一種基于微控制器的智能家居電能控制系統(tǒng)

1 系統(tǒng)結構

該電能控制系統(tǒng)由遙控器和插座節(jié)點組成，其工作原理如圖1所示。當用戶在家時，通過遙控器以射頻方式對插座進行控制。插座節(jié)點收到信號后，由微控制器進行解碼，并根據得出的結果，對特定編號的插座做通斷電處理，從而使與其連接的用電器被啟動或者關閉。當用戶離住所較遠時，可通過GSM網絡向遙控器發(fā)送手機短信 ，微控制器讀取信息后，通過射頻芯片，將信息傳遞到室內的無線網絡中，進而使相應地址上的插座受到控制。由此可見，遙控器在整個智能家居系統(tǒng)中屬于網關節(jié)點 ，一方面，它與插座節(jié)點組成了室內射頻局域網，另一方面，它又與GSM網絡相連，延展了遙控距離。遙控器的內部結構如圖2所示，包括溫濕度檢測電路、時鐘模塊、nRF905射頻收發(fā)模塊、GSM模塊等功能電路，這些模塊均與控制核心LM3S811相連。該微控制器采用ARM Coaex-M3架構，由于依托高密度的Thumb-2指令集，內存開銷大大降低，操作系統(tǒng)的移植也更加方便。

圖1 遙控插座工作原理

圖2 遙控器結構框圖

插座節(jié)點主要實現與遙控器的射頻通信以及繼電器的通斷控制，其結構框圖如圖3所示。插座中的煙霧傳感器用于預防火災危險。一旦檢測到煙霧或可燃性氣體，插座上對應的繼電器將斷開，并通過射頻收發(fā)模塊向遙控器匯報，遙控器收到信息后，再通過GSM模塊的短信功能及時提醒用戶采取相應的措施，防止危險的發(fā)生或財產損失的進一步擴大。由于插座端工作量較少，從成本和性能兩方面考慮，本系統(tǒng)采用STC12C5620AD微控制器作為插座端的主控芯片。

圖3 插座節(jié)點結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 溫濕度檢測電路

本系統(tǒng)采用溫度傳感器LM35和濕度測量模塊CHM-02進行環(huán)境監(jiān)測。LM35的電壓輸出與攝氏溫度呈線性關系，無需校準就可在常溫環(huán)境下達±l/4℃的測量精度。CHM-02模塊可在0~70 ℃的溫度下對20~95%RH范圍內的濕度進行檢測，室溫下的測量精度為5%RH。溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖如圖4所示。由于兩種傳感器輸出的模擬信號在MCU片內A/D采樣電路的檢測范圍內，所以直接將兩者的輸出端與MCU的兩個ADC引腳連接。模擬式傳感器的使用不但充分利用了控制器的片上資源，而且提高了子程序的利用率。

圖4 溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖

2.2 煙霧檢測電路

煙霧傳感器MQ一2基于SnO：的電化學特性，對可燃性氣體及煙塵有良好的檢測靈敏度。煙霧檢測電路原理圖如圖5所示。MQ.2在正常工作前需要對內部加熱絲的H.h兩極通電預熱 ，為了防止加熱電流過大而導致內部信號線溫度過高，此處將加熱絲與100 Q電阻串聯。當環(huán)境中的煙霧或可燃氣體超過警戒閾值時，傳感器A.B兩極間的電導率迅速增加，與其串聯的負載電阻m所獲得的電壓也相應增加，該電壓信號經低功耗運放TLC27M2放大后，得到與煙霧或可燃氣濃度相對應的模擬量輸出，最終接人控制器的ADC模塊進行量化。