基于物联网技术的智能家居控制系统与详细的软硬件架构

基于物联网技术的智能家居控制系统与详细的软硬件架构一、项目概述1.1引言21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。你是否想一踏入家门就是一个光照度和温湿度舒适的环境，你是否在外边担心家里的安全，你是否想遥在外边想通过一个简单的电话就能控制家里的电器等。本文介绍的数字化家居控制系统可以使得人们可以通过手机或电话在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……；而这一切的实现都仅仅是打一个简单的电话。该系统除了具有手机远程控制功能后，还能通过自身的传感器模块感知外界环境的具体情况，并会根据实际情况进行适当的调整。在阴暗的天气里，它会自动打开灯，并调整灯的亮度，在阳光充足的天气里，它会自动关闭灯，或者将灯光调暗，并且与百叶窗配合来控制家里的光照度，由于本项目采用的是亮度可调的LED灯，所以对于节能和环保都有很大的意义。此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监控等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居控制系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。实现智能化离不开运算和控制单元，本系统采用AT32UC3A0512作为主控器件，单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。本设计的MCU与各个芯片和模块的接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以后的产品化提供了良好的基础。本系统的手机远程控制是基于电话交换网络的国际双音频通信标准DTMF通信方式，程控交换信令作为系统控制命令，采用MT8870双音频编解码电路实现，单片机通过MT8870识别来自手机的网络的控制信号，用户只需拨通家中的控制手机就可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别、远程控制和安防操作；各种传感器的检测是利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机进行数据处理，实现实时测控；短消息发送部分采用基于SIEMENSTC35GSM模块TC35modem和TI公司的电平转换芯片MAX3238等器件构成的移动终端的硬件电路可以完成短消息收发等功能。在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和MCU进行连接，再经过MCU进行数据处理，实现实时测控。而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。此次系统设计统正是把MT8870、TC35modem与AT32UC3A0512单片机有机的结合起来，顺利的完成了本设计的要求。并且实现了学习型远程红外遥控功能，为控制红外家电和设备提供了良好的基础。本系统也可应用于工农业中,实现对无人值守岗位的远程监控等。1.2项目背景/选题动机21世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。自从1876年，AlexanderGrahamBell（贝尔）发明电话以来，世界各国的电话网络发展非常迅速，近十年来，中国的固定电话业务呈现出举世瞩目的快速增长。1997年8月局用电话交换机总容量突破1亿门，网络规模跃居世界第二位，2006年初固定电话用户总数达到35539.2万户，移动电话用户达到40407.2万户，现代电话网络是由程控交换机进行交换传输，移动通信也从模拟时代走向了高度数字化时代，它们的性能已经有了很大的进展，而且可靠性非常高。正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。手机远程控制作为一较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性，不需进行专门的布线。同时，由于手机各地联网，可以充分利用现有的手机网，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。另外手机属双工通信手段。因此，这可以大大体现出利用手机进行遥控的更大优越性。操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。手机遥控部分课题目前已有涉足者，但是只是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完全体现出手机遥控方式的双工通信特点。本设计正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。短信息服务（ShortMessageService，SMS）是GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）系统中提供的一种GSM终端（手机）之间，通过服务中心(servicecenter)进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完成信息的存储和转发功能。短信息服务作为GSM网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。由于GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。