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基于智能家居系統(tǒng)的普及型移動環(huán)境檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2012-09-11  瀏覽次數(shù):393
  【摘要】智能家居-這個在今年內(nèi)迅速風(fēng)靡世界的詞語,目前也越來越多得走“近”了我們的生活,但是,它實際走進(jìn)了我們的生活嗎?恐怕這個問題還有待商榷。“智能家居”(Smart Home),又稱智能住宅。通俗地說,它利用先進(jìn)的計算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),將家中的各種設(shè)備(如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電)通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起。與普通家居相比,智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能,提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間;還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ�,提供全方位的信息交互功能,幫助家庭與外部保持信息交流暢通,優(yōu)化人們的生活方式,幫助人們有效安排時間,增強(qiáng)家居生活的安全性,甚至為各種能源費用節(jié)約資金。智能家居是以住宅為平臺,利用網(wǎng)絡(luò)、通信及控制技術(shù)管理家中設(shè)備。來創(chuàng)造一個高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境�;谶@一點,我們設(shè)計了可以通過遠(yuǎn)程控制的移動平臺,該設(shè)計基于ATMEGA128為系統(tǒng)的主控芯片,完成各模塊的連接與控制。利用各種專業(yè)傳感器完成檢測光強(qiáng)和角度的控制。采用無線控制模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)的無線控制。通過電磁閥們完成電信號對電器的控制。為方便操作,我們設(shè)計并編寫了可以利用電腦完全控制所有元器件的上位機(jī),并利用遠(yuǎn)程通訊協(xié)議實現(xiàn)了無限遠(yuǎn)距離情況先通過手上終端對整個系統(tǒng)的控制。而實現(xiàn)整套方案的成本,還不足一臺主流的液晶電視高。根據(jù)本套設(shè)計,用戶可以根據(jù)自己的需求來選擇相應(yīng)的傳感器,為用戶帶來方便的同時,增強(qiáng)了多樣性,使我們的產(chǎn)品可以適用于多種用戶。本作品適應(yīng)了現(xiàn)代社會的需要,性價比極高,普及型較強(qiáng)易于產(chǎn)品化和市場化。
  【關(guān)鍵詞】普及型;智能化;環(huán)保;時代化
  
  1.前言
  先進(jìn)的技術(shù)性,高昂的設(shè)備以及壟斷的技術(shù),決定了目前我們可能接觸到的智能家居系統(tǒng),往往都安裝在高檔寫字樓以及常人無法接觸到的奢華別墅里面,而據(jù)了解所知,目前的智能家居系統(tǒng),無非是讓用戶有更方便的手段來管理家庭設(shè)備,比如,通過無線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制家用設(shè)備,更可以執(zhí)行場景操作,使多個設(shè)備形成聯(lián)動或智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊,不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動運行。而對于普通住宅樓中的普通住戶,花費整體房款幾分之一甚至十幾萬來購買一套智能家居系統(tǒng)是不可能的事情,所以,為了提高智能家居系統(tǒng)的普遍性,本人設(shè)計、制作并檢測了屬于自己的,普及型智能家居移動檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
  本作品具有功能完善、成本低廉、使用方便等特點,有很強(qiáng)的實用性,易于產(chǎn)品化和市場化。并且充分利用移動方案,使家庭不必使用數(shù)量較多的傳感器,在解決無死角問題的同時,可以為家庭省去一筆可觀的成本,又符合國家可持續(xù)發(fā)展的基本國策。同時,集成了遠(yuǎn)程操控系統(tǒng),使用戶可以在熱和地方享受智能家居調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來的便利性,這具有廣泛的發(fā)展前景。
  2.工作原理及功能
  2.1 工作原理總體描述
  基于電路設(shè)計的要求,智能家居系統(tǒng)的普及型移動環(huán)境檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)電路主要由ATMEGA128為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制主板,整個主板集成無線模塊,有害氣體傳感器,溫度傳感器,煙霧傳感器,噪聲傳感器以及移動跟蹤傳感器。同時集成了攝像頭,使此系統(tǒng)可以監(jiān)控視頻。主板安裝于可移動的車體上,又四個獨立步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,通過上位機(jī)電腦操控可以自動或被動完成各方位移動。調(diào)節(jié)模塊的實現(xiàn)通過安裝有配套無線模塊的電磁閥們,電動窗和電動窗簾實現(xiàn)。
  本系統(tǒng)使用了單片機(jī)、傳感器等技術(shù),通過ATMEGA128為系統(tǒng)的主控芯片,完成各模塊的連接與控制。
  系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題在于各種環(huán)境參數(shù)的檢測,監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過電信號傳給主芯片進(jìn)行分析,經(jīng)過與用戶預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)或者根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,給動作模塊發(fā)出相應(yīng)反應(yīng),使之完成不同行為。
