舒展

摘 要： 智能家居是家庭自動(dòng)化的高級(jí)階段，是科技發(fā)展的必然結(jié)果?；贚H-M10實(shí)驗(yàn)箱的模擬智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，設(shè)計(jì)利用LH-M10實(shí)驗(yàn)箱的硬件設(shè)備，涵蓋了信息數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)處理和信息數(shù)據(jù)反饋等多個(gè)方面，從原理層面實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)中具有代表性的模塊展示，并結(jié)合智能家居的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)此系統(tǒng)后續(xù)的研發(fā)拓展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 智能家居； 模擬控制系統(tǒng)； 教學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

中圖分類號(hào)： TP 368，TP 39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2016）05-0098-03

0 引 言

智能家居起源于家庭自動(dòng)化（Home Automation），通過中央微處理機(jī)（Central Processor Unit，CPU）對(duì)各種電子電器產(chǎn)品執(zhí)行信息采集、雙向通信、程序控制等操作，來實(shí)現(xiàn)用戶需求，提供便捷高質(zhì)量的生活[1]，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、通信以及自動(dòng)化技術(shù)的互相融合[2]。

隨著科技的不斷發(fā)展，以智能控制技術(shù)為基礎(chǔ)的各種智能家居電子設(shè)備在人們的智能家居中扮演了越來越重要的作用[3-4]。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LH-M10實(shí)驗(yàn)箱的模擬智能家居控制系統(tǒng)，通過對(duì)固有硬件的選用，模擬實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的智能家居控制，包括電子密碼門鎖、模擬智能溫控空調(diào)、模擬智能洗衣機(jī)和智能開關(guān)。本系統(tǒng)從智能家居控制的核心原理出發(fā)，滿足課程實(shí)訓(xùn)、科技創(chuàng)新、深度開發(fā)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)需要。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)硬件由LH-M10單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的部分模塊選用構(gòu)成，包括51單片機(jī)I/O接口、鍵盤顯示控制器8279、電子蜂鳴器、LED顯示、直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、固定脈沖、溫度測(cè)量、繼電器控制。

如圖1所示，系統(tǒng)輸入由8279芯片連接的4×4鍵盤矩陣獲取按鍵輸入，由1MHz固定脈沖作為7段SEG數(shù)碼管顯示的頻率刷新源，由DS18B20溫度傳感器監(jiān)測(cè)獲取室溫。系統(tǒng)輸出由8279芯片連接的8位數(shù)碼管作為顯示輸出，電子蜂鳴器作為報(bào)警提示輸出，LED紅綠燈顯示作為指示燈，直流電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為實(shí)物輸出，繼電器作為開關(guān)控制輸出。輸入與輸出模塊通過51單片機(jī)I/O接口與51單片機(jī)芯片進(jìn)行連接，使用Keil C51軟件在電腦上進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本模擬智能家居系統(tǒng)以智能家居最基礎(chǔ)的模塊構(gòu)成，包括出入身份檢驗(yàn)的電子密碼門鎖，室內(nèi)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的模擬智能溫控空調(diào)，完成基本家務(wù)功能的模擬智能洗衣機(jī)，對(duì)各種家電進(jìn)行定時(shí)控制的智能開關(guān)。而這些模塊之間則依據(jù)智能家居管理模式，存在著主控、并行等多種運(yùn)行模式，如圖2所示。

3 功能模塊及程序設(shè)計(jì)

本模擬智能家居系統(tǒng)由電子密碼門鎖、模擬智能溫控空調(diào)、模擬智能洗衣機(jī)、智能開關(guān)四大模塊組成，如圖3所示。每個(gè)模塊都可以獨(dú)自成為一個(gè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可以根據(jù)每個(gè)模塊所涉及到的知識(shí)點(diǎn)的難易程度進(jìn)行先后順序調(diào)整開展項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。從圖上可以看出，四個(gè)模塊共用7段SEG數(shù)碼管顯示模塊、8279鍵盤顯示控制器模塊和固定脈沖模塊，因此在項(xiàng)目開展過程中，可以使用統(tǒng)一的初始化函數(shù)、底層顯示函數(shù)以及按鍵獲取函數(shù)。

