智能家居控制系统设计研究

    一、智能家居发展概况
　　智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台，安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。智能家居是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居分为本地控制和远程控制两种类型。本地控制是指可直接通过网络开关实现对灯及其他电器的各种智能控制。远程控制是指通过遥控器、定时控制器、集中控制器或电话、计算机等来实现各种远距离控制。
　　智能家居系统的使用群体会要求产品的功能更强大、更智能，使用更简单方便，设计的更人性合理，并且对设备的本身是否可以升级等多方面考虑。智能化的发展在向着“以人为本”的同时，与之相应的各种家具产品也是应运而生。例如从淋浴室到多功能蒸汽房，还有加载各种人性化设计、丰富的附属娱乐装置的**浴缸等等，充分体现了现代智能家居以人为本的观念。
　　今后几年，智能家居市场会进入一个行业整合阶段，最终可能会出现几家规模比较大，品牌影响力好的厂家。从产品角度来讲，以后的智能家居产品会朝着实用化、傻瓜化(操作简单)、模块化的方向发展。
　　二、智能家居控制系统的工作原理
　　智能家居控制系统是凭借各种检测设备来收集外界数据，将收集的数据交给以ARM体系为核心的嵌入式系统进行处理和运算，ARM体系的处理器是目前嵌入式系统中使用最广泛的处理器。其采用了RISC技术，具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点，并且其支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。
　　ARM使用大量的寄存器，使得指令执行速度更加快速，大多数数据操作都在寄存器中完成。它的寻址方式灵活简单，并且指令长度固定，执行效率更高，处理能力大大超过单片机。
　　通过RS485总线管理和控制各控制终端，并进行处理、自动控制和调节。以ARM为核心的嵌入式系统将其经过处理的数据通过RS232串口通讯及时交给CM模块，CM模块发射和接收信号来为外部提供网络接口，连通家庭内部网络和外部Internet网络，使得用户可以通过Internet网络等方式来访问家庭内部网络，实现远程监视和控制。系统带有LCD和键盘，具有良好的人机界面，方便用户实现本地控制，还可以通过键盘来设定系统的任务;系统留有丰富的功能扩展接口，通过这些扩展接口将来还可以实现家电控制、安防和智能抄表等应用。
　　智能家居控制系统的硬件主要由嵌入式控制器、CM模块、键盘/LCD、电源、外设状态检测及控制模块、报警装置、外部扩展的SDRAM和FLASH组成。其中，控制系统的主控芯片采用S3C4510B，使用ARM7TDMI核，工作频率在50MHz。S3C4510B经过串口扩展与CM模块相连，用户通过Internet网络等接入技术来访问家庭内部网络，实现了用户对家居环境的智能远程监控、远程查询、集中管理和控制。S3C4510B通过电平转换芯片提供RS485总线接口与家用设备相连接，来收集和处理家用设备的相关数据;键盘/LCD交互接口，方便用户与控制系统间的对话;电源管理接口为S3C4510B提供工作电源;报警装置为用户提供报警信息。外设状态检测及控制模块可以对受控终端自动完成信息采集等工作，并能够根据模块的命令改变受控终端的状态。系统工作时，监控终端循环检测安装在室内的门磁、红外、烟雾、燃气监测等传感器，当检测到有异常情况发生时，终端控制警笛发出告警声音，提醒户主及物业管理人员有险情发生并采取防范措施，完成家电控制、安防、抄表控制等功能。
　　三、智能家居控制系统
　　（一）家庭安防子系统
　　家庭安防系统作为智能家居分机系统中的一个重要部分，具有非常重要的意义。随着物资生活提高，人们对家庭财产的保护意识越来越强，而安装防盗门、防盗网的做法，不仅有碍美观，且不符合防火要求，更不能有效地防止犯罪分子对住宅的入侵;另外如果家人发生紧急情况，如生病等无法及时拨打求救电话，会非常危险。因此，一套集防火、防盗等功能于一体的住宅安防系统是智能家居控制系统的重要组成。
　　本系统总体设计思路是：当家人外出时，传感器自动收集火情、盗情信息传输给单片机，CPU做出判断处理后，控制以MT8888为核心的拨号电路，拔打预先设置的1～6组电话/手机号码(用户个人电话、单位电话、盗警电话110，火警电话119、紧急呼救120等)完成自动呼叫，并利用以ISD4004为核心的语音系统，播放相应的语音信息，实现自动远程语音报警求助。远程报警结束后，安装在室内的声光报警系统自动启动，告知周围邻居家中发生的情况，实现就地报警求助，同时对侵入室内的**分子起到震慑作用;家中行动不便或突发疾病的老人需要紧急救助时，可方便地按下四键遥控器的相应按键，经单片机处理后，发出相应的远程求助语音信息;时启动室内语音系统，向周围邻居发出紧急呼救信息，实现就近救助。