  (1)用戶通過上位機(jī)遙控或給出自動行走命令,使四個步進(jìn)電機(jī)得到行走信號,完成移動模塊四處移動的行為操作。(2)用戶通過上位機(jī)檢測命令或者主板根據(jù)已存命令控制各傳感器檢測環(huán)境狀況,通過AD采集數(shù)據(jù)并將其傳送給單片機(jī),通過單片機(jī)分析后與已經(jīng)設(shè)定強(qiáng)度進(jìn)行比較,然后根據(jù)不同相應(yīng)傳感器采取不同操作:1)對于火焰和煙霧:控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,吹散和吹滅。2)對于高濃度有害氣體:控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,打開電動窗通風(fēng)。3)對于高噪聲:控制電機(jī)關(guān)閉電動窗。4)對于紅外門禁系統(tǒng):監(jiān)測到入侵者鎖閉門窗,并開啟攝像頭傳輸圖像。
  2.2 功能總體描述
  移動模塊在降低傳感器數(shù)量至最低的情況下,更能夠避免室內(nèi)檢測的死角,像沙發(fā)后,床底等常規(guī)檢測不可及之處。同時,通過編程實現(xiàn)的自動避障移動,可以使得整套設(shè)備在無人操控的情況下自主檢測環(huán)境,并即時對監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)做出相應(yīng)調(diào)節(jié)反應(yīng)。各種傳感器對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分析后發(fā)生相應(yīng)反應(yīng),并可以把數(shù)據(jù)隨時傳到使用者手機(jī)上面。使用者可以在有網(wǎng)絡(luò)的情況下,無限遠(yuǎn)距離給出自動操作指令或遠(yuǎn)程遙控整套產(chǎn)品進(jìn)行工作。移動平臺自帶攝像頭可以事實傳送圖像至使用者移動終端或?qū)κ覂?nèi)畫面進(jìn)行監(jiān)控錄像。集成了無線自動移動功能的室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)結(jié)合遠(yuǎn)程操控,使得智能家居成套系統(tǒng)的成本大大降低,且操控性和實用性增強(qiáng),又不失高端智能家居系統(tǒng)的功能。
  2.3 CPU Atmega128的主要核心功能應(yīng)用
  本套普及型移動環(huán)境檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計了一個以高性能、低功耗的AVR8位微處理器-Atmega128為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)板,其擁有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu):大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成的133條指令,使面對多個傳感器時單片機(jī)可以從容不迫正常工作,同時非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器也可保證各個元器件的正常工作。
  ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間,ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與ALU(算術(shù)邏輯單元)相連接,使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率,并且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。
  同時,在它基礎(chǔ)上進(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展。用到了此芯片的如下功能:
  1)兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器,TMR0和TMR1,定時器1用來給電機(jī)提供脈沖,定時器0用來檢測按鍵輸入;
  2)一個I/0作為模擬串口輸入,作為溫度傳感器的輸入口;
  3)一個I/0作為模擬串口輸入,作為煙霧傳感器的輸入口;
  4)一個I/0作為模擬串口輸入,作為火焰?zhèn)鞲衅鞯妮斎肟冢?
  5)一個I/0作為模擬串口輸入,作為有害氣體傳感器的輸入口;
  6)一個I/0作為模擬串口輸入,作為噪聲傳感器的輸入口;
  7)使用2個定時器/計數(shù)器TMR0和TMR1,定時器1用來給電機(jī)提供脈沖,定時器0用來檢測按鍵輸入、刷新液晶屏顯示,檢測霍爾傳感器的位置;
  8)若干個I/0口作為電機(jī)的控制口,按鍵,無線控制等。
  3.系統(tǒng)總體設(shè)計
  3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路
  根據(jù)要實現(xiàn)的功能要求,采用圖1所示的方案。系統(tǒng)主要包括以Atmega128為單片機(jī)最小系統(tǒng)作為本作品的中央處理裝置;采用2596做穩(wěn)壓,配以各種保護(hù)電容,和線圈,穩(wěn)定輸出5v恒定電壓,為各電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源;內(nèi)部安有:1)一個18B20溫度傳感器,測量室內(nèi)溫度。2)一個有害氣體傳感器,檢測三種室內(nèi)有害氣體濃度。3)煙霧傳感器,檢測環(huán)境煙霧濃度。4)火焰?zhèn)鞲衅�,檢測室內(nèi)是否存在明火。5)噪聲傳感器,檢測噪聲強(qiáng)度。步進(jìn)電機(jī)用獨立51單片機(jī)芯片控制,和主芯片電路板分開,實現(xiàn)整個系統(tǒng)移動模塊的移動;各個傳感器檢測相應(yīng)數(shù)值,把數(shù)值返回給單片機(jī),以實現(xiàn)各個傳感器的控制;最后把室內(nèi)溫度,有害氣體濃度,煙霧濃度,是否存在火焰,噪聲強(qiáng)度以及用戶設(shè)置的數(shù)值,當(dāng)前控制狀態(tài)的通過上位機(jī)在電腦屏顯示出來,同時遠(yuǎn)程傳送給用戶聯(lián)網(wǎng)客戶端,讓用戶可以直觀的使用本系統(tǒng)。
  3.2 硬件設(shè)計(系統(tǒng)方塊)
