收的相關(guān)控制指令傳輸給STC89C52的RXD接收端，中間經(jīng)過主控單元模塊進(jìn)行信息處理之后，再由TXD發(fā)送終端將單片機(jī)的信息數(shù)據(jù)指令傳輸給RXD接收端，最終借助HC-05藍(lán)牙模塊將操控信息指令發(fā)送到用戶手機(jī)控制終端[6]。

2.3? 溫濕度數(shù)字傳感模塊

在溫濕度控制模塊，本系統(tǒng)內(nèi)置具有實(shí)時(shí)仿真和跟蹤功能的LPC2214微控器主控芯片，基于16/32位的ARM7TDMI內(nèi)核的ARM處理器，外接112個(gè)GPIO口與2個(gè)SPI串行外設(shè)接口，采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對(duì)家居環(huán)境的溫度和濕度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能監(jiān)測與控制。該傳感器是一款標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字信號(hào)傳感器，它相比于傳統(tǒng)的DS18B20傳感器而言，同時(shí)復(fù)合了溫度傳感器與濕度數(shù)字傳感器，因此既能測量溫度，又能監(jiān)測家居環(huán)境的濕度[7]。

2.4? 繼電器控制模塊

本監(jiān)測器所使用的繼電器模塊直流電壓可達(dá)5 V，其操作的環(huán)境溫度為-40°～85°，工作運(yùn)行的濕度環(huán)境為45%～85% RH，SRD-05VDC-SL-C繼電器模塊的實(shí)際開關(guān)容量為10 A左右。

2.5? 觸發(fā)報(bào)警模塊

觸發(fā)報(bào)警模塊是智能家居監(jiān)測器的發(fā)聲模塊，該模塊主要功能是對(duì)智能家居環(huán)境中的人和物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與記錄，比如實(shí)時(shí)追蹤和監(jiān)測室內(nèi)人體的行動(dòng)是否異常以及人體體征是否正常等，在智能監(jiān)測過程中，監(jiān)測裝置需要利用激光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)人的進(jìn)門或出門動(dòng)作，該傳感器由于是激光對(duì)射式傳感器，所以需要將其安裝于用戶的房間門口，一般兩對(duì)即可，沒對(duì)均包含1個(gè)接收部件和1個(gè)發(fā)射部件，通過傳感器進(jìn)行超聲波測距，監(jiān)測人體是否有跌倒的風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)報(bào)警送醫(yī)。同時(shí)，該報(bào)警模塊也是智能家居環(huán)境重要的安防模塊，它主要負(fù)責(zé)室內(nèi)房間的電、氣、火等使用狀態(tài)，以防觸電、煤氣中毒、火災(zāi)以及小偷侵入等，保證居家生活安全[8]。

2.6? 降壓穩(wěn)壓電路模塊

電源是智能監(jiān)測器工作運(yùn)行的動(dòng)力保障，只有當(dāng)監(jiān)測器處于正常的工作電壓之內(nèi)，才能可靠監(jiān)測，相反，如果電壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)，可能會(huì)降低監(jiān)測器工作穩(wěn)定性，所以結(jié)合目前市面上各類線性電源適配器，本系統(tǒng)充分考慮到穩(wěn)壓電路的優(yōu)點(diǎn)，最終選擇采用12 V 0.5 A AC/DC左右的電源給智能監(jiān)測器供電，經(jīng)過降壓穩(wěn)壓電路使電源實(shí)際電壓穩(wěn)定在5 V左右。該電源適配器體積小、功耗低、綠色環(huán)保，價(jià)格更加低廉，是智能家居的不二之選。

3? 智能家居監(jiān)測器軟件功能的實(shí)現(xiàn)

3.1? 主控單元的實(shí)現(xiàn)

晶振電路、強(qiáng)上拉電路及復(fù)位電路共同組成樂STC89C52單片機(jī)的主控單元部分，因此在主控單元功能實(shí)現(xiàn)過程中，需要按圖1所示要求將強(qiáng)上拉電路設(shè)計(jì)于P0口，從而使其保持高阻態(tài)的上拉電阻和高電平狀態(tài)。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，只有保證P0、P1、P2口都被占滿時(shí)，再考慮使用P3口。

3.2? 藍(lán)牙功能的實(shí)現(xiàn)

為了便于共地通信與串口通信，本系統(tǒng)在Wi-Fi模塊基礎(chǔ)上外接HC-05藍(lán)牙模塊，與STC89C5單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，既保證了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，又實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，通過給HC-05模塊設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗、低成本的4腳2.54 mm間距的插座，可與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)共地通信，也能為藍(lán)牙模塊供電，傳輸速率更快更穩(wěn)定，而且大大方便了用戶檢修與更換。

