基于手機(jī)遠(yuǎn)程遙控和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)

1.1 引言

21世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動(dòng)了人類文明的巨大進(jìn)步。你是否想一踏入家門就是一個(gè)光照度和溫濕度舒適的環(huán)境，你是否在外邊擔(dān)心家里的安全，你是否想遙在外邊想通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電話就能控制家里的電器等。本文介紹的數(shù)字化家居控制系統(tǒng)可以使得人們可以通過(guò)手機(jī)或電話在任何時(shí)候、任意地點(diǎn)對(duì)家中的任意電器（空調(diào)、熱水器、電飯煲、燈光、音響、DVD錄像機(jī)）進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；也可以在下班途中，預(yù)先將家中的空調(diào)打開(kāi)、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯……；而這一切的實(shí)現(xiàn)都僅僅是打一個(gè)簡(jiǎn)單的電話。該系統(tǒng)除了具有手機(jī)遠(yuǎn)程控制功能后，還能通過(guò)自身的傳感器模塊感知外界環(huán)境的具體情況，并會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在陰暗的天氣里，它會(huì)自動(dòng)打開(kāi)燈，并調(diào)整燈的亮度，在陽(yáng)光充足的天氣里，它會(huì)自動(dòng)關(guān)閉燈，或者將燈光調(diào)暗，并且與百葉窗配合來(lái)控制家里的光照度，由于本項(xiàng)目采用的是亮度可調(diào)的LED燈，所以對(duì)于節(jié)能和環(huán)保都有很大的意義。此外，該系統(tǒng)還可使家庭具有多途徑報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種功能，如果不幸出現(xiàn)某種險(xiǎn)情，您和110可以在第一時(shí)間獲得通知以便進(jìn)一步采取行動(dòng)。舒適、時(shí)尚的家居生活是社會(huì)進(jìn)步的標(biāo)志，智能家居控制系統(tǒng)能夠在不改變家中任何家電的情況下，對(duì)家里的電器、燈光、電源、家庭環(huán)境進(jìn)行方便地控制，使人們盡享高科技帶來(lái)的簡(jiǎn)便而時(shí)尚的現(xiàn)代生活。

實(shí)現(xiàn)智能化離不開(kāi)運(yùn)算和控制單元，本系統(tǒng)采用AT32UC3A0512作為主控器件，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件由單片機(jī)擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入/出設(shè)備以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件組成；軟件由單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組成。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)，以提高工作效率，當(dāng)系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，就可以組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本課題完成了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)其開(kāi)發(fā)過(guò)程的系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，根據(jù)開(kāi)發(fā)的實(shí)際需要，相互協(xié)調(diào)、交叉，有機(jī)的進(jìn)行。本設(shè)計(jì)的MCU與各個(gè)芯片和模塊的接口、各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格遵循國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為以后的產(chǎn)品化提供了良好的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)的手機(jī)遠(yuǎn)程控制是基于電話交換網(wǎng)絡(luò)的國(guó)際雙音頻通信標(biāo)準(zhǔn)DTMF通信方式，程控交換信令作為系統(tǒng)控制命令，采用MT8870雙音頻編解碼電路實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)通過(guò)MT8870識(shí)別來(lái)自手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)的控制信號(hào)，用戶只需撥通家中的控制手機(jī)就可以根據(jù)系統(tǒng)的語(yǔ)音提示進(jìn)行按鍵選擇以實(shí)現(xiàn)用戶身份的識(shí)別、遠(yuǎn)程控制和安防操作；各種傳感器的檢測(cè)是利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測(cè)量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)控；短消息發(fā)送部分采用基于SIEMENS TC35 GSM模塊TC35 modem 和TI公司的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3238等器件構(gòu)成的移動(dòng)終端的硬件電路可以完成短消息收發(fā)等功能。

在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，面對(duì)各種檢測(cè)對(duì)象和大量控制單元，需要利用各種接口標(biāo)準(zhǔn)和MCU進(jìn)行連接，再經(jīng)過(guò)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)控。而此時(shí)采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)不僅具有采集控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采各模塊和芯片的協(xié)調(diào)性，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)正是把MT8870、TC35 modem與AT32UC3A0512單片機(jī)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，順利的完成了本設(shè)計(jì)的要求。并且實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)型遠(yuǎn)程紅外遙控功能，為控制紅外家電和設(shè)備提供了良好的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)也可應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人值守崗位的遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

