基于单片机的智能家居远程控制系统的设计路径

2020-06-11覃桢

电子技术与软件工程 2020年1期

文/覃桢

（海南软件职业技术学院海南省琼海市 571400）

受物联网技术快速迭代和创新的影响，大众开始注重更高品质的生活质量，所以对智能家居的需求被进一步扩大，那么围绕大众对智能家居的多样化需求，设计能够满足消费者需求的智能家居控制系统极具现实意义。对智能家居系统而言，智能家居控制系统占据着核心关键的地位，借助控制系统能够实现智能家居的各个功能模块以及信息交互。本文研究表明，围绕家居环境开展信息追踪、安全防护以及实施监测，进而打造一体化的管理与服务单元，在物联网加持下，智能家居产业在满足消费者个性化需求以及实现功能集成化方面具有明显优势，所以以此构建环保、节能以及安全的智能生态环境极具重要意义。

1 系统总体设计

本次设计将AT89S51 单片机作为系统处理器，借助GSM 模块为系统与用户之间的信息传递架设平台，其系统主体定制功能的实现逻辑为将固定电话拨通时，会检测大振铃自动摘机产生的信息波动，这样能够发布具有针对性和可操作性的语音指示，此时用户会按照提示键入特定指令向系统发送控制需求，系统接收到相关指令信息之后，主控芯片将利用 Wi-Fi 搜集全部传感器采集到的信息，随后借助语音或者短信的方式就信息推送给用户，此外还能实现对相关控制终端进行调节与控制，使整个远程控制智能化、数字化。一旦系统检测出现任何形式的危险情况，例如火灾以及燃气泄漏，也会立即借助系统向安保系统输出信息，通过系统联动防止危害进一步扩大，如图1 所示。

2 硬件系统设计

2.1 硬件系统设计总述

在硬件系统设计单元，该系统功能支持模块主要由以下几类组成，例如基于AT89S51 单片机的处理器、Wi-Fi 模块以及GSM 通讯模块等，另外还包含全部传感器模块和解码电路，本文将具体阐述各个模块的设计逻辑以及研发流程：

（1）将AT89S51 单片机作为该系统的中央处理器，在此基础上增设外部器件，例如传感器以及GSM 模块，形成了最终的家庭网关硬件平台。

（2）借助Wi-Fi 模块，让系统各个传感器以及主控系统形成及时的通讯以及信息传递。

（3）借助传感器实现对数据的实时监控，一旦传感器检测到部分指标出现波动，将会对数据进行反馈，并提交至主控。

图1

（4）用户与系统进行数据交互以及传输是借助GSM 模块实现的，这是因为GSM 模块内置了短消息以及电话功能，为智能家居进行远程监控创造了条件，但系统检测各项指标有所偏离时，则会由主控将相关信息推送给用户。

（5）借助内嵌的语音播放模块和控制GSM 模块，能够实现移动电话接听以及信息播放，这是用户交互的基本前提。

（6）借助MT8870 芯片实现 DTMF 解码用户实现指令的定向传送，从而将信息汇聚在单片机中。

（7）借助系统设备实施系统调试，例如IBM-PC/XT 兼容机以及计算机 5V 稳压电源，此外还需要ME-5103 单片机仿真机和SR8 双踪示波器的介入。

（8）围绕全部功能模块进行硬件选择以及电路设计，同时对软件编程进行调试，为实现远程监控搭建了基础功能框架。

2.2 Wi-Fi无线通信技术

现阶段，智能家居通信方式较多，大多以有线连接为主，此类连接方式具有诸多局限性，例如布线麻烦以及扩展性弱等。在无线技术进步以及物联网技术的驱动下，基于无线通讯技术的智能家居逐渐受到大众任何和追捧，消费者逐步将智能家居系统作为其选购家居用品的首选。在新技术的应用背景下，新兴智能家居通信方式开始取代传统通讯方式，形成了以ZigBee 通信技术、Wi-Fi 技术以及Z-Wave 为主的全新通讯形式，需要注意的是，红外通信技术也是其中的一项新兴通讯技术，但是该技术类型具有明显的技术局限性，比如通讯角度小以及传输距离短等，导致其在智能家居应用较少，而对于ZigBee 技术而言，该技术的优势在于实现了近距离传输，同时在功耗以及成本方面都具有突出优势，然而在实际远程控制过程中，其传输速度以及距离受限也影响了其实际应用。而对于Wi-Fi 技术而言，该技术了类型满足了智能家居远程控制的多数需求，例如无线电波覆盖范围广以及传输速度快等，能够更加高效地串联家居中的不同设备以及安防器材，能够为使用者提供更加便利以及高效的使用场景，所以该研究将Wi-Fi 无限通信技术作为智能家居的通信方式。