如圖2所示，本系統(tǒng)并不單純的只是四個(gè)模塊共用硬件，各自獨(dú)立工作，而是在各自獨(dú)立的基礎(chǔ)上，有著相互的控制關(guān)系。因此，在程序的編寫過程中，分別將四個(gè)模塊寫成獨(dú)立的函數(shù)并使用返回值來標(biāo)識(shí)模塊程序是否執(zhí)行成功，依次為電子密碼門鎖控制code_case函數(shù)、智能溫控空調(diào)condition函數(shù)、智能洗衣機(jī)washing函數(shù)和智能開關(guān)relay函數(shù)，控制流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先運(yùn)行電子密碼門鎖程序模塊，模擬實(shí)現(xiàn)智能家居密碼開門過程，若密碼輸入不正確，則不進(jìn)入下面流程，直至輸入密碼正確，電子密碼門鎖函數(shù)返回值為1。當(dāng)密碼正確時(shí)，密碼門鎖打開，系統(tǒng)查詢是否需要設(shè)置定時(shí)設(shè)備，如果需要設(shè)定，則進(jìn)入智能開關(guān)程序模塊，當(dāng)設(shè)定的定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，智能開關(guān)函數(shù)返回值為0，直至設(shè)定時(shí)間達(dá)到，智能開關(guān)函數(shù)返回值1，智能開關(guān)直接控制智能空調(diào)開啟，同時(shí)直接啟動(dòng)智能洗衣機(jī)。倘若密碼門鎖打開后，未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有設(shè)置定時(shí)，則直接啟動(dòng)智能空調(diào)，而智能洗衣機(jī)則可以通過啟動(dòng)按鈕手動(dòng)進(jìn)行啟動(dòng)。

3.1 電子密碼門鎖

電子密碼門鎖采用8位密碼控制，初始密碼由程序設(shè)置，電子門鎖默認(rèn)狀態(tài)為無顯示。所有輸入由4×4鍵盤矩陣實(shí)現(xiàn)，鍵盤矩陣按鍵包括，數(shù)字0～9、密碼設(shè)置功能鍵Set、取消鍵Cancel、重置鍵Reset、刪除鍵Delete、確認(rèn)鍵Confirm和預(yù)留鍵Keepon。當(dāng)從鍵盤輸入數(shù)字與初始密碼完全匹配時(shí)，蜂鳴器響一聲，顯示“On”，控制LED燈亮，模擬開門；若密碼輸入錯(cuò)誤，則蜂鳴器長(zhǎng)響，顯示“Err”，需按下Cancel鍵，方能取消。

初始密碼可以通過按下Set鍵進(jìn)行修改，第一次輸入原始密碼，若密碼核對(duì)正確，則進(jìn)入重設(shè)密碼環(huán)節(jié)，輸入新設(shè)置的8位密碼后，按下Set表示確認(rèn)并退出密碼重置環(huán)節(jié)。

本模塊程序設(shè)計(jì)包括8279初始化函數(shù)init8279和顯示函數(shù)disp8279，按鍵獲取函數(shù)getkey，初始化密碼矩陣函數(shù)init_code，密碼核對(duì)函數(shù)code_check，數(shù)碼管顯示函數(shù)show_display。由兩種模式狀態(tài)組成，分別是Normal和Set，用flag標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)密碼正確與錯(cuò)誤狀態(tài)，用codein_counter對(duì)當(dāng)前的輸入數(shù)位進(jìn)行記錄。

3.2 模擬智能溫控空調(diào)

模擬智能溫控空調(diào)使用DS18B20溫度測(cè)量元件進(jìn)行溫度監(jiān)控，通過7段SEG數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度值。當(dāng)溫度超過26 ℃時(shí)，點(diǎn)亮綠色LED燈，并啟動(dòng)直流電機(jī)模擬空調(diào)制冷；當(dāng)溫度低于18 ℃時(shí)，點(diǎn)亮黃色LED燈，并啟動(dòng)直流電機(jī)模擬空調(diào)制熱。

