智能家居空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 21世紀(jì)是信息時(shí)代，各種電信技術(shù)推動(dòng)了人類文明的發(fā)展。正是因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，促使家庭實(shí)現(xiàn)了生活方式更加現(xiàn)代化，居住環(huán)境更加舒適、安全。智能家居控制系統(tǒng)的功能主要包括通信、設(shè)備自動(dòng)控制、安全防范3個(gè)方面。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用量越來(lái)越大，功能越來(lái)越強(qiáng)，各種標(biāo)準(zhǔn)化傳感器模塊的出現(xiàn)給智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了便利。智能家居空調(diào)控制系統(tǒng)除了能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的通過(guò)遙控按鍵控制空調(diào)之外，還加入了藍(lán)牙、溫度傳感器等模塊，可通過(guò)手機(jī)發(fā)射命令直接控制空調(diào)，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及控制原理

智能家居空調(diào)控制系統(tǒng)采用兩種方式控制空調(diào)，一種是傳統(tǒng)的遙控按鍵方式，另一種是通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙發(fā)射命令。系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)、溫度傳感器、紅外模塊、藍(lán)牙模塊等幾部分組成，其中MSP430單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，負(fù)責(zé)解析按鍵和藍(lán)牙傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)并作出相關(guān)應(yīng)答;溫度傳感器用來(lái)感應(yīng)外界溫度，其設(shè)置的溫度范圍是20～26℃，當(dāng)溫度在此范圍時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定好的程序自動(dòng)關(guān)閉空調(diào);當(dāng)溫度不在這個(gè)范圍時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)按鍵或藍(lán)牙來(lái)開啟空調(diào)并控制空調(diào)的各種模式，當(dāng)溫度不在這一范圍時(shí)也可設(shè)置自動(dòng)控制模式，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟空調(diào)并根據(jù)外界溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，無(wú)需通過(guò)手動(dòng)開啟;紅外模塊根據(jù)單片機(jī)的應(yīng)答發(fā)射信號(hào)來(lái)控制空調(diào);藍(lán)牙模塊接收手機(jī)發(fā)射的命令并將其傳送給單片機(jī)。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

1.1 紅外控制原理

紅外信號(hào)發(fā)揮作用的基本前提條件是使紅外光在紅外傳感器和空調(diào)之間傳輸信號(hào)，紅外光位于電磁頻道的不可見部分，紅外控制就是利用波長(zhǎng)為0.78～1.4μm之間的近紅外線來(lái)傳送控制信號(hào)的，如圖2所示。

紅外控制主要由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成。目前大部分家電均采用紅外一體化接收頭來(lái)接收紅外信號(hào)。系統(tǒng)發(fā)送端采用MSP430單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號(hào);由空調(diào)內(nèi)置的紅外一體化接收頭接收紅外信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并作出相關(guān)應(yīng)答。發(fā)送和接收示意圖如圖3所示。

1.2 藍(lán)牙控制原理

藍(lán)牙是一種低功耗的無(wú)線技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷是將智能移動(dòng)電話與筆記本電腦、掌上電腦以及各種數(shù)字信息的外部設(shè)備用無(wú)線方式連接起來(lái)，取代PC、打印機(jī)、傳真機(jī)和移動(dòng)電話等設(shè)備上的有線接口，進(jìn)而形成一種個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，使得在可達(dá)范圍內(nèi)各種信息化的移動(dòng)便攜設(shè)備都能無(wú)縫地共享資源。藍(lán)牙具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合。藍(lán)牙無(wú)線傳輸通過(guò)RF(2.4 GHz)載波進(jìn)行，功耗低，傳輸速度快，可同時(shí)連接多個(gè)系統(tǒng)。采用藍(lán)牙技術(shù)無(wú)需設(shè)置，只要兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備互相進(jìn)入無(wú)線電平所允許的連接范圍內(nèi)，藍(lán)牙協(xié)議就會(huì)自動(dòng)掃描檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)連接，進(jìn)行信息交換。系統(tǒng)所采用的藍(lán)牙設(shè)備分別是藍(lán)牙模塊和手機(jī)，其中藍(lán)牙模塊采用3.4 V電源供電，兩者連接后，在一定距離內(nèi)手機(jī)可通過(guò)藍(lán)牙串口軟件向藍(lán)牙模塊發(fā)射信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)解析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制空調(diào)。

