基于MSP430单片机和蓝牙的智能家居控制系统设计

李兆亮，张靖宇，李立刚

（1.中国石油大学（华东）理学院，山东 青岛 266580；2.中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东 青岛 266580）

智能家居的概念起源于上世纪八十年代[1]，近十年来，随着嵌入式技术、网络通信技术的快速进步和人们物质生活水平、家用智能化需求的不断提高[1-2]，进一步融合物联网、自动控制、数据分析、人工智能等技术，实现对家用设备智能化的分布式控制成为智能家居系统重要的研究和发展方向[3-7]。

智能家居产业的快速兴起促使各大企业研发自己的智能家居开发平台，如苹果的HomeKit平台，华为的Hilink平台等。目前，智能家居产业尚未形成明确的行业技术标准，智能设备的社会普及度不高[5-6]。但随着智能家居市场规模的迅速增长，新式产品的不断推出[8]，居民生活的智能化是趋势所在。

传统家电的使用寿命长、体量大、技术成熟等特点使其难以在短时间内被淘汰，并且难以与已有的智能设备组网。在智能家居的全民推广过程中，家居的智能化改造将进入大量传统电器与新式智能设备共存的过渡阶段。建立一种能同时面向传统电器和智能新设备的智能家居控制系统显得十分必要。

1 系统设计

1.1 智能家居构架

为了充分利用现有的传统电器，结合新式智能家电，有效地提升居民居家生活的智能化水平，文中提出了面向智能家居推广过渡阶段的三层系统控制方案，如图1所示。

图1 智能家居系统主体架构

1）指令层

在该层内用户可以通过APP或语音发送控制指令，控制各设备的运行或获取各智能终端的工作情况。

2）中间控制层

该层是用户指令和家用电器间连接的桥梁。以MSP430单片机为主控制器的控制模块对安装位置相对集中的传统电器通过合理的布线电路实现集中控制；对室内已安装的智能终端通过APP寻址访问，发送指令实现分布式控制；引入智能音箱，在其工作范围内，对支持语音控制的智能终端实现分布式控制。

3）执行层

该层包括家庭中所有可参与智能化改造的电器设备。智能设备可通过蓝牙通讯直接控制；智能插座实现大功率传统电器的组网控制；改进部分传统电器的控制电路，采集室内环境信息，实现设备的组网控制与功能扩展。

1.2 通讯方式

智能家居的改造与应用场景中所需传感器多，设备分散，电器功耗差异大，同时要求系统具有良好的交互性能。当前主流的无线通讯技术，如：Bluetooth、WIFI、ZigBee等[9]都存在一定的不足，其特点对比如表1[10]所示。

表1 主流无线通信技术部分特点对比

新一代 Bluetooth Low Energy（BLE）+Mesh技术具有超低功耗，支持多节点组网，同时继承了传统蓝牙安全性高[11-12]，传输速度较快，与手机端交互性好的优点。当前应用的智能插座等新式智能设备多采用蓝牙通讯。因此，文中智能家居控制系统采用BLE进行通讯，通过图1中的三层系统结构实现对家用设备的分布式控制，为传统电器与智能设备大量并存的场景提供一种智能家居改造升级的解决方案。

2 硬件结构与电路

2.1 系统主体电路

传统家电的智能化改造将成为智能家居推广过渡阶段中的一项重要内容。对于风扇、窗帘、照明灯等广泛应用的家用设备，图1中的分布式控制方式1对其增加蓝牙遥控、自动运行、多方式控制等新功能，实现传统电器的智能化升级，提升广大用户居住的智能感；对于图1分布式控制系统架构中的控制方式2和3，用户利用现有技术成熟的智能设备，如智能音箱、智能插座等终端在短时间内即可实现家用设备的组网与智能化改造。

针对控制方式1，利用电子器件模拟常用家电，搭建智能家居模型，提出并实现风扇温控、电动窗帘光感运行新模式；解决遥控指令与机械开关之间的冲突问题，实现照明灯的双控功能；集成烟感报警、室内温湿度参数检测等功能，对传统家居进行智能化改造。主电路如图2所示，各元件以模块的形式画出，模块方框下标为所用元件的名称或型号。

