基于手機遠程遙控和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)

1.1 引言

21世紀是信息化的世紀，各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動了人類文明的巨大進步。你是否想一踏入家門就是一個光照度和溫濕度舒適的環(huán)境，你是否在外邊擔(dān)心家里的安全，你是否想遙在外邊想通過一個簡單的電話就能控制家里的電器等。本文介紹的數(shù)字化家居控制系統(tǒng)可以使得人們可以通過手機或電話在任何時候、任意地點對家中的任意電器（空調(diào)、熱水器、電飯煲、燈光、音響、DVD錄像機）進行遠程控制；也可以在下班途中，預(yù)先將家中的空調(diào)打開、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯……；而這一切的實現(xiàn)都僅僅是打一個簡單的電話。該系統(tǒng)除了具有手機遠程控制功能后，還能通過自身的傳感器模塊感知外界環(huán)境的具體情況，并會根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在陰暗的天氣里，它會自動打開燈，并調(diào)整燈的亮度，在陽光充足的天氣里，它會自動關(guān)閉燈，或者將燈光調(diào)暗，并且與百葉窗配合來控制家里的光照度，由于本項目采用的是亮度可調(diào)的LED燈，所以對于節(jié)能和環(huán)保都有很大的意義。此外，該系統(tǒng)還可使家庭具有多途徑報警、遠程監(jiān)控等多種功能，如果不幸出現(xiàn)某種險情，您和110可以在第一時間獲得通知以便進一步采取行動。舒適、時尚的家居生活是社會進步的標(biāo)志，智能家居控制系統(tǒng)能夠在不改變家中任何家電的情況下，對家里的電器、燈光、電源、家庭環(huán)境進行方便地控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時尚的現(xiàn)代生活。

實現(xiàn)智能化離不開運算和控制單元，本系統(tǒng)采用AT32UC3A0512作為主控器件，單片機應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件由單片機擴展的存儲器、輸入/出設(shè)備以及各種實現(xiàn)單片機系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件組成；軟件由單片機應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組成。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的過程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進行軟、硬件設(shè)計，以提高工作效率，當(dāng)系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，就可以組成高性能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。本課題完成了單片機應(yīng)用系統(tǒng)其開發(fā)過程的系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試，根據(jù)開發(fā)的實際需要，相互協(xié)調(diào)、交叉，有機的進行。本設(shè)計的MCU與各個芯片和模塊的接口、各項標(biāo)準(zhǔn)都嚴格遵循國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為以后的產(chǎn)品化提供了良好的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)的手機遠程控制是基于電話交換網(wǎng)絡(luò)的國際雙音頻通信標(biāo)準(zhǔn)DTMF通信方式，程控交換信令作為系統(tǒng)控制命令，采用MT8870雙音頻編解碼電路實現(xiàn)，單片機通過MT8870識別來自手機的網(wǎng)絡(luò)的控制信號，用戶只需撥通家中的控制手機就可以根據(jù)系統(tǒng)的語音提示進行按鍵選擇以實現(xiàn)用戶身份的識別、遠程控制和安防操作；各種傳感器的檢測是利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過單片機進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)實時測控；短消息發(fā)送部分采用基于SIEMENS TC35 GSM模塊TC35 modem 和TI公司的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3238等器件構(gòu)成的移動終端的硬件電路可以完成短消息收發(fā)等功能。

在設(shè)計本系統(tǒng)時，面對各種檢測對象和大量控制單元，需要利用各種接口標(biāo)準(zhǔn)和MCU進行連接，再經(jīng)過MCU進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)實時測控。而此時采用單片機來實現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)不僅具有采集控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點，而且可以大幅度提高采各模塊和芯片的協(xié)調(diào)性，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。此次系統(tǒng)設(shè)計統(tǒng)正是把MT8870、TC35 modem與AT32UC3A0512單片機有機的結(jié)合起來，順利的完成了本設(shè)計的要求。并且實現(xiàn)了學(xué)習(xí)型遠程紅外遙控功能，為控制紅外家電和設(shè)備提供了良好的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)也可應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)中,實現(xiàn)對無人值守崗位的遠程監(jiān)控等。