3.3? 數(shù)字溫濕度傳感

本系統(tǒng)配置的DHT11傳感器是一款外接型的數(shù)字溫濕度傳感器，其數(shù)據(jù)測量結(jié)果準(zhǔn)確，能夠針對(duì)系統(tǒng)輸出的溫度和濕度信號(hào)數(shù)字進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，同時(shí)本研究還設(shè)計(jì)了一個(gè)方便用戶更換與檢修的4腳2.54 mm的插座，通過上拉電路避免高du/dt的干擾，采用SDA數(shù)據(jù)傳輸引腳設(shè)計(jì)確保智能家居環(huán)境中的溫度與濕度數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

3.4? 繼電控制開與關(guān)

在繼電控制模塊實(shí)現(xiàn)過程中，選配松樂5 V繼電器，它能夠通過10 A的最大電流，電磁開關(guān)安全系數(shù)高，可針對(duì)弱電進(jìn)行強(qiáng)電控制，不會(huì)產(chǎn)生火花。但是，在繼電器工作過程中，通常需要較大的電流，所以本研究采用如圖2所示實(shí)現(xiàn)流程，基于三極管放大電路將繼電器電流放大至90～100倍，同時(shí)將一個(gè)續(xù)流二極管回路設(shè)計(jì)于繼電器一端，從而對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行開關(guān)控制，它具有關(guān)斷快、開通快的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，搭配了一個(gè)紅色的LED指示燈，讓用戶實(shí)時(shí)了解和掌握繼電保護(hù)裝置的工作狀態(tài)。

3.5? 無源蜂鳴器報(bào)警

智能家居監(jiān)測器報(bào)警模塊工作原理是無源蜂鳴器利用電磁感應(yīng)原理，通過P1.2口輸出低電平，將無源蜂鳴器觸發(fā)導(dǎo)通，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而為音圈接入交變電流后形成的電/永磁鐵相吸或斥來推動(dòng)振膜發(fā)聲，所以只有當(dāng)報(bào)警模塊接入直流電之后，并且當(dāng)無源蜂鳴器開關(guān)接通時(shí)才能持續(xù)推動(dòng)振膜發(fā)聲，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，仍需要將電流放大90～100倍，從而使無源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電流依靠三極管放大電路放大并輸出P1.2口方波信號(hào)。

3.6? 電源穩(wěn)壓

本智能家居監(jiān)測器電源穩(wěn)壓模塊主要由三極穩(wěn)壓電路、紅色的電源指示燈以及6腳電源自鎖開關(guān)、DC2.0電源接口幾個(gè)部分組成，在電源穩(wěn)壓時(shí)，首先需要通過LM7805將12 V的直流電壓降低為5 V，本研究以三極管為核心，基于三極管b/e極導(dǎo)通壓降為0.7 V的原理，利用穩(wěn)壓管設(shè)計(jì)了低成本的三極管穩(wěn)壓電路，當(dāng)實(shí)時(shí)電壓達(dá)到5.6 V才能使整個(gè)電壓模塊實(shí)現(xiàn)完全導(dǎo)通，由此保證穩(wěn)壓電路的使用安全性。

4? 結(jié)? 論

在實(shí)現(xiàn)上述全部軟硬件基本功能之后，本研究還需針對(duì)本智能家居監(jiān)測器進(jìn)行運(yùn)行穩(wěn)定性測試，在測試環(huán)節(jié)，本研究采用了低電平觸發(fā)的無源蜂鳴器、最小核心板的繼電器和STC89S C52單片機(jī)，搭載5 V穩(wěn)壓電源模塊及帶上拉電阻的HC-05藍(lán)牙、DHT11溫濕度傳感器。

經(jīng)過在實(shí)物測試環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)行測試，經(jīng)多次試驗(yàn)后，本系統(tǒng)溫濕度傳感器的控制精度為±0.25，通信最遠(yuǎn)距離為20.6 m，當(dāng)家居室內(nèi)的溫度和濕度達(dá)到用戶設(shè)定的最高閾值時(shí)，監(jiān)測器自動(dòng)通過繼電保護(hù)裝置將設(shè)備關(guān)斷，同時(shí)無源蜂鳴器發(fā)出警報(bào)信號(hào)，提醒用戶防火防災(zāi)，理論及試驗(yàn)測試結(jié)果均證明了該智能家居監(jiān)測器工作運(yùn)行可靠、穩(wěn)定、安全與經(jīng)濟(jì)，可保證室內(nèi)相關(guān)智能家居設(shè)備安全。

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作者簡介：王靜（1983.01—），女，漢族，陜西漢中人，講師，本科，研究方向：電子技術(shù)。