图2 分布式控制方式1主体电路

2.2 光感窗帘

现有的电动窗帘产品，无线控制方式不同但功能相似，多数只是遥控帘布的开闭，没有实现真正意义上的光感运行。设计的电动窗帘新结构如图3所示。光感窗帘的结构：1.窗帘；2.窗帘轨道滑轮；3.光线传感器固定腔；4.伸缩臂；5～6.左右红外传感器及其固定装置；7.主动轮与电机；8.窗帘可移动端及其固定件；9.从动轮；10.固定外壳；11.控制箱。光线传感器固定腔可旋转伸缩，使光线传感器可以根据用户需求变高变方向采集室内的光强。

其控制框图如图4所示，当选取的光线传感器具有无线通信功能时，固定腔可以拆卸放置于室内任意位置，将检测的光强值传送给MCU。红外传感器ST018检测窗帘可移动端的位置，防止窗帘在打开或关闭过程中，由于电机的惯性带动帘布继续运动而对传动结构造成的损坏。控制箱内放置电机及驱动电路。主控板采集传感器信息，接收控制指令，控制电机驱动电路，实现窗帘的开闭、断电或光感控制。

图3 新型光感窗帘结构

图4 光控窗帘的系统结构

2.3 双控照明灯

在大空间、多灯具、多开关的场合，增加照明灯的遥控功能将有效地提升用户生活的便捷度。考虑用户每次发出的开关指令是想改变被控灯当前的工作状态，单刀开关和遥控指令共同控制照明灯会引起逻辑混乱，因此，设计双控灯电路如图5所示。当MCU接收到蓝牙指令或弹簧复位开关按下出现高电平时，MCU退出低功耗模式，控制继电器反转照明灯的状态；当控制电路损坏时，通过应急开关使照明灯保持常亮或熄灭。

图5 双控方式下指令冲突解决电路

2.4 温控风扇

设计的温控风扇控制框图如图6所示。低功耗蓝牙模块HC-08通过UART方式与单片机连接，接收手机发送的调速指令。在常用模式下，MCU根据控制指令输出固定占空比的PWM波，通过驱动模块实现对直流风扇的调速；在温控模式下，DS18B20温度传感器采集实时温度，根据温控策略输出不同占空比的PWM波，实现温控调速；人体红外感应传感器HC-SR501检测工作范围内有无人存在，对应输出1/0电平，当单片机采集到低电平、无人时，风扇停转，达到节能的目的。

图6 温控风扇系统结构

2.5 其他功能

采用MQ-02烟雾传感器和蜂鸣器组合实现室内燃气泄漏报警；采用光线和声音传感器实现声光双控照明，光强下限值可由用户进行调节；采用DHT11温湿传感器、光线传感器、烟雾传感器，监测室内环境参数，通过OLED屏实时显示这些物理参数。

3 控制方案

通过HC-COM蓝牙助手APP向低功耗蓝牙模块HC-08发送控制指令，不同的ASCII码字符代表不同设备对应的功能，MSP430f5529单片机通过UART中断接收蓝牙指令，集中控制风扇、电动窗帘等家用电器模型。控制过程增加风扇温控、窗帘光感两种新模式，解决遥控与机械开关双控下的指令冲突问题，集成烟感报警，照明灯声光控，室内环境参数的检测与显示等功能。

3.1 程序流程

系统控制流程如图7所示。初始化主要包含启用外部晶振，设置ADC和UART通信模式，定义各外设的管脚、功能和主要变量；DS18B20和DHT11是程控传感器，采集温湿度参数需要严格的时序逻辑。系统在任何控制流程处都可以发生UART中断。当手机发送指令时，程序进入中断，更新当前的控制指令，设备进行功能切换；在主循环中依次完成参数采集和显示，判断每个设备的指令，各设备按指令在对应的功能模式下工作。图7中窗帘和风扇都对应多个控制指令，二者都从第一个控制指令开始查询。

图7 系统控制流程图

3.2 自动光感模式

传统电动窗帘只能根据遥控指令打开、关闭、停转或断电。通过图3中的设计结构，该文增加了光感控制模式。光线传感器检测室内光强，MCU采集光强的模拟信号量，根据程序中设定的舒适光强区间上下限值，判定当前室内的光强等级；采集左右两个红外传感器输出的高/低电平，判断窗帘的位置，形成光感窗帘控制逻辑，如表2所示。