21世紀(jì)是信息時(shí)代，各種電信新技術(shù)推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步。自從1876年，Alexander Graham Bell（貝爾）發(fā)明電話以來(lái)，世界各國(guó)的電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常迅速，近十年來(lái)，中國(guó)的固定電話業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出舉世矚目的快速增長(zhǎng)。1997年8月局用電話交換機(jī)總?cè)萘客黄?億門，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模躍居世界第二位，2006年初固定電話用戶總數(shù)達(dá)到35539.2萬(wàn)戶，移動(dòng)電話用戶達(dá)到40407.2萬(wàn)戶，現(xiàn)代電話網(wǎng)絡(luò)是由程控交換機(jī)進(jìn)行交換傳輸，移動(dòng)通信也從模擬時(shí)代走向了高度數(shù)字化時(shí)代，它們的性能已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，而且可靠性非常高。

正是因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實(shí)現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化也正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括通信、設(shè)備自動(dòng)控制、安全防范三個(gè)方面。

隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來(lái)越大，功能也越來(lái)越強(qiáng)，各種傳感器都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化這給智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供極大方便。

手機(jī)遠(yuǎn)程控制作為一較新的課題與常規(guī)的遙控方式相比，顯示出一定的優(yōu)越性，不需進(jìn)行專門的布線。同時(shí)，由于手機(jī)各地聯(lián)網(wǎng)，可以充分利用現(xiàn)有的手機(jī)網(wǎng)，因此遙控距離可跨省市，甚至跨越國(guó)家。另外手機(jī)屬雙工通信手段。因此，這可以大大體現(xiàn)出利用手機(jī)進(jìn)行遙控的更大優(yōu)越性。操作者可以通過(guò)各種提示音即時(shí)了解受控對(duì)象的有關(guān)信息，從而進(jìn)行進(jìn)一步的操作。手機(jī)遙控部分課題目前已有涉足者，但是只是還只限于實(shí)驗(yàn)室階段，因而距離實(shí)際應(yīng)用，尤其是對(duì)于日常生活尚有一定的差距，并不能完全體現(xiàn)出手機(jī)遙控方式的雙工通信特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)正是針對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了較大改進(jìn)，采取單片機(jī)智能控制，利用不同的提示音達(dá)到對(duì)于不同操作的提示及對(duì)受控方狀態(tài)的信息反饋，從而使操作者能夠及時(shí)了解受控方信息，使產(chǎn)品達(dá)到交互式與智能化。

短信息服務(wù)（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Comm unication）系統(tǒng)中提供的一種GSM終端（手機(jī)）之間，通過(guò)服務(wù)中心(service center)進(jìn)行文本信息收發(fā)的應(yīng)用服務(wù)，其中服務(wù)中心完成信息的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能。短信息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，已得到越來(lái)越多的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來(lái)。由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，用戶無(wú)需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時(shí)為客戶節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，他對(duì)用戶的數(shù)量也沒(méi)有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大、維護(hù)費(fèi)用高、且網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。比傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，加上GSM的SMS本身具備的數(shù)據(jù)傳送功能，都使得這些應(yīng)用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺(tái)。在此以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，它可以應(yīng)用在銀行、儲(chǔ)蓄點(diǎn)機(jī)房監(jiān)控、電信機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控、通信行業(yè)遠(yuǎn)端無(wú)人值守站機(jī)房監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)（如移動(dòng)通信基站、微波站、光纖中繼站等）及其他無(wú)人值守點(diǎn)（如倉(cāng)庫(kù)、辦公樓等）監(jiān)控及城市公用事業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)像煤氣調(diào)壓站、自來(lái)水、污水管網(wǎng)和熱力系統(tǒng) 、電力系統(tǒng)城市中電網(wǎng)等情況中。在此本系統(tǒng)采用了Siemens公司新一代無(wú)線通信GSM模塊TC35是，它設(shè)計(jì)小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

另外本系統(tǒng)應(yīng)用了當(dāng)前最熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在智能家居的終端控制設(shè)備和相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上采用無(wú)線技術(shù)，準(zhǔn)備應(yīng)用zigbee或者rf模塊來(lái)達(dá)到無(wú)線化的理想家居環(huán)境。另外，智能樓宇在當(dāng)今也算是一個(gè)比較新興的市場(chǎng)，國(guó)務(wù)院在十二五中就提到了物聯(lián)網(wǎng)，也提到了智能家居的發(fā)展方向以及重點(diǎn)公關(guān)，相信智能家居和物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)會(huì)在未來(lái)十年內(nèi)得到很大的發(fā)展。

