智能家居控制系统在宿舍能耗控制中的应用设计

裴皓 史锐博 李雪晴 廖嘉敏

摘要：基于2.4GHz微功率无线通信技术，设计了能在宿舍应用的智能家居控制系统，系统主要由msp430单片机、NRF24L01芯片、电磁继电器、降压器等电子设备组成，实现了对用电器的远程无线操控。

关键词：智能家居；学生宿舍；无线控制

Abstract： Based on 2.4 GHz micro power wireless communication technology， a smart home monitoring system that can be used in dormitories was designed. The system was composed of msp430 Singlechip， NRF24L01 chip， Electromagnetic relay， Depressor and other electronic equipment， and the realization of remote wireless manipulation of electrical appliances was realized.

Key Words： Smart Home； Student dormitory； Wireless control

一、引言

智能家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（United Techno1ogies BuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的City Place Building时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕[1]。随着互联网的发展，尤其是无线网络的出现和发展，智能家居逐步进入网络化时代。它能提供照明控制、远程家电控制、安防报警、室内外遥控、自动窗帘、可编程定时控制等多种功能和手段，使人们的生活更加安全、舒适和便捷。

智能家居系统，是指采用先进的计算机技术、网络通信技术、智能控制技术、无线传感网络技术，将与家居生活有关的各种设备有机地结合在一起，为人们提供高效的家居环境[2]。

二、智能家居系统总体方案

课题研究背景：

作为大学生，宿舍是大家日常起居的地方，将智能家居控制系统引入宿舍，利用无线传感技术与自动控制等相关原理对宿舍家电设施（空调、电灯）进行监测控制，从而实现用电监控，有利于将宿舍打造成为更便利、舒适的“家”，同时达到节能减排的环保效果。

宿舍内智能家居系统需求分析：

因宿舍在夏季、冬季经常会出现屋中无人而空调持续运行、晚上断电后忘记关灯导致早上通电后电灯常亮而同学还在熟睡的现象，不利于节能减排。考虑到宿舍内安装有无线路由器，我们设想利用路由器能检测设备的连接情况这一功能，制作一个具有一定自主控制能力控制中心来控制空调及其他用电器的开关。一方面，让使用者可以在外通过手机实时监控和控制空调及其他电器的开关。另一方面，可以通过路由器检测特定设备的连接情况，来实现空调及其他电器的自动关闭。

本次创新的项目的意义在于，对现有的控制系统进行进一步创新，真正实现“自动”控制。让我们不必再担心忘关空调的情况，践行绿色生活，低碳环保，带来经济和环境效益。当然，对于我们更普遍的意义在于，此次实验有助于提高我们自主研发能力和对前沿课题的兴趣以及对所学知识的巩固。

智能家居控制方案设计：

使用NRF24L01芯片，msp430单片机，电磁继电器、降压器等电子设备，实现手机-路由器-红外线-空调-电灯的无线操作控制。

该项目主要分为四个硬件组成部分：路由器，带有红外线发射功能的空调控制器，能自动及手动控制灯亮灭的智能电灯开关、能控制插头通电与否的智能插座。路由器是控制中心与手机的连接媒介，控制中心是一级设备，其余三个为二级设备。 简单方案框如下图所示。

三、各部分功能及构成

（一）控制中心&带有红外线发射功能的空调控制器

控制中心为整个智能宿舍系统的控制核心，由WIFI连接到路由器进而连到局域网。其余设备均无线连接到控制中心。控制中心带有红外线发射功能，可以控制空调的状态：改变模式、调整温度，定时关机，智能自动关机等。

控制中心接收到局域网用户通过手机发來的指令来控制其他设备，同时也有一套自主控制系统，当系统检测到指定的几台移动设备同时与路由器断开连接时，自主发送关闭空调的指令，向智能开关发送断电的指令切断路由器的电源，向电灯开关发送关灯的指令。并且可以在指定时间向智能电灯开关发送关闭电灯的指令，避免早上通电以后的电的浪费。

原理介绍

控制中心通过WIFI连接到宿舍路由器，通过定时读取局域网IP地址状态，判断宿舍是否还有人，若检测到没有其他设备连接到路由器，则自动向相关智能设备发送关机指令。达到节约用电的目的。

手机通过网页或微信程序向用电器发送指令，控制中心接收到指令后使用2.4G无线模块将指令转发到相应智能模块。

NRF24L01可传输最多32Byte的数据，该系统将使用其传输6位十进制数字，前两位代表不同模块，中间两位控制相应模块的某一功能，后两位控制特定功能的工作状态。

控制中心的结构

控制中心主要分五个部分组成：电源部分、控制器模块、各个功能子模块、控制中心内部通信以及控制中心系统外部通信。

电源部分：电源部分是为整个智能家居控制系统供电，因此是硬件设计的重点，在控制设备设计中是用18650锂电池为系统供电。

控制器核心：中央控制器是整个智能家居控制系统的核心，将采用嵌入式STM32F103芯片，通过一些预留I/O接口来连接其它功能子模块，并可以在宿舍需要其他功能时做出设备的扩展。其主要完成以下工作：接收并识别手机设备发送的指令，然后发送指令对家居设备进行控制，同时运行自动控制代码进行设备的自动控制。