1.2 項目背景/選題動機

21世紀是信息時代，各種電信新技術(shù)推動了人類文明的進步。自從1876年，Alexander Graham Bell（貝爾）發(fā)明電話以來，世界各國的電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常迅速，近十年來，中國的固定電話業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出舉世矚目的快速增長。1997年8月局用電話交換機總?cè)萘客黄?億門，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模躍居世界第二位，2006年初固定電話用戶總數(shù)達到35539.2萬戶，移動電話用戶達到40407.2萬戶，現(xiàn)代電話網(wǎng)絡(luò)是由程控交換機進行交換傳輸，移動通信也從模擬時代走向了高度數(shù)字化時代，它們的性能已經(jīng)有了很大的進展，而且可靠性非常高。

正是因為通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化也正是在這種形勢下應(yīng)運而生的。智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括通信、設(shè)備自動控制、安全防范三個方面。

隨著新技術(shù)和自動化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，功能也越來越強，各種傳感器都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化這給智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計提供極大方便。

手機遠程控制作為一較新的課題與常規(guī)的遙控方式相比，顯示出一定的優(yōu)越性，不需進行專門的布線。同時，由于手機各地聯(lián)網(wǎng)，可以充分利用現(xiàn)有的手機網(wǎng)，因此遙控距離可跨省市，甚至跨越國家。另外手機屬雙工通信手段。因此，這可以大大體現(xiàn)出利用手機進行遙控的更大優(yōu)越性。操作者可以通過各種提示音即時了解受控對象的有關(guān)信息，從而進行進一步的操作。手機遙控部分課題目前已有涉足者，但是只是還只限于實驗室階段，因而距離實際應(yīng)用，尤其是對于日常生活尚有一定的差距，并不能完全體現(xiàn)出手機遙控方式的雙工通信特點。本設(shè)計正是針對這一點進行了較大改進，采取單片機智能控制，利用不同的提示音達到對于不同操作的提示及對受控方狀態(tài)的信息反饋，從而使操作者能夠及時了解受控方信息，使產(chǎn)品達到交互式與智能化。

短信息服務(wù)（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Comm unication）系統(tǒng)中提供的一種GSM終端（手機）之間，通過服務(wù)中心(service center)進行文本信息收發(fā)的應(yīng)用服務(wù)，其中服務(wù)中心完成信息的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能。短信息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，已得到越來越多的系統(tǒng)運營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有網(wǎng)絡(luò)能力強的特點，用戶無需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時為客戶節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費用和維護費用。同時，他對用戶的數(shù)量也沒有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大、維護費用高、且網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。比傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢，加上GSM的SMS本身具備的數(shù)據(jù)傳送功能，都使得這些應(yīng)用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統(tǒng)進行無線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個強大的支持平臺。在此以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，它可以應(yīng)用在銀行、儲蓄點機房監(jiān)控、電信機房動力環(huán)境監(jiān)控、通信行業(yè)遠端無人值守站機房監(jiān)控和遠程維護（如移動通信基站、微波站、光纖中繼站等）及其他無人值守點（如倉庫、辦公樓等）監(jiān)控及城市公用事業(yè)實時監(jiān)控維護系統(tǒng)像煤氣調(diào)壓站、自來水、污水管網(wǎng)和熱力系統(tǒng) 、電力系統(tǒng)城市中電網(wǎng)等情況中。在此本系統(tǒng)采用了Siemens公司新一代無線通信GSM模塊TC35是，它設(shè)計小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計。

