基于手機遠程遙控和物聯網技術的智能家居控制系統

1.1 引言

21世紀是信息化的世紀，各種電信和互聯網新技術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。本文介紹的數字化家居控制系統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、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，預先將家中的空調打開、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯……；而這一切的實現都僅僅是打一個簡單的電話。該系統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，并會根據實際情況進行適當的調整。在陰暗的天氣里，它會自動打開燈，并調整燈的亮度，在陽光充足的天氣里，它會自動關閉燈，或者將燈光調暗，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志，智能家居控制系統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代生活。

實現智能化離不開運算和控制單元，本系統采用AT32UC3A0512作為主控器件，單片機應用系統由硬件和軟件組成。硬件由單片機擴展的存儲器、輸入/出設備以及各種實現單片機系統控制要求的接口電路和有關的外圍電路芯片或部件組成；軟件由單片機應用系統實現其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組成。在單片機應用系統開發(fā)的過程中，應不斷調整軟、硬件，協調地進行軟、硬件設計，以提高工作效率，當系統硬件和軟件緊密配合、協調一致，就可以組成高性能的單片機應用系統。本課題完成了單片機應用系統其開發(fā)過程的系統的總體設計、硬件設計、軟件設計和系統調試，根據開發(fā)的實際需要，相互協調、交叉，有機的進行。本設計的MCU與各個芯片和模塊的接口、各項標準都嚴格遵循國家有關標準，為以后的產品化提供了良好的基礎。

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

在設計本系統時，面對各種檢測對象和大量控制單元，需要利用各種接口標準和MCU進行連接，再經過MCU進行數據處理，實現實時測控。而此時采用單片機來實現智能家居控制系統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調性，從而大大提高系統的可利用性。此次系統設計統正是把MT8870、TC35 modem與AT32UC3A0512單片機有機的結合起來，順利的完成了本設計的要求。并且實現了學習型遠程紅外遙控功能，為控制紅外家電和設備提供了良好的基礎。本系統也可應用于工農業(yè)中,實現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，世界各國的電話網絡發(fā)展非常迅速，近十年來，中國的固定電話業(yè)務呈現出舉世矚目的快速增長。1997年8月局用電話交換機總容量突破1億門，網絡規(guī)模躍居世界第二位，2006年初固定電話用戶總數達到35539.2萬戶，移動電話用戶達到40407.2萬戶，現代電話網絡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字化時代，它們的性能已經有了很大的進展，而且可靠性非常高。

正是因為通信技術、計算機技術、網絡技術、控制技術的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實現了生活現代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習慣，提高了人們生活質量，家居智能化也正是在這種形勢下應運而生的。智能家居控制系統的主要功能包括通信、設備自動控制、安全防范三個方面。

隨著新技術和自動化的發(fā)展，傳感器的使用數量越來越大，功能也越來越強，各種傳感器都已經標準化、模塊化這給智能家居控制系統的設計提供極大方便。

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，由于手機各地聯網，可以充分利用現有的手機網，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，因而距離實際應用，尤其是對于日常生活尚有一定的差距，并不能完全體現出手機遙控方式的雙工通信特點。本設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，使產品達到交互式與智能化。

短信息服務（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Comm unication）系統中提供的一種GSM終端（手機）之間，通過服務中心(service center)進行文本信息收發(fā)的應用服務，其中服務中心完成信息的存儲和轉發(fā)功能。短信息服務作為GSM網絡的一種基本業(yè)務，已得到越來越多的系統運營商和系統開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務的各種應用也蓬勃發(fā)展起來。由于GSM網絡在全國范圍內實現了聯網和漫游，具有網絡能力強的特點，用戶無需另外組網，在極大提高網絡覆蓋范圍的同時為客戶節(jié)省了昂貴的建網費用和維護費用。同時，他對用戶的數量也沒有限制，克服了傳統的專網通信系統投資成本大、維護費用高、且網絡監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數量有限的缺陷。比傳統的集群系統在無線網絡覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢，加上GSM的SMS本身具備的數據傳送功能，都使得這些應用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統進行無線通信還具有雙向數據傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠程數據傳送和監(jiān)控設備的通信提供了一個強大的支持平臺。在此以GSM網絡作為數據無線傳輸網絡，它可以應用在銀行、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)控維護系統像煤氣調壓站、自來水、污水管網和熱力系統 、電力系統城市中電網等情況中。在此本系統采用了Siemens公司新一代無線通信GSM模塊TC35是，它設計小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系統的設計。

另外本系統應用了當前最熱門的物聯網技術，在智能家居的終端控制設備和相應的節(jié)點上采用無線技術，準備應用zigbee或者rf模塊來達到無線化的理想家居環(huán)境。另外，智能樓宇在當今也算是一個比較新興的市場，國務院在十二五中就提到了物聯網，也提到了智能家居的發(fā)展方向以及重點公關，相信智能家居和物聯網等相關技術會在未來十年內得到很大的發(fā)展。

而且，在中國，智能家居的發(fā)展時間雖不長，但是從國內家電巨頭及網絡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業(yè)帶來新的賣點和活力，因此“全智能”是二十一世紀房產開發(fā)商力推的主題，這也意味著，我國智能家居產業(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%，總人口的3.5%，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，智能家居系統的銷售數量和總銷售額都呈現連續(xù)攀升的勢頭，智能家居市場從南方沿海地區(qū)和內地大中型城市已經輻射到西部地區(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.根據當前的環(huán)境溫濕度和光照度與預先設置的溫濕度和光照度，自動通過調整百葉窗，PWM控制的LED日光燈，空調和加濕器來對屋內環(huán)境進行調整，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，會播放事前設置好的語音命令，例如空調請按1，電視請按2等，然后按進入以后會有相關的關閉和開啟提示，按下相應的按鍵將可以控制家里的電器。

3.能實現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，實現節(jié)能和減排，這也符合當今時代倡導的環(huán)保。

5.在電腦端能夠實現簡單的控制和檢測功能，可以通過遠程網絡節(jié)點對該設備進行操作。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

1.該系統能夠預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控制?？梢詫γ艽a進行修改，但修改必須經過特殊手段，例如在控制臺端設置自鎖開關，如果要修改密碼，必須將該開關閉合，修改后，必須將該開關斷開才能正常工作。