基于单片机的智能家居控制系统设计
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作者:马潇宇
摘要：智能家居是一门新兴的交叉学科，在世界范围内得到了蓬勃发展，已成为21世纪建筑业发展的主流。智能家居作为现代化生活的标志之一，也是社会智能化、信息化发展的重要环节。单片机由于其技术与性能优势，被广泛应用于各个领域，其中就包括智能家居产业。该文基于系统集成原理、网络技术与电子信息技术，提出一种智能家居控制系统的设计方案，设计了以单片机为核心的系统，搭建主机一子系统模型，通过总线对控制终端进行管理和控制，并进行过程、自动控制和调节。
关键词：单片机;智能家居;控制;系统;模块
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）06-0239-02
1概述
智能家居作为现代化生活的标志之一，也是社会生产以及生活实现智能化、信息化发展的重要环节。在当今的技术时代，智能家居自动化系统的发展具有巨大的潜力。智能家居集成了先进的自动化系统，使居住者能够对居住环境进行精密监控。智能家居系统采用不同类型的传感器来检测环境，并使用最新的通信和联网方法来控制各类家用电器。本文基于现有智能家居技术设计和实现情况，本方便操作、增强功能、贴近生活的设计理念，提出一种智能家居控制系统的设计方案。该系统拟采用STC89C52单片机为核心的控制终端，集合多源控制技术，并通过居家安全、家庭应用、家庭抄表三个子系统功能应用的契合，很好地实现家庭生活的智能化、信息化、现代化。同时，设计针对硬件和软件部分的具体实现，在系统的基础上搭建了一个良好的功能环境，以完成对系统的测试。
2研究背景
2.1智能家居的概念
智能家居是指在家庭管理中使用信息通信技术，实现对家用电器、电子设备的控制以及一系列居家功能，如温度、湿度、照明等的自动化调控。智能家居的一个关键要素是智能电力调度算法的使用，它将为居民提供对如何用电进行优化、先验选择的能力，从而降低能耗。另一个方面是家电设备的自动化运行。智能家居控制系统基于微型控制器来集成住宅的各种家庭自动化系统，利用软硬件设施智能控制居家环境中的各类家用电器以及电子设备。
智能家居系统的发展并不是独立于社会、科技发展之外的产物，其概念最初是由美国房屋建筑商协会在1984年提出。科学技术的发展是由社会内部的趋势所决定的。开发智能家居系统技术的目的是实现改善家庭的生活方式的目的，满足居住着对于掌握、监控家庭生活信息并相应地预设各种活动行为的基本要求。
智能家居以住宅房间为空间范围，通过控制系统实现环境条件的自我调节，从而使居住者感到舒适。智能家居可以是简单的电器遥控，也可以是更复杂的功能集合，例如通过iOS或Android手机操作系统下的语音、人像、手势识别应用，对房屋内部进行监控，通过网络对家用电器、电子设备发出指令等。
2.2智能家居控制系统及其功能
智能家居分为本地控制和远程控制两种类型。就地控制是通过网络交换机直接对灯具等电器进行智能控制。遥控器是利用遥控器、定时控制器、中央控制器或电话、计算机等实现各种遥控。智能家居系统的使用群体将要求产品功能更加强大、智能化、易用化，设计更加人性化、合理化，同時还要考虑设备本身能否升级等诸多因素。在智能化发展趋向“以人为本”的同时，各种家具产品也随之应运而生。比如从淋浴房到多功能蒸汽房，以及按摩浴缸装载的各种人性化设计和辅助娱乐装置，都充分体现了现代智能家居以人为本的理念。未来，智能家居市场将进入行业整合阶段，从产品的角度来看，智能家居产品将朝着实用化、易操作、模块化的方向发展。
3系统总体设计方案
3.1设计思路
智能家居控制系统通过各种外接设备从外部采集数据，然后将采集到的数据发送到以单片机体系结构为核心的系统进行处理和计算。单片机处理器系统是目前应用最为广泛的嵌入式系统处理器之一，具有体积小、功耗低、成本低、性能高的特点，支持THUMB（16位）指令集，与8/16设备兼容。其使用了大量的寄存器，因此指令的执行速度更快，而且大部分的数据操作都是在寄存器中完成的。其寻址方式简单、灵活，指令长度固定，因此实现效率更高，处理能力大大超过微控制器。通过RS485总线对控制终端进行管理和控制，并对过程进行自动控制和调节。系统处理后的数据通过RS232串行通信及时发送到CM模块，CM模块发送和接收信号，为外部提供网络接口，实现家庭内部网络和外部网络的连接。并且用户可以通过互联网等方式接人家庭内部网络，并实现远程监控。该系统具有液晶显示屏和键盘，具有良好的人机界面和用户友好的本地控制，系统的任务也可以通过键盘设置;系统具有丰富的功能扩展接口，通过这些扩展接口还可以实现家电控制、安防和智能磁共振成像等应用。
3.2系统设备
3.2.1受控设备
受控设备是指其操作由外部设备、装置或机制调节的设备，可以是更大和复杂的系统的一部分。受控设备包括一系列智能家居控制系统控制的设备，包括音频/视频和照明设备、暖通空调（采暖、通风和空调）、安全系统等。
3.2.2传感设备
