基于GSM网络的智能家居控制系统设计

郑 谭， 马铁华，张 涛

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；3.华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045)



基于GSM网络的智能家居控制系统设计

郑 谭1,2， 马铁华1,2，张 涛3

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；3.华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045)

为了有效并及时地获取家用电器运行的情况，基于通信技术和控制理论，提出了一种使用AVR单片机作为主控制器，并利用GSM网络的智能家居控制系统.该系统采用Atmega128为主控芯片，实现了一个主控模块对多个执行模块的控制；利用多种传感器对家用电器的运行状态进行监测和控制；并通过TC35模块进行信息远程传输，从而达到对家用电器的远程控制和安防监测报警的目的.系统性能稳定，成本低，安装方便，具有很好的发展前景.

智能家居；AVR单片机；GSM网络

为进一步提高智能家居的安全和便捷性，笔者提出了一种使用AVR单片机作为主控制器，并利用GSM网络的智能家居控制系统的方案，实现了对家用电器的远程控制和安防监测报警的目的.

1 系统需要实现的功能

智能家居控制系统[2-4]主要需实现以下3个方面的功能.

1)安防监控.实现对非法闯入和火灾的报警.通过人体热释红外传感器监测家中是否有人活动，在设定无人活动的时间内如果有人活动，控制器就会发出警报，并通过GSM手机短信将信息发送至用户手机.火灾报警是通过可燃气体传感器以及烟雾传感器进行监测，当可燃气体发生泄漏或者烟雾浓度达到设定的阈值时，控制器就会向用户手机发送手机短信，并切断房间中的总电源开关.

2)家电控制.对电视、空调、冰箱、饮水机、电饭煲、热水器、灯光照明、电动窗帘等接入系统的所有家电进行智能控制.用户在家的时候可以使用遥控器控制家中所有电器，不在家的时候，则可以通过手机短信发送固定的指令控制家中电器的工作状态，同时可以通过手机短信对电器的工作状态进行远程查询.

3)远程通信.采用西门子公司的TC35工业用GSM模块[5]，完成控制器与用户手机之间的短信通信，用户可以通过手机短信控制及查询家中电器的工作状态，安防系统可以通过GSM网络向用户手机发送安放数据及报警情况.

2 系统的设计方案

智能家居控制系统是基于8位AVR单片机的控制平台，具有低功耗、高运算速度以及低成本的优点.

2.1 整体系统架构

智能家居控制系统采用模块化设计，由主控模块和执行模块构成，主控模块[6]以Atmega128为主控芯片，包含GSM通信单元、主从机无线通信单元、红外接收和红外转发单元、人体热释红外传感器、烟雾浓度传感器、可燃气体传感器、温湿度传感器、光强传感器以及液晶显示器和键盘等组成，实现智能家居的安防监控、远程通信以及人机交换等功能.执行模块以Atmega8L为主控芯片，包含双值输出单元、三值输出单元以及光输出单元，实现对家中用电器的有效控制.执行模块与主控模块之间通过2.4 GHz无线通信单元，使整个系统结合在一起.

2.2 主控模块设计

主控模块处理各种传感器的监控数据，接收和发送用户手机短信，向各个执行模块发送控制指令，通过红外发射器件控制遥控家电，如图1所示.

图1 主控模块结构框图

可燃气检测使用MQ2可燃气体传感器，内部处理电路采用惠斯通电桥，电桥输出的电压为0～50 mV.放大电路采用ADI公司的经济型运放AD8542进行信号放大，第一级为电压跟随电路，提高输入阻抗，后级放大电路放大100倍.经过实际测量，放大电路的性能数据见表1.

表1 放大电路性能指标

输入15 mV电压，输出时变为16.3 mV，误差为8.6%.报警精度较低，结合系统内的温湿度传感器进行温度补偿，可以提高MQ2的气体敏感性，提高测量精度.一般情况下，当可燃气体体积浓度>1%，就将启动报警程序，即可燃气体泄漏就要进行报警.

图2为传感器运放电路仿真图.光强检测采用光敏三极管，直接输出TTL电平.当光照强度为98LUX时，输出5 V电平，小于98LUX时，输出0 V低电平，用来辅助电动窗帘的工作，当光照强度大于98LUX时，电动窗帘架会自动关闭窗帘.温湿度检测采用DHT11型数字式温湿度传感器，与单片机之间的通信采用IIC标准接口，实时监测家居环境中的温湿度信息.人体红外传感器采用集成的人体红外传感模块，以TTL电平输出，与单片机进行通信.

图2 传感器运放电路仿真图

设计中选用西门子公司的TC35模块[5]和使用AT指令进行远程控制通信，针对GSM模块的天线电路进行了EMI设计.GSM模块对工作电压和电流有着严格要求，所以GSM电源模块选用高性能的开关电源芯片LM2575，芯片的最大输出电流可达到3 A，能够满足GSM模块在寻网时的功率要求.

2.3 执行模块设计

执行模块如图3所示，使用Atmega8L单片机为核心控制器完成对家用电器的控制.控制对象包括开关量、照明电路的交流电压、电动窗帘的电机驱动等.

图3 执行模块结构框图

电动窗帘控制系统采用直流蜗杆减速器电动机，其电压为12 V，空载转速为35 r/min，扭矩为15 kg·cm.电动机驱动电路采用最常用的H桥驱动电路进行PWM调速.H桥驱动芯片使用BTS7960[7]半桥驱动结合限位开关进行控制，以发挥其输出电流大、发热小的优点，驱动电动机的负载变化曲线如图4所示，在负载全程能够以大于85%的功率转换系数工作.