　　（二）家电控制子系统
　　家电控制的智能化已成为社会需求的新趋势。基于微机控制系统的智能化家电使我们的生活更加便利。家电产品现已进入成熟期和稳定期，市场规模稳步上涨，但竞争日愈剧烈，其核心部件，即控制器性能及质量对企业产品的影响很大。在这个背景下，可以自主控制的家电控制系统，就逐渐显示出竞争力，这也符合时代发展的客观需要。
　　本设计主要基于AT89S52单片机，并通过C语言来实现多路家电的实时开关控制、定时进行开关操作以及工作状态返回等三个功能程序，并以此为基础，结合带有HJPC51-B的单片机开发系统来进行硬件调试。完成该基本要求以后，还可考虑加入外接键盘或外接存储器以及ISD语音芯片，并添加录放音程序，从而实现家电语音提示的控制。
　　本设计采用的硬件芯片为AT89S52芯片，同时选用了8盏绿色LED指示灯，8块LED数码显示管，其中3个分别与单片机的INT1、T0、T1相连，以用来接收外部信号的按键，另外还使用了一个74LS245模块和两个74ALS573模块。整个硬件的核心是AT89S52芯片。该芯片的P1.0~P1.7口通过74LS245与8盏LED灯相连，这8盏指示灯在实时开关中起到直接显示的作用，而在定时开关中兼有故障检验功能。P0.0~P0.7口和P2.0~P2.7口分别通过两个74ALS573模块与八个LED数码显示管相连。8个数码管中，左起第一个用来指示具体某一路电器的开关状态，第二个指示哪一路电器被选中，第三和第四个显示小时数，第五和第六个显示分钟，第七和第八个显示秒数。另外，硬件电路中还特别配备了小灯，可作为按键是否按下的标志。
　　（三）家居抄表子系统
　　运用ARM和AdHoc技术设计的一个远程无线抄表系统。该系统具有成本低，可靠性高，维护方便的优点，可以用于电、气、水、油等的远程抄表。AdHoc网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。AdHoc网络没有严格的控制中心。所有节点的地位平等，即是一个对等式的网络。节点可以随时加入和离开网络。任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗损性。网络的布局或展开无需依赖于任何预设的网络设施。节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。当节点要与其覆盖范围外的节点进行通信时，需要中间节点的多条转发。与固定网络的多跳不同，AdHoc网络中的多跳路由是由普通的网络节点完成的，而不是由专用路由设备完成，每个节点包含了一个路由器和主机，而且往往是在同一台机器上。AdHoc网络是一个动态的网络。其节点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。这些特点使得使用AdHoc网络作为无线抄表系统的网络与普通的无线通信网络和有线通信网络相比有着显著优势。
　　此系统以嵌入式系统为核心，通过串行总线系统与AdHoc网络中位于主站的节点相连接，以ARM处理器为核心对整个系统进行控制。各个采集终端定时通过各自所对应的计量器具获得所需数据。然后各个采集终端对获得的数据进行一定的处理，再利用自身节点通过AdHoc网络传送给主站接收。必要的时候主站也可以通过AdHoc网络对各个采集终端发出命令来主动得到计量数据和参数设置。在此系统中，并没有采用传统的有线的数据传输方式，而是采用AdHoc网络进行数据传输，避免了在恶劣的工业现场环境下布线和线路一旦损坏所带来的维护上的不便。并且使用了以ARM7系结构的LPC2478作为主站处理器，使得整个系统移动性更加灵活，传输可靠性得到更好的保障，维护更加方便，成本也更低，操作起来也更加方便简洁。
　　四、结语
　　随着经济的发展，人们物质文化需求的日益增长，智能家居系统能大大提高人们的生活质量，为人们带来高度智能化的生活，必将受到人们的青睐，家庭自动化的市场前景是相当广阔的。家居智能化是一个进程，它推动了传统的家居产业与新兴的信息等产业的结合。推进家居智能化的目的是为人服务的。
　　我们应该建立一个标准化的服务平台，在其上开展个性化的服务。我们期待着那一天，现在所说的智能控制产品都成为传统家电，而更高功能的智能控制系统将普及应用。智能家居控制系统为日常生活提供了各种便利的条件，尤其在使生活简单，节约能源方面更是传统家居无法比拟的。本文设计的这样一种多功能家居控制系统相信在不久的将来一定能够实现，为人们的生活提供方便。