单片机及其接口技术在智能家居中的应用

周丽华 李绍海 关键

摘要：本文结合单片机及其接口技术，论述单片机及其接口的特点，给出了其在智能家居中的应用，并对智能家居系统的功能模块各个组成部分进行了描述，最后给出了在智能家居设计和工程实践过程中应注意的一些问题，对智能家居的设计和工程实践有一定的参考价值。

关键词：智能家居；单片机；接口技术

随着人们生活水平的提高，在家居生活中，智能设备的应用越来越广。智能家居的目的是让家庭生活更加舒适、安全和便捷；其通过网络信息等技术手段实现家用电器智能控制、紧急呼叫服务、安全门户等功能，使其按照人们的设定或者意愿工作，而与人和家庭住所之间的距离的远近无关。智能化和远程控制是智能家居的两大显著特点。随着网络技术的发展，特别是无限网络技术的发展，结合小型化单片机及其接口技术，对于实现远程遥控家用电器的功能；实现家庭人员在紧急情况下，如突然的身体不适，可向其他家庭成员和预设的医疗机构发出呼救请求的功能；实现入户门密码锁和指纹锁的功能，实现防盗报警功能等等，都变得非常容易和便捷。本文从总体介绍了单片机及其接口技术在智能家居中的应用，给出了一些远程控制和本地控制相结合，实现智能家居的一种思路和方法，并提出了在实现过程中应注意的问题。

1.单片机及其接口技术介绍

单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用，系统结构简单，使用方便，实现模块化，单片机可靠性高，可工作到106 ～107小时无故障[1]。单片机实际上是一个硬件系统，若要其发挥其功能，还需要有相应的软件运行在其上。软件的编写采用汇编语言或者C语言，目前一般都采用C语言，因为C语言的可读性和可移植性都比汇编语言强。

单片机的接口（Interface）是指具有特殊功能硬件电路，其功能为把其获得的信息转换成单片机可读的数据。一般来讲，有输入接口，也有输出接口；有模拟输入输出接口，也有数字输入输出接口等等。这些接口根據系统的设计需求来使用。

2.智能家居功能模块的组成

智能家居（Smart Home），是融合了智能控制系统、计算机网络系统和通讯技术于一体的具有网络化、人性化、智能化等特点的家居控制系统，是以家居住宅为平台，兼备建筑、信息家电、设备自动化，集系统、结构、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境[2]。智能家居控制系统的组成见图1。图1可见，用户通过人机交互通道和单片机智能家居控制模块进行交互，可以是查询控制对象的状态，也可以设置控制对象的运行模式。

单片机智能家居控制模块得到用户的指令（查询、设置）后，通过自身的输入输出接口，获得相应的传感器数据和控制对象工作状态数据，然后根据用户的指令，完成相应的操作。在特殊情况下，家庭成员在家居中出现紧急情况，如突然的身体不适，通过按下相关的紧急按钮，单片机智能家居控制模块捕捉到这个信息后，可自动向其他家庭成员和预设的医疗机构发出呼救请求的功能，使家庭成员及时得到帮助；另外，居家室内在系统开启防盗模式后，单片机智能家居控制模块可以自动监测非法入侵信号，一旦捕捉到这个信号后，可以向110警方报警，并通知家庭成员，并在居室内采用声光报警，震慑非法入侵，起到防盗的作用。

2.1 人机交互通道

人机交互通道在智能家居控制系统中起到用户和单片机智能家居控制模块的数据交互的作用。这个通道可以采用语音、红外通讯[3]、zigbee、蓝牙、WiFi、有线网络、射频、指纹、数字密码、按键等形式，目的是将用户的要求，通过这个通道，转换成单片机智能家居控制模块能够理解的指令形式，进而实现智能控制。

紧急按钮是个在非正常状态下使用的一个交互，这个按钮是在家庭成员紧急时使用的，是在居室内部，比如老人睡床旁，客厅沙发边等，这个交互相对简单，是一个触发信号，一旦信号触发，单片机智能家居控制模块就会得到这个信号，并且这个信号的优先级较高，单片机智能家居控制模块就会通过系统预设的家庭成员电话号码和预设医疗机构的号码，进行电话呼出（预制的语音内容），同时短信发出相关信息，达到紧急求援的目的，这个功能的实现可以借助于GSM通讯模块来实现。

密码键盘和指纹一般是指家庭的入室门的控制。随着人们生活水平的提高，很多家庭将入室门传统的机械锁更换成密码锁或者指纹锁，这就为智能家居的控制提供了新的管理对象。一旦密码锁或者指纹锁的开锁次数达到一定的次数后，单片机智能家居控制模块得到这个信息后，通过GSM通讯通知家庭成员，让家庭成员处理，可以选择报警或者不报警。