图4 电动窗帘架启动过程电动机扭矩变化曲线

根据图4显示的变化曲线，当控制电动机启动400 ms以后，PWM信号的占空比减小到50%，输出电压符合电机启动过程中功率变化的曲线，可有效降低系统运行功耗.

照明电路交流电压控制是为了控制灯光的软启动.设计中采用可控硅控制导通时间的方法控制交流电的输出电压,控制电路如图5所示.电路中使用高速光耦6N137，通过交流变压后的信号与光耦中二极管导通的门限电压进行比较，提取交流信号的过零位置，起到了隔离电路和提取交流过零信号的作用.

图5 可控硅光输出控制电路原理图

首先提取交流电的过零点信号作为同步信号，50 Hz交流电的过零点同步信号频率为100 Hz，将同步信号送入单片机的定时中断中，单片机控制可控硅的触发信号.如果要输出最大电压，则每次接收到同步信号后，零延迟输出可控硅的触发信号及最小电压.接收到同步信号以后，延迟9 900 μs输出触发信号.可控硅导通时间与延迟时间的关系如图6所示.

图6 触发信号延迟时间与可控硅导通时间的关系

实际测得的延迟时间与输出电压关系如图7所示.按照图7的函数关系，设定灯光软启动，通过对人夜间醒来开灯时眼睛对灯光的适应时间进行测试得出，在10 s内，白炽灯软启动，电压匀速地从0 V增加至180 V，在之后的10 s内，增加至220 V，人眼不会感到刺眼和不适.在系统软件设计中，控制器仅对灯光的启动阶段进行控制，当灯光启动以后，由继电器接管控制权限.

图7 延迟时间与输出电压的关系

3 软件设计

智能家居控制系统软件采用标准C语言和汇编语言混合编译，软件架构是基于μCos-II操作系统，具有移植方便、实时性较强、源代码开放的特点.μC/OS-II操作系统的结构决定了在移植μC/OS-II时，只需要修改与CPU有关部分的代码(其结构如图8所示，只需要对OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM以及OS_CPU_C.S进行相应的修改，就可以完成对操作系统内核的移植.设计中使用ATmega128作为主控MCU，具有128k的FLASH、4k的SRAM和4k的EEPROM，系统中还使用了24C512存储器，可以完成对任务的存储.

系统中，有4个特殊优先级的用户应用程序，最高优先级为初始化任务.因为一旦程序跑飞，首先需要进行初始化设置，保证系统的可控；第二是火灾报警任务，一旦发生火灾，将启动次高优先级的报警，包括发送短消息，切断主电源；第三是燃气泄漏检测报警任务，一旦发生燃气泄漏，将启动优先级任务，包括发送短消息报警和切断主电源；第四是闹钟，当有闹钟到期的时候，启动闹钟定时报警任务.控制部分软件设计流程如图9所示.

图8 μC/OS-II操作系统结构图

图9 控制部分软件流程图

4 结 语

随着智能手机的普及和网络的发展，家居智能控制系统已成为发展趋势.设计采用GSM网络发送短信息获取家电使用信息，对异常情况进行报警并加以控制，使家居更方便安全，且系统安装方便，性能安全稳定，成本低，具有很好的发展前景.

[1]童晓渝,房秉毅,张云勇．物联网智能家居发展分析[J]．移动通信，2010，34(9)：16-20．

[2]武一,包春兰．基于GSM和ZigBee技术的智能家居系统设计[J]．河北工业大学学报，2014，43(1)：15-18．

[3]何信东．蓝牙无线组网的GSM智能家居控制模块设计[J]．科学技术与工程，2012，12(15)：3754-3758．

[4]张增林,郁晓庆,拓延生．基于GSM网络的家庭智能监控器[J]．微计算机信息，2012，28(9)：8-10．

[5]郭稳涛,何怡刚．智能家居远程监控系统的研究与设计[J]．计算机测量与控制，2011，19(9)：2109-2112．

[6]陈建明,张亚军,沈媛雪．基于Cortex-A8处理器与Android平台的温度检测系统设计[J]．华北水利水电大学学报(自然科学版)，2014，35(5)：69-71．

[7]汤锴杰,李伟,栗灿．基于CAN总线的智能电动车窗系统设计[J]．汽车电器，2014，11(4)：23-26．

(责任编辑：杜明侠)

Design of Intelligent Home Control System Based on GSM Network

ZHENG Tan1,2, MA Tiehua1,2, ZHANG Tao3

(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement, North University of China, Taiyuan 030051, China; 3.School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

To obtain the operation situation of domestic appliances timely and effectively, according to communication technology and control theory, an intelligent home control system was proposed. In the system, AVR singlechip is used as main control unit, and GSM network is used to realize remote control. Meanwhile, to achieve the remote control and the security monitoring alarm of domestic appliances, this system utilizes Atmega128 as main control chip to realize the control of a main control module for multiple execution module, utilizes multiple sensors to monitor and control the running state of domestic appliances, and adopts TC35 module to transfer remote informations. The system has stable performances, low cost, convenient installation, and has a good prospects.

intelligent home; AVR singlechip; GSM network

2014-10-12

河南省科技攻关项目(112102210104).

郑 谭(1989—)，男，河南郑州人，硕士研究生，主要从事仪器科学与动态测试方面的研究. 马铁华(1964—)，男，山西交城人，教授，博士生导师，主要从事仪器科学与动态测试方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.017

TP273

A

1002-5634(2015)01-0081-05