2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由MSP430單片機(jī)、紅外模塊、藍(lán)牙模塊、溫度傳感器模塊構(gòu)成。系統(tǒng)選用MSP430F149作為主控制器，該型號(hào)單片機(jī)具有可靠性高、功耗低、擴(kuò)展靈活、體積小、價(jià)格低和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、專用設(shè)備智能化管理及過(guò)程控制，有效地提高了控制質(zhì)量，其既要負(fù)責(zé)藍(lán)牙信號(hào)的接收，又要給紅外模塊傳輸相應(yīng)命令;紅外模塊主要在接收到命令之后發(fā)射紅外信號(hào)從而控制空調(diào)的開關(guān);藍(lán)牙模塊作為手機(jī)和單片機(jī)間的一個(gè)信號(hào)中轉(zhuǎn)站，藍(lán)牙模塊接收到手機(jī)發(fā)來(lái)的命令，傳給單片機(jī)，然后單片機(jī)對(duì)藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行解析;溫度傳感器用來(lái)感應(yīng)外界溫度，其設(shè)置的溫度范圍是20～26℃，當(dāng)溫度不在在這個(gè)范圍時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)按鍵模式或者設(shè)置自動(dòng)控制模式以及藍(lán)牙模式來(lái)控制空調(diào)。系統(tǒng)整體連接電路圖如圖5所示。

系統(tǒng)控制的是美的牌空調(diào)，因此，需對(duì)美的牌遙控器進(jìn)行解碼，遙控器解碼如表1所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要由兩部分構(gòu)成，即藍(lán)牙信號(hào)的接收和紅外信號(hào)的發(fā)射。軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

3.1 藍(lán)牙模塊接收手機(jī)命令的調(diào)試

藍(lán)牙模塊使用3.4 V的電源供電，手機(jī)打開藍(lán)牙后和藍(lán)牙模塊匹配，通過(guò)手機(jī)的藍(lán)牙串口軟件向藍(lán)牙模塊發(fā)送命令，如“開”、“關(guān)”、“自動(dòng)”、“+”“-”等，若能正常發(fā)送，則表明藍(lán)牙模塊可正常接收命令，工作狀態(tài)正常;否則，藍(lán)牙模塊工作狀態(tài)異常，需重新調(diào)試藍(lán)牙模塊。

3.2 紅外模塊和溫度傳感器的調(diào)試

紅外模塊和溫度傳感器是相連接的，兩者通過(guò)串口與MSP430單片機(jī)相連接。溫度傳感器設(shè)置的溫度范圍是20～26℃，當(dāng)溫度在這一范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定程序自動(dòng)關(guān)閉空調(diào);當(dāng)溫度不在這一范圍時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)按鍵模式或手機(jī)藍(lán)牙模式來(lái)開啟空調(diào)并控制空調(diào)的各種模式，當(dāng)溫度不在這個(gè)范圍時(shí)也可設(shè)置自動(dòng)控制模式，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟空調(diào)并根據(jù)外界溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，無(wú)需手動(dòng)開啟。在室溫時(shí)，若可通過(guò)按鍵模式和藍(lán)牙模式來(lái)控制空調(diào)，則表明紅外傳感器和溫度傳感器可以正常感知外界溫度和發(fā)射紅外信號(hào)，工作狀態(tài)正常;否則，紅外傳感器和溫度傳感器工作狀態(tài)異常，需要重新調(diào)試。

3.3 系統(tǒng)整體調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

調(diào)試第一種工作方式，即通過(guò)按鍵方式來(lái)控制空調(diào)。先按下設(shè)置好的開空調(diào)按鍵，若空調(diào)正常啟動(dòng)，則繼續(xù)下一步：按下加溫度按鍵(或減溫度按鍵、自動(dòng)模式按鍵等)，若空調(diào)能執(zhí)行這些按鍵所對(duì)應(yīng)的指令，則表明第一種控制方式可實(shí)現(xiàn)，否則需重新調(diào)試。

調(diào)試第二種工作方式，即通過(guò)手機(jī)來(lái)控制空調(diào)。先在手機(jī)的藍(lán)牙串口軟件上發(fā)送“開”命令，如果空調(diào)正常啟動(dòng)，則繼續(xù)下一步：發(fā)送“+”(或“-”、“自動(dòng)”等)，若空調(diào)能執(zhí)行這些命令，則表明第二種方式可實(shí)現(xiàn)，否則仍需重新調(diào)試。

系統(tǒng)經(jīng)上述調(diào)試及測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)的啟停控制、溫度升降控制以及自動(dòng)控制等功能，可通過(guò)按鍵及手機(jī)藍(lán)牙兩種方式控制空調(diào)。部分實(shí)驗(yàn)效果圖如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)和紅外傳輸、藍(lán)牙通信等技術(shù)，用MSP430系列單片機(jī)作為主控制器，充分利用了該系列單片機(jī)低功耗、資源豐富等優(yōu)勢(shì)，與紅外模塊和藍(lán)牙模塊相結(jié)合，應(yīng)用于空調(diào)控制，擴(kuò)展了家居控制的智能化程度。系統(tǒng)架構(gòu)在智能家居控制及服務(wù)領(lǐng)域有著較廣闊的應(yīng)用前景，下一步可以融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)展開研究。