  本系統(tǒng)主要由Atmega1282為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)、主控底板、蓄電池(電源)系統(tǒng)、外圍傳感器、L298N副控制板(電機(jī)驅(qū)動電路)、步進(jìn)電機(jī)、無線控制模塊和溫度傳感器、煙霧火焰噪聲以及有害氣體傳感器組成。
  3.2.1 Atmega1282單片機(jī)最小系統(tǒng)
  最小系統(tǒng)由Atmega1282單片機(jī)及復(fù)位電路構(gòu)成,由于無需晶振,可以減小電路板尺寸。本設(shè)計中將最小系統(tǒng)與四個按鍵、四個LED指示燈做成一塊中心板,并且將Atmega1282單片機(jī)所有引腳以功能模塊化的結(jié)構(gòu)引出形成引腳擴(kuò)展,并為步進(jìn)電機(jī)、無線模塊、數(shù)據(jù)采集單元、其他傳感器傳感器模塊設(shè)置了專門的外圍插排,使用很方便,對應(yīng)的外圍設(shè)備只需按相應(yīng)的位置放好即可。本設(shè)計巧妙、方便、實用、可靠。
  3.2.2 電源模塊
  為保持電力,我們采用軍工級的電池,保證我們的每個模塊能夠順利工作的前提。在這里我們采用分別供電,即電池組一為移動模塊供電,電池組二為其他元件供電。
  3.2.3 數(shù)據(jù)采集單元
  以溫度傳感器為模板
  當(dāng)不同的溫度被溫度模塊檢測到時,電阻的阻值不同。如當(dāng)溫度很低,溫度傳感器電阻的阻值可能達(dá)到好幾百千歐。當(dāng)光照很高時,溫度傳感器電阻的阻值很小,在500歐左右。Vout=R3/(R3+10)。輸出的電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量進(jìn)行比較。由于HT46RU232自帶了AD轉(zhuǎn)換的功能,無需外加AD轉(zhuǎn)換芯片。
  3.2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊
  將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動裝置。電機(jī)定子提供磁場,直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流,換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。
  我們使用的直流電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作,控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下:
 �。�1)控制換相順序
  通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如:三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式,其各相通電順序為A-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C,D相的通斷。
  (2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向
  四個輪子單獨供電,又差動方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向。
 �。�3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度
  如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個脈沖,它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率,就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
  3.2.5 無線控制模塊
  無線模塊采用2262作為發(fā)送端的編碼芯片,接收端利用2272M4系列作為解碼芯片。2272的14腳作為接收頭的輸入端。1013腳為解碼后的輸出端,輸出TTL電平與HT46RU232芯片連接。當(dāng)發(fā)送端共有4個按鍵,分別為A,B,C,D。當(dāng)發(fā)送端有按鍵按下時,接收頭接收到相應(yīng)的無線信號,經(jīng)過解碼,10~13腳對應(yīng)的引腳輸出高電平。由于2272M4是非自鎖型的芯片,當(dāng)按鍵松開時,引腳的高電平變?yōu)榈碗娖健_@可樣就可以實現(xiàn)單個按鍵的重復(fù)操作。
  3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)
  上位機(jī)程序由basic語言來編寫。位機(jī)程序使得其他設(shè)備都可能實現(xiàn)機(jī)器人的控制,同時也就使機(jī)器人運作由手動操控上升到一個智能的高度,也就是我之前所說的intelligent。我們現(xiàn)在的上位機(jī)程序已經(jīng)實現(xiàn)了控制機(jī)器人行進(jìn),拍攝,機(jī)械臂的運動以及檢測數(shù)據(jù)的顯示。與此同時,我們實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動分析,視頻監(jiān)控與上位機(jī)相結(jié)合等。
  
  參考文獻(xiàn)
  [1]http://baike.baidu.com/view/2984056.html關(guān)于ATMEGA128之簡介.
  [2]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B8%A9%
  E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8溫度傳感器新紀(jì)元.
  [3]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%
  E6%B5%81%E7%94%B5%E6%9C%BA直流電動機(jī)的概念.
  [4]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B4%
  E6%B5%81%E7%94%B5%E6%9C%BA直流電動機(jī)換向概念.
  
  作者簡介:楊駿愷(1991—),男,吉林長春人,研究方向:通信工程,智能家居。
 
 
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