另外本系統(tǒng)應(yīng)用了當(dāng)前最熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在智能家居的終端控制設(shè)備和相應(yīng)的節(jié)點上采用無線技術(shù)，準(zhǔn)備應(yīng)用zigbee或者rf模塊來達到無線化的理想家居環(huán)境。另外，智能樓宇在當(dāng)今也算是一個比較新興的市場，國務(wù)院在十二五中就提到了物聯(lián)網(wǎng)，也提到了智能家居的發(fā)展方向以及重點公關(guān)，相信智能家居和物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)會在未來十年內(nèi)得到很大的發(fā)展。

而且，在中國，智能家居的發(fā)展時間雖不長，但是從國內(nèi)家電巨頭及網(wǎng)絡(luò)巨子的紛紛出手試水智能家居市場以及許多國際大企業(yè)對國內(nèi)智能家居廠家并購案可以看出，中國智能家居市場潛在著巨大商機。全國房地產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，小區(qū)智能化已成為一項基本要求，再配上智能家居，“全智能”的概念必然給房地產(chǎn)業(yè)帶來新的賣點和活力，因此“全智能”是二十一世紀房產(chǎn)開發(fā)商力推的主題，這也意味著，我國智能家居產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展契機。

中國富有階層正在形成，該部分家庭戶均年收入在5.6萬元以上，人口約4460萬人，1400多萬戶，占城市人口的10%，總?cè)丝诘?.5%，占全社會消費購買力總和6萬億元的17%左右，因此主要針對這部分人的智能家居系統(tǒng)其市場總量為1400萬套。正是在這種情況下，近兩年來，智能家居系統(tǒng)的銷售數(shù)量和總銷售額都呈現(xiàn)連續(xù)攀升的勢頭，智能家居市場從南方沿海地區(qū)和內(nèi)地大中型城市已經(jīng)輻射到西部地區(qū)。我國2009年智能家居市場規(guī)模達到420億元，由于一系列向好因素的刺激作用，之后幾年市場規(guī)模增速將超過20%，2015年預(yù)計將達到1240億元。本項目正是居于此市場因素的考慮下，逐手組建智能家居終端控制系統(tǒng)的，因此具有較大的市場前景。

二、需求分析

2.1 功能要求

1.根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境溫濕度和光照度與預(yù)先設(shè)置的溫濕度和光照度，自動通過調(diào)整百葉窗，PWM控制的LED日光燈，空調(diào)和加濕器來對屋內(nèi)環(huán)境進行調(diào)整，使得整體的環(huán)境達到最適宜狀態(tài)。

2.可以通過手機遠程控制家里的電器，用手機控制時候，通過語音芯片先前錄好的音，語音提示輸入密碼，輸入密碼正確后，會播放事前設(shè)置好的語音命令，例如空調(diào)請按1，電視請按2等，然后按進入以后會有相關(guān)的關(guān)閉和開啟提示，按下相應(yīng)的按鍵將可以控制家里的電器。

3.能實現(xiàn)簡單的防盜和報警功能，并能采取簡單的處理，例如家里煤氣泄漏時候，能夠自動檢測到，并且打開抽氣機，并通過短信及時的報告屋主。能夠防止外來人入侵，實現(xiàn)熱釋電等來人檢測等。

4.能手動控制家里的LED燈光的亮暗程度，可以通過PWM來控制整體的燈，實現(xiàn)節(jié)能和減排，這也符合當(dāng)今時代倡導(dǎo)的環(huán)保。

5.在電腦端能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的控制和檢測功能，可以通過遠程網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對該設(shè)備進行操作。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

1.該系統(tǒng)能夠預(yù)留未來可能需要用到的電器的接口

2.該手機遠程控制器能夠方便使用和防止誤操作，能夠識別密碼和振鈴信號，只有輸入密碼正確的條件下才能對電器和系統(tǒng)控制?？梢詫γ艽a進行修改，但修改必須經(jīng)過特殊手段，例如在控制臺端設(shè)置自鎖開關(guān)，如果要修改密碼，必須將該開關(guān)閉合，修改后，必須將該開關(guān)斷開才能正常工作。