由计算机控制的设备不断监测电子设备的运行状况。在传感器的帮助下，有关家居环境的信息可以发送到控制器，以便根据居住者的需要或者系统设定值进行调整。智能家居控制系统下实现的调控，比任何机械系统更快、更准确。温度、压力、速度和位置等物理因素通过传感器转换成数字或模拟电信号，进而被转换成数据，最终通过显示设备显示。居住者则可以根据数据信息做出居家环境方面诸如温湿度、照明度、通风量等方面的调节，或设置调整参数，由系统在一定时间内根据预设值自动完成调节。
3.2.3 I/O接口设备
控制器和受控设备需要进行逻辑通信，其通信链路由自动化系统中的输入/输出，即I/O接口设备提供。I/O接口设备是使各种设备在物理和逻辑上与系统结构兼容的手段。智能家居控制系统大多数的设备都是基于内置的工业标准控制接口，如红外或串行接口，甚至两者兼而有之。大多数I/O接口设备提供从控制器到被控制设备的单向通信，但也有一些类型（如RS-232接口）允许双向通信。 3.2.4控制器
控制器时系统本身或系统外部的元件，实现对系统运行过程的调节与控制。“控制器”作为一个术语，适用于描述控制特定设备或过程的离散设备。任何能够发送被控制设备理解的命令的智能设备都可以称为控制器。用户输入、传感器输入、定时器、控制程序或它们的某些组合所产生的数据由控制器保存在家庭自动化系统中。要获取用户输人，系统必须具有一个或多个用户界面。
3.2.5用户界面
用户界面（userInterface，简称uI），是用户和控制系统之间的连接面。用户界面可以是一组命令或菜单，用户和控制系统之间通过这些命令或菜单进行通信。在智能家居控制系统中，有多种选项可以实现系统控制、单个或多个设备运行控制等。从硬件上来讲，用户界面可以一种基本的机械设备或装置，例如电源开关、麦克风、扬声器等，用来控制家用电器。而在网络环境中，用户界面可以是基于计算机的远程连接系统。
3.2.6系统网络
智能家居控制系统的网络包括所有控制器、传感器、电线和电缆、射频和红外（红外）链路、适配器、连接器、接线盒、调光器、镇流器和连接各种系统组件的电源等。对构建智能家居控制系统所需的硬件、电子和通信接口形式进行标准化是其基本原则之一。一些标准采用附加通信和控制布线，一些嵌入信号在现有的电源电路中，有的采用射频fRF）信号，有的可以无线安装，有的采用几种方法的组合。
3.2.7编程计算机
可编程计算机或可编程逻辑控制器（PLC）是一种用于智能家居控制系统的电子设备，通过模拟/数字数据输入，输出终端控制一个或多个系统组。整个系统的控制由一系列固有的功能来维持，这些功能包括计时、计数、数据处理、比较、排序和传输以及算术和逻辑运算。部分智能家居控制系统允许用户使用系统自带的用户界面对系统进行编程。
其他系统需要使用单独的计算机（通常是Pc）对系统控制器进行编程。然而，一些系统可能允许使用其自己的用户界面对某些功能进行编程，但用户根据需要对更高级的功能进行编程或更改某些基本操作参数时，则需要单独的计算机。
4硬件设计
4.1最小系统模块
本设计采用STC89C52RC微控制器为最小系统模块。STC89C52RC为一款8位单芯片微控制器，其指令集与工业标准8051系列微控制器完全兼容，并内嵌64Kb闪存供调用应用程序时使用，并与系统编程代码共享。系统编程与应用编程支持用户升级系统程序与数据。系统编程允许用户在下载新代码时无须将微控制器从终端产品中移除;应用编程允许设备在程序运行时在闪存中写人永久数据。闪存技术让微控制器的应用范围更广，能更好地集成多种功能应用模块。
4.2串口模块
串口模块采用MAX232芯片。该芯片为一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5v电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。当用单片机和PC机通过串口进行通信时，单片机输出并接收TFL信号电平，而Pc只输出并接收RS232电平，这样就需要通过MAX232芯片進行电平互换。
4.3湿度传感器模块
湿度采集选用THIOOHUM湿度传感器，其特点如下：（1）与微处理器连接只需一条口线即可实现双向通信;（2）测量湿度范围为0%至100%，湿度分辨率为0.5%，适合家居环境使用;（3）支持多点组网功能，一个处理器上最多可以并联八个传感器，实现多点测量。但如果并联数量过多，会使电源电压过低，造成信号传输不稳定;（4）功耗低，电源要求为3～5WDC;（5）不需要使用任何外部组件;（6）测量结果以9到12位数字串行传输。嘲
4.4串口转以太网模块
串口转以太网模块集成10/100M自适应以太网接口，串口通信最高波特率高达1.152Mbps，具有TCP Client/Server、UDP工作模式，可通过软件配置、AT命令配置和网页配置。
5结束语
智能家居作为已经成为社会生产生活智能化、信息化发展的重要组成部分，舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，单片机在智能家居控制系统中的应用可见一斑。智能家居控制系统集成多种家电功能，使家居电器的轻松操控变为现实，让人们享受高科技带来的简约时尚的现代生活。本文设计的基于单片机的智能家居控制系统，针对硬件部分的具体实现，在系统模块的基础上搭建了一个良好的应用环境，完成对系统功能的实现，以期对我国智能家居控制系统的开发研究有所帮助。
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