2.3 GSM 通讯模块

GSM 模块与手机通讯模块较为相似，其本质在于对电路板进行功能集成，使其具备手机若干功能，这是实现通话以及发送短信功能的基础，也意味着该模块具有与手机相似的功能。具体而言，此模块已经能够具备手机常用功能，因此具备了较强的应用拓展功能，如果需要对GSM 模块进行操作和控制，应该运用 AT 指令，该模块与RS232 串口实现了链接，也可以利用单片机来达到控制GSM 模块的目的。本系统涉及到的GSM 模块，其生产商为Siemens 公司，其主要构成单元包括如下模块，例如GSM 基带处理器、 ( ASIC) FLASH、GSM 射频部分以及ZIF 连接器和供电部分等。短消息工作模式是GSM 模块的一项重要功能单元，具有三种不同类型的设置模式，分别为BLOCK 模式、 TEXT 模式以及PDU模式，在PDU 模式下，通常是解决借助AT 命令来实现对重点短消息功能的控制与调节，相对于其他模式而言，PDU 模式具有便捷以及可操作性强的优势，可以利用一条指令就可以对短信息进行编辑和处理，因此本次研究中所采取的工作模式为PDU 模式。

2.4 传感器数据采集模块

家居环境监测是实现远程功能的重要基础，需要利用利用测试以及筛选实现对相关功能的把握和确立，本次研究将部分传感器作为研究对象，通过以下阐述详细介绍每一类传感器的工作原理。

（1）火焰传感器 yl-38 该传感器的灵敏度可以结合实际情况调节，对火焰光谱极为敏感，由于采用了标准双面板，其外观简洁大方。小板数字量输出DO 能够对本板继电器模块产生直接驱动作用，可以形成简单的火焰开关，小板模拟量输出AO 能够与AD 模块直连，利用AD 进行转化和控制，这样能够让环境温度控制更加准确。

（2）温湿度传感器 DHT11 DHT11 DHT11 数字温湿度传感器拥有诸多优势，例如相对湿度和温度测量、数字输出以及不借助外部部件等，另外，此传感器还在能耗以及长距离传输方面具有突出优势，因此其在暖通空调、数据记录器、测试设备、气象站以及湿度调节器方面应用较广，另外在医疗以及除湿器等方面的应用也较为普遍。

（3）烟雾传感器 MQ-2 该检测仪器或者设备主要面向家庭以及工厂场景下的气体泄漏检测，无论是液化气、丙烷还是烟雾，其检测效果较为明显，这一设备也具有灵感度可调的特征，其工作电压为5V，启动装置前，需要给予 2min 左右的预热时间，一旦检测气体浓度高于设定阈值，模块数字接口D0 输出将变为低电平，此时电压也会伴随浓度的增加而提升，小板数字量输出D0 能够与单片机直连，所以可以利用单片机对高低电平进行检测和确认，这是检测环境气体的基本运行逻辑。

图2

（4）红外传感器 HC-SR501 该装置具有全自动感应功能，指的是人体进入特定范围后，其变为高电平输出，而当人体离开这一范围之后，则利用自动延时逐渐关闭高电平，转为低电平输出，对于感应模块而言，其会在每一次输出后进入封锁时间段，在此区间内并不能收到其他任何感应新号，这是实现“感应输出时间”以及“封锁时间”的前提，因此在进行间隔探测时，该设备的应用较为广泛，另外，这功能还能降低负载切换时的外部干扰，并产生的功耗较低，同时人体无论从从左到右还是右到左走，红外光谱到达双元在时间和距离上都具有明显不同，差值越明显意味着其灵敏度越高。