而且，在中國(guó)，智能家居的發(fā)展時(shí)間雖不長(zhǎng)，但是從國(guó)內(nèi)家電巨頭及網(wǎng)絡(luò)巨子的紛紛出手試水智能家居市場(chǎng)以及許多國(guó)際大企業(yè)對(duì)國(guó)內(nèi)智能家居廠家并購(gòu)案可以看出，中國(guó)智能家居市場(chǎng)潛在著巨大商機(jī)。全國(guó)房地產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，小區(qū)智能化已成為一項(xiàng)基本要求，再配上智能家居，“全智能”的概念必然給房地產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的賣點(diǎn)和活力，因此“全智能”是二十一世紀(jì)房產(chǎn)開(kāi)發(fā)商力推的主題，這也意味著，我國(guó)智能家居產(chǎn)業(yè)迎來(lái)發(fā)展契機(jī)。

中國(guó)富有階層正在形成，該部分家庭戶均年收入在5.6萬(wàn)元以上，人口約4460萬(wàn)人，1400多萬(wàn)戶，占城市人口的10%，總?cè)丝诘?.5%，占全社會(huì)消費(fèi)購(gòu)買力總和6萬(wàn)億元的17%左右，因此主要針對(duì)這部分人的智能家居系統(tǒng)其市場(chǎng)總量為1400萬(wàn)套。正是在這種情況下，近兩年來(lái)，智能家居系統(tǒng)的銷售數(shù)量和總銷售額都呈現(xiàn)連續(xù)攀升的勢(shì)頭，智能家居市場(chǎng)從南方沿海地區(qū)和內(nèi)地大中型城市已經(jīng)輻射到西部地區(qū)。我國(guó)2009年智能家居市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到420億元，由于一系列向好因素的刺激作用，之后幾年市場(chǎng)規(guī)模增速將超過(guò)20%，2015年預(yù)計(jì)將達(dá)到1240億元。本項(xiàng)目正是居于此市場(chǎng)因素的考慮下，逐手組建智能家居終端控制系統(tǒng)的，因此具有較大的市場(chǎng)前景。

二、需求分析

2.1 功能要求

1.根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境溫濕度和光照度與預(yù)先設(shè)置的溫濕度和光照度，自動(dòng)通過(guò)調(diào)整百葉窗，PWM控制的LED日光燈，空調(diào)和加濕器來(lái)對(duì)屋內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，使得整體的環(huán)境達(dá)到最適宜狀態(tài)。

2.可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制家里的電器，用手機(jī)控制時(shí)候，通過(guò)語(yǔ)音芯片先前錄好的音，語(yǔ)音提示輸入密碼，輸入密碼正確后，會(huì)播放事前設(shè)置好的語(yǔ)音命令，例如空調(diào)請(qǐng)按1，電視請(qǐng)按2等，然后按進(jìn)入以后會(huì)有相關(guān)的關(guān)閉和開(kāi)啟提示，按下相應(yīng)的按鍵將可以控制家里的電器。

3.能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的防盜和報(bào)警功能，并能采取簡(jiǎn)單的處理，例如家里煤氣泄漏時(shí)候，能夠自動(dòng)檢測(cè)到，并且打開(kāi)抽氣機(jī)，并通過(guò)短信及時(shí)的報(bào)告屋主。能夠防止外來(lái)人入侵，實(shí)現(xiàn)熱釋電等來(lái)人檢測(cè)等。

4.能手動(dòng)控制家里的LED燈光的亮暗程度，可以通過(guò)PWM來(lái)控制整體的燈，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排，這也符合當(dāng)今時(shí)代倡導(dǎo)的環(huán)保。

5.在電腦端能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的控制和檢測(cè)功能，可以通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行操作。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

1.該系統(tǒng)能夠預(yù)留未來(lái)可能需要用到的電器的接口

2.該手機(jī)遠(yuǎn)程控制器能夠方便使用和防止誤操作，能夠識(shí)別密碼和振鈴信號(hào)，只有輸入密碼正確的條件下才能對(duì)電器和系統(tǒng)控制?？梢詫?duì)密碼進(jìn)行修改，但修改必須經(jīng)過(guò)特殊手段，例如在控制臺(tái)端設(shè)置自鎖開(kāi)關(guān)，如果要修改密碼，必須將該開(kāi)關(guān)閉合，修改后，必須將該開(kāi)關(guān)斷開(kāi)才能正常工作。