红外通讯、Zigbee、蓝牙、WiFi、有线网络、射频等均是一个数据通道，用户可以对居家内的控制对象进行控制。根据不同的数据通道，红外通讯、Zigbee、蓝牙通讯技术一般距离较短，红外通讯，在数据传输的过程中容易受到障碍物的影响，蓝牙技术一般传输距离在10m-15m，而zigbee技术一般需要中继才能传得更远，这三种人机交互通道，一般是在室内使用，像目前应用较为广泛的电视机遥控器、空调遥控器，都是采用红外通讯的；而蓝牙音响等都是蓝牙技术控制的。WiFi、有线网络、射频是数据可以进行较远距离传输的方式，WiFi和有线网络我们比较熟悉，而且在国内的应用较为广泛，手机、电脑都可以在其上链接，网络上应用数以万计，无论你在地球上什么地方，只要有网络，就可以找到你的居家，可以控制你想要控制的对象。射频技术（RF）是Radio Frequency的缩写。较常见的应用有无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID），常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等[4]。目前应用较广的是射频卡，在家庭应用中主要在门禁上使用。

2.2 系统核心

系统核心部分由单片机智能家居控制模塊、温度、湿度、烟雾、防盗等传感单元，电话呼叫系统（预制的电话号码和医疗机构、110）等组成。单片机智能家居控制模块是由单片机及其接口组成，并且在其中内置了应用程序。单片机在软件的控制下，可以实现判断、比较、执行某项动作（开关机）、获取某个传感器信号等。整个智能家居系统控制，由单片机智能家居控制模块来完成。温度、湿度、烟雾、防盗[5]等是一系列传感器，指示家居的环境状态和安全状态，其测量的信息被单片机智能家居控制系统获取，使单片机智能家居控制系统对家居的环境状态有一个较为全面的了解。随着科技额进步，这些传感器还会增加，比如，现在的PM2.5，PM10传感器，根据这个测量信号，可以控制室内的净化设备启动和停止，使家庭更加宜家。

2.3 智能家居控制对象

智能家居控制对象是单片机智能家居控制系统经过分析判断或者经过指令控制，通过输出部分控制的对象。这部分对象包括家电，像空调、冰箱、照明、门禁、供暖等，也包括由电机和轴承等部件组成的自动窗帘。这部分控制有开关控制和运动控制，需要采用不同的接口和控制方式。

3实现智能家居过程中应该注意的一些问题

智能家居控制使我们的生活更加舒适、更加便捷。由于在实际应用过程使用了单片机及其接口技术，所以在设计和工程实践中要注意一些问题。

3.1 供电系统的冗余和供电状态的监测

居家的供电一般为220V，50Hz的交流供电，但在异常的情况下，可能会停电检修，但智能家居系统是一个不间断工作系统，这就需要采用供电冗余来解决这个问题，一般单片机系统都采用直流5V供电，一般采用直流UPS的方式提供给系统供电，一旦220V交流供电消失，直流供电在微秒级时间内开始供电，使智能家居系统保持正常的工作状态。

在智能家居系统的运行工程，应当考虑对电池的电量进行监测，即时掌握电池电量，并对电池供电的时间（根据电池电量和系统功耗换算）进行估算，即时报告用户电池电量的情况，提示用户做进一步处理。

3.2 单片机软件运行可靠性设计

单片机软件在运行的过程中可能会受到来自供电，输入输出信号的干扰，导致程序“跑飞”，而使整个系统不能按照软件设定的过程和步骤工作，这是需要结合WatchDog技术，软硬件结合，技术发现软件“跑飞”情况，通过硬件系统复位，实现软件重新回到正常的过程中来。这个过程中，要将智能家居系统运行的状态保护好，软件重新回到正常过程中，将恢复智能家居系统运行的状态。

3.3输出控制部分电磁干扰的消除

智能家居系统的输出部分控制，一般是家用电器的启停。家用电器中由于负载的类型不同，如感性负载居多，导致在电器启停过程会产生电磁干扰，可能会对其它电器设备或者单片机系统产生干扰。设计时是考虑抗干扰措施，比如采用吸收电路、隔离电路等降低干扰的影响，单片机供电上采用TVS器件，减少脉冲群和其它干扰的影响。

3.4 人机交互安全性设计

由于现代智能家居系统与网络结合较为紧密，这就产生了一个人机交互安全问题。在智能家居系统应用中，应考虑采用加密算法用户认证，并且采用硬件减少或者避免网络攻击对智能家居系统的影响。

4 结语

随着人民生活水平的提高，对智能家居的需求会越来越多，智能家居为人们提供便利，舒适的生活。单片机及其接口技术以其可靠性、成熟性，在智能家居中应用会更广泛。本文论述的单片机及其接口技术在智能家居中的应用，并对智能家居系统的功能模块各个组成部分进行了描述，最后给出了在智能家居设计和工程实践过程中应注意的一些问题，对智能家居的设计和工程实践有一定的参考价值。

参考文献：

[1]https：//baike.so.com/doc/30473-31769.html

[2]赵健百.智能家居系统设计[J].电子世界，2018（03）：174-175

[3]王素芹，程连生. 基于单片机的智能家居系统的研究[J]. 中国战略新兴产业，2018（16）：156

[4]https：//baike.so.com/doc/5540626-5756291.html

[5]单兴巧. 基于单片机的智能家居控制系统—传感器信号采集、GSM模块和红外学习遥控设计与分析[J]. 好家长，2018（15）：236