功能子模块：功能子模块以控制器为核心，实现系统所需的特定功能，比如： 智能灯光的控制、宿舍空调的控制、路由器开关的控制等，每个模块的实现功能都是由控制器来发送指令。

控制中心内部通信：其主要实现的功能是完成中央控制器与功能子模块之间的信息传递。该项目采用无线通信方式做为智能家居控制系统的内部通信方式，并结合无线通信特点，项目采用WIFI做为内部通信方式。

控制中心外部通信：主要功能是实现用户通过手机连接局域网操作与控制宿舍电器设备，并实时监控宿舍设备的运行状态。

红外控制设备介绍

1.红外编码方式

一般，家里使用的遥控设备都是38kHz的载波，并使用NEC编码方式。NEC红外信号编码由同步码头，地址码、地址反码、控制码、控制反码和连发码组成。我们在用编解码模块做解码操作时，只需要将遥控器对准红外接收头，按下要解码的按键，即可通过串口调试助手查看到解码的结果，结果输出为6位16进制的“地址码+地址反码+控制码”。在做编码发送时也只需要发送这6位16进制数据即可。

2.红外一体接收头的使用

YS-NEC编解码模块原理图

一体化红外线接收器是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出，并与TTL电平信号兼容的所有工作。没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平。适合于各种红外线遥控和红外线数据传输[3]。

接口定义如上

a、红外发射头：用于发射红外信号，波长为940nm 38k NEC编码信号的发射。

b、红外接收头：用于接收NEC红外信号，进而模块完成分析解码。

c、UART 单片机串口通信接口：该端口为单片机串口（TTL），作为与外界单片机的通信桥梁，其默认设置的波特率为9600bps。

4.发射指令说明：

地址 操作位 数据位1 数据位2 数据位3

A1（FA） XX XX XX XX

操作位数据代表当前工作状态；数据位1和2为红外接收设备对应的地址码与地址反码，用于区别接收设备；数据位3为控制位，用来控制接收设备具体参数。

（二）智能插座

智能插座接收控制中心发出的指令控制插座上电源的通断，做到及时关闭用电器，防止人离开房间后忘记关闭用电器造成的能源浪费。本产品设计中，路由器插在能控制插头通电与否的智能插座，用来控制路由器的开关与否。

现阶段智能插座控制方式对比

智能插座就是一个互联网时代赋予智能化的开关控制器。根据不同的控制介质，可以分为以下几种控制方式：

1.红外遥控。红外技术出现年代久远，技术较为成熟。但其有方向局限性，而且家中过多的红外设备易被干扰，造成控制混乱。

2.蓝牙遥控。一般采用手机控制。它相较于红外技术有传输速度快、距离远、安全性高等优势，但是想要进行远程控制就难以实现了。而且蓝牙信号容易被家中2.4Ghz的WiFi信号所干扰，影响其实际遥控范围。

3.2.4G微功率无线技术。手机电脑等设备通过无线模块连接无线信号，通過接收控制中心发来的开关信号可控制插座。此方式既可以实现远程控制，极低的功耗也能省电。

综上所述，2.4G微功率无线技术相对其他控制方式优势明显，而且具有成本较低、整合度高、安全性强、开发方便等优点。

智能插座的组成

智能插座由电源降压器、单片机、电磁继电器、无线连接设备组成。

电源降压器：为控制器、电磁继电器等部件供电。

控制器：接收指令，向电磁继电器发送指令。

电磁继电器：控制输出插口通电状态。

Msp430单片机，采用C语言代码实现控制，单片机上接2.4G无线模块实现无线通信，接收指令，通过改变电磁继电器数据端口的电平高低，控制插座输出电路的通断。拟用高电平通路，低电平断路。智能插座单片机可以识别控制中心通过无线发来的控制指令，对多个开关进行分别控制。

（三）智能电灯

智能电灯开关采用双控电路，一端接手动开关，另一端接自动控制开关。自动控制开关包含电磁继电器和2.4G无线模块，开关采用单火线取电。控制中心可以智能判断房间昏暗程度自动开关电灯，并接入控制中心的自动控制系统实现人走灯灭。原理与电灯开关控制部分原理与智能插座相同。

四、小结

1.该项目所呈现的几个硬件设备将智能家居的监控、控制系统的相关原理推广至宿舍，扩大了智能家居系统的适用人群，让在校学生享受到科技对生活的便利。

2.巧妙地利用了路由器可以检测到移动设备的连接状态这一功能，创造性的开发出一套利用特定几个移动设备在同一路由器上的不同连接状态，进行一系列自主控制的系统，对智能家居的控制系统进行了近一步升级。

3.利用红外控制器对空调的自动及远程控制达到了节能减排，低碳生活的目的。

参考文献：

[1] 程秀华，缪希仁，谢礼龙.数字家居智能系统控制技术[J].低压电器，2007.4：30-32

[2] LI B，YU J.Research and application on the smart house based on component technologies and Internet of things [J].Procedia Engineering，2011.15：2087-2092

[3] 张彬杰.22个原件做出学习型遥控器.[J].无线电，2010.11