本模塊程序設(shè)計(jì)包括DS18B20讀取函數(shù)RD_1821和設(shè)置函數(shù)WR_1820，獲取溫度函數(shù)GET_T，將獲取的temp_v數(shù)組轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)值的函數(shù)T_COV。

3.3 模擬智能洗衣機(jī)

智能模擬洗衣機(jī)使用按鈕控制洗衣機(jī)啟動(dòng)，用7段SEG數(shù)碼管的第一位顯示洗衣機(jī)的不同狀態(tài)階段，包括初始設(shè)置階段（S）、洗滌階段（P）、甩干階段（d）；用7段SEG數(shù)碼管的最后一位顯示時(shí)長(zhǎng)設(shè)置。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，程序進(jìn)入初始設(shè)置階段，可以通過4×4鍵盤矩陣輸入洗滌時(shí)間，按Set鍵保存設(shè)置并進(jìn)入甩干時(shí)間設(shè)置，在鍵盤輸入時(shí)間設(shè)置后，按確認(rèn)鍵進(jìn)入自動(dòng)洗滌甩干階段。程序控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速正反轉(zhuǎn)模擬洗滌過程，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高速正轉(zhuǎn)模擬甩干過程。當(dāng)甩干階段結(jié)束后，程序控制電子蜂鳴器輸出一段音樂，通知洗衣過程結(jié)束。

本模塊程序設(shè)計(jì)包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制函數(shù)motor，定時(shí)中斷函數(shù)timer，洗滌過程函數(shù)washing，甩干過程函數(shù)dry，顯示函數(shù)show_disp，按鍵獲取函數(shù)getkey。由Set和Running兩種模式狀態(tài)組成，采用wash_time、dry_time分別設(shè)置洗滌時(shí)間和甩干時(shí)間。

3.4 智能開關(guān)

智能開關(guān)由4×4鍵盤矩陣輸入時(shí)間進(jìn)行定時(shí)控制，當(dāng)計(jì)時(shí)完成，則控制繼電器的常開開關(guān)關(guān)閉，常閉開關(guān)打開，進(jìn)而控制繼電器所連接的LED燈顯示紅燈滅，綠燈亮模擬所控電器的通電過程。

本模塊程序設(shè)計(jì)包括繼電器控制函數(shù)relay，定時(shí)中斷函數(shù)timer，按鍵獲取函數(shù)getkey。通過Set_time記錄設(shè)置的定時(shí)時(shí)間，以秒為單位，開始倒計(jì)時(shí)，用flag標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)是否完成倒計(jì)時(shí)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于LH-M10實(shí)驗(yàn)箱的模擬智能家居控制系統(tǒng)通過四個(gè)基礎(chǔ)模塊從原理層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)今逐步普及的智能家居系統(tǒng)的模擬，在教學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，具有一定的先進(jìn)性、典型性和全面性。當(dāng)然，本系統(tǒng)還不夠完善，隨著智能家居體系的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通訊[5]、無線控制[6]與語音遙控[7]將成為后期發(fā)展的重要方向。根據(jù)其發(fā)展方向，本系統(tǒng)后續(xù)可進(jìn)行遠(yuǎn)程無線控制、智能語音遙控開關(guān)等模塊的功能設(shè)計(jì)與開發(fā)。

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Abstract： Smart homewhich is the advanced stage of Home Automation， is the inevitable result of the development of science and technology. The design and development of this system which named simulate control system of smart home based on LH-M10 experiment box， is using LH-M10 experiment box hardware， and is the demo implement of the typical modules in smart home system. Also this system coversinformation data collection， procession， and feedback. After considering the trend of smart home， the further researching plan has been prospected.

Keywords： single-chip microcomputer； smart home； simulate control system； experimental project of teaching

（責(zé)任編輯：徐興華）