同时，他对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及。利用GSM短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。在此以GSM网络作为数据无线传输网络，它可以应用在银行、储蓄点机房监控、电信机房动力环境监控、通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护（如移动通信基站、微波站、光纤中继站等）及其他无人值守点（如仓库、办公楼等）监控及城市公用事业实时监控维护系统像煤气调压站、自来水、污水管网和热力系统、电力系统城市中电网等情况中。在此本系统采用了Siemens公司新一代无线通信GSM模块TC35是，它设计小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系统的设计。另外本系统应用了当前最热门的物联网技术，在智能家居的终端控制设备和相应的节点上采用无线技术，准备应用zigbee或者rf模块来达到无线化的理想家居环境。另外，智能楼宇在当今也算是一个比较新兴的市场，国务院在十二五中就提到了物联网，也提到了智能家居的发展方向以及重点公关，相信智能家居和物联网等相关技术会在未来十年内得到很大的发展。而且，在中国，智能家居的发展时间虽不长，但是从国内家电巨头及网络巨子的纷纷出手试水智能家居市场以及许多国际大企业对国内智能家居厂家并购案可以看出，中国智能家居市场潜在着巨大商机。全国房地产业蓬勃发展，小区智能化已成为一项基本要求，再配上智能家居，“全智能”的概念必然给房地产业带来新的卖点和活力，因此“全智能”是二十一世纪房产开发商力推的主题，这也意味着，我国智能家居产业迎来发展契机。中国富有阶层正在形成，该部分家庭户均年收入在5.6万元以上，人口约4460万人，1400多万户，占城市人口的10%，总人口的3.5%，占全社会消费购买力总和6万亿元的17%左右，因此主要针对这部分人的智能家居系统其市场总量为1400万套。正是在这种情况下，近两年来，智能家居系统的销售数量和总销售额都呈现连续攀升的势头，智能家居市场从南方沿海地区和内地大中型城市已经辐射到西部地区。我国2009年智能家居市场规模达到420亿元，由于一系列向好因素的刺激作用，之后几年市场规模增速将超过20%，2015年预计将达到1240亿元。本项目正是居于此市场因素的考虑下，逐手组建智能家居终端控制系统的，因此具有较大的市场前景。二、需求分析2.1功能要求1.根据当前的环境温湿度和光照度与预先设置的温湿度和光照度，自动通过调整百叶窗，PWM控制的LED日光灯，空调和加湿器来对屋内环境进行调整，使得整体的环境达到最适宜状态。2.可以通过手机远程控制家里的电器，用手机控制时候，通过语音芯片先前录好的音，语音提示输入密码，输入密码正确后，会播放事前设置好的语音命令，例如空调请按1，电视请按2等，然后按进入以后会有相关的关闭和开启提示，按下相应的按键将可以控制家里的电器。3.能实现简单的防盗和报警功能，并能采取简单的处理，例如家里煤气泄漏时候，能够自动检测到，并且打开抽气机，并通过短信及时的报告屋主。能够防止外来人入侵，实现热释电等来人检测等。4.能手动控制家里的LED灯光的亮暗程度，可以通过PWM来控制整体的灯，实现节能和减排，这也符合当今时代倡导的环保。5.在电脑端能够实现简单的控制和检测功能，可以通过远程网络节点对该设备进行操作。图1系统架构2.2性能要求1.该系统能够预留未来可能需要用到的电器的接口2.该手机远程控制器能够方便使用和防止误操作，能够识别密码和振铃信号，只有输入密码正确的条件下才能对电器和系统控制。可以对密码进行修改，但修改必须经过特殊手段，例如在控制台端设置自锁开关，如果要修改密码，必须将该开关闭合，修改后，必须将该开关断开才能正常工作。3.该系统能够满足家庭用电安全，要求LED灯能够进行手动调节亮度，另外要求该系统在设备不用时候能够关闭设备，防止耗电。4.利用热释电等系统，能够实现代替门铃等和部分防盗功能，要求有两种模式，家里有人和家里无人模式，门磁开关也一样。三、方案设计3.1系统功能实现原理本文利用AT32UC3A0512、MT8870、TC35modem和各类家居传感器来实现相应的功能。智能家居控制系统其硬件部分主要由五大部分构成，即手机远程控制部分、控制单元、传感器数据采集系统、GSM模块TC35modem与接口和电源部分。手机远程控制部分主要由MT8870和电压检测元件组成，它是系统中控制部分关键的元件，它与控制单元组成控制部分功能；传感器数据采集系统、GSM模块TC35modem和控制单元完成报警等信号的处理和发送；电源部分则为各个部分提供工作电源。3.1.1系统硬件结构框图系统硬件结构框图3.1.2远程控制设计与分析系统控制器由MT8870接收远端发送来的DTMF信号、并对其进行解码，解码后的信号由中央处理单元采集处理。为了方便用户使用，系统设计了语音提示界面。手机远程控制系统一般工作在无人值守环境，所以应具有自动离线、上线、复位功能。为了符合智能化要求，系统采用AT32UC3A0512作为中央处理器。同时，电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。系统组成框图如图2.2-1示。由图可知，系统主要由振铃检测电路、模拟摘挂机电路、DTMF音频解码电路、语音提示电路、中央处理单元（AT32UC3A0512）、控制电路、电源电路等组成。图2.2-1远程控制系统图3.2-3双音频解码MT8870电路图3.2-4语言录放电路控制器通过手机耳机端口来实现相关的控制。3.1.3传感器信号采集设计与分析1.防火