表2中的“左侧”代表图3中左红外传感器5以左的区域，表2中的“右侧”代表右红外传感器6以右的区域，表2中的“中部”代表5和6之间的区域。窗帘的可移动端在“中部”区域时可以进行开闭调节，可移动端进入“左侧”时需停止左移，进入“右侧”时需停止右移，防止电机传动结构的损坏。单片机根据表2中的逻辑关系控制主动电机的正反转，调节窗帘的位置，使室内的光强值保持在舒适的范围内。

表2 光感窗帘控制逻辑

表2中通过比较当前的采样光强值与设定光强值，结合窗帘可移动端的位置，形成逻辑关系控制窗帘的开闭。在全天候光感调节时，室内检测的光强值总会停在设定的舒适光强区间上下限值附近。此时光强的ADC采样值会在设定的光强上限或下限数值附近跳动，导致电机频繁地启停以调节窗帘可移动端的位置，而电动机的频繁启动会造成严重的能量损失[13]。

为实现光控模式的节能优化，提出基于偏差的窗帘光控策略，如图8所示。ΔH为舒适光强区间上限的设置偏差值，ΔL为舒适光强区间下限的设置偏差值，二者都为正数；Δ+为当前光强值超出舒适光强上限的差值，Δ-为当前光强值超出舒适光强下限的差值；窗帘可移动端进入“右侧”，即认为完全关闭，进入“左侧”，即认为完全打开。设舒适光强区间对应的ADC采样值是[a，b]，当前采样的光强值为sampling value，Δ+和Δ-的计算方法分别如式（1）、（2）所示：

图8 基于偏差的光感窗帘节能控制流程

当检测的光强值与舒适光强区间上限值之差大于设定上偏差ΔH时，关闭窗帘直至室内光强为上限值；当检测光强值与舒适光强区间下限值之差小于设定下偏差ΔL时，打开窗帘至室内光强为下限值。一天中室内光强检测值变化缓慢连续，通过留出上下偏差数值的裕度，当室内光强变化超过该裕度后，电机再带动帘布进行下一次的开闭调节。舒适光强区间的上下限值和上下偏差设定值由用户根据体验设置。基于偏差的光控策略能有效改善单一比较控制导致的电机在舒适光强区间上下限值附近频繁启停的问题，实现电器节能，兼顾人体的舒适体验。

3.3 温控策略

常见风扇的调速方式有线性调速、挡位调速等[14]，文献[15-16]分别使用可控硅和变频的方法对风扇进行阶梯调速改进，取得了一定的效果。传统风扇的连续调速功能改造对硬件要求更高，故该系统直流风扇的温控调速模式采用阶梯控制。

当风扇工作在温控模式下时，在不同的温度范围内，MCU输出不同占空比的PWM波，驱动风扇模块，实现调速，增加阶梯数可使风速跳跃减小，增加舒适度，其温控策略如图9所示。当风扇工作在常规模式下时，通过APP发送遥控指令，控制MCU输出固定占空比的PWM波，调节风速或关闭电器。

图9 风扇温控策略

3.4 分布式电器节能控制

在家庭生活中，单个电器使用的传感器等电气元件数量少，占用控制器的资源少；而采用一块控制器对多个位置分散的电器设备实现集中式布线控制存在一定的困难。针对以上两点，大量的智能家居系统设计实践指出，利用低功耗芯片，通过设计简单的外围印刷电路可以实现单颗芯片控制单个电器设备。这样既能缩小MCU的体积，又能有效地降低成本。结合MSP430单片机出色的低功耗特性和上述节能式控制策略，可以有效地实现设备降耗。用户通过APP与设备对应的蓝牙建立连接，发送指令，即可实现对各家用设备的分布式节能控制，单个设备的低功耗工作状态如图10所示。

图10 分布式电器节能工作状态图

4 结束语

该文针对智能家居在推广过程中面临的传统电器和智能设备大量共存的状况，提出了包含指令层、中间控制层和执行层的智能家居系统架构，能够实现各式家用电器的分布式控制。与一般智能家居系统设计相比，该系统不仅可以使多种传统电器与智能设备进行组网，还重新设计了常用电器的硬件结构，增加了自适应控制新模式，并做出节能优化。模型测试结果表明，在15 m范围内，系统信号收发正常，运行顺畅，对单个模块发送控制指令测试25次，模块正常运行次数≥24次，具有较高的稳定性。文中面向智能家居推广过渡阶段的系统架构为现阶段居民家庭智能化改造提供了一种较为可行的方案。