基于智能手機(jī)與PC機(jī)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

 1 引言
    在信息化時代，不管是手機(jī)還是家電產(chǎn)品都逐漸融入網(wǎng)絡(luò)中，信息家電是將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)融入到傳統(tǒng)的家用電器，使之成為具有信息訪問、獲取、存儲、處理、聯(lián)網(wǎng)等功能的消費類電子產(chǎn)品。信息家電的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的家電控制方式，不僅可在本地對其進(jìn)行控制，而且還可通過Internet網(wǎng)絡(luò)控制家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)家電設(shè)備。由于手機(jī)和PC機(jī)的普及，采用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)使智能家居成為可能。

2 智能家居控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計
    智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由兩大部分組成：以PC為核心的家庭主監(jiān)控中心及分散于各監(jiān)控點的，以單片機(jī)為從控制中心的智能家電和監(jiān)控設(shè)備前端系統(tǒng)；以移動電話作為遠(yuǎn)程控制器，利用互聯(lián)網(wǎng)作為橋梁實現(xiàn)遠(yuǎn)程異地控制。

    系統(tǒng)功能實現(xiàn)是監(jiān)控中心PC通過單片機(jī)監(jiān)控軟件實時循環(huán)采集各項數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)通過短信或圖像等報警方式給用戶發(fā)送信息，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急程序進(jìn)行處理，如煙霧、煤氣檢測異常等。用戶也可通過手機(jī)或計算機(jī)利用因特網(wǎng)瀏覽器訪問控制器站點對智能家電進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，如空調(diào)/電熱水器的開啟／關(guān)閉及其溫度設(shè)置等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    硬件系統(tǒng)包括以智能手機(jī)為主的遠(yuǎn)程控制部分和以家庭PC機(jī)為主的家庭控制中心兩部分。
3．1 遠(yuǎn)程控制終端
    隨著智能手機(jī)的發(fā)展．其功能迅速增強(qiáng)。在2006年“科博會”，諾基亞稱其高端手機(jī)為“多媒體電腦”，并展示其強(qiáng)大功能：視頻通話、移動電郵、多人聯(lián)機(jī)游戲、即時影像、無線支付等增值服務(wù)，并強(qiáng)調(diào)手機(jī)將成為人們登錄互聯(lián)網(wǎng)索取信息的主要工具。未來智能手機(jī)功能將更強(qiáng)大，如GPS、開源操作系統(tǒng)、電視驗證接入、家庭基站等。目前3G正加快移動網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)間的融合，使手機(jī)不斷朝PC化方向發(fā)展。
    無線應(yīng)用協(xié)議WAP(Wireless Application Protocol)是在數(shù)字移動電話、因特網(wǎng)或個人數(shù)字助理機(jī)(PDA)、計算機(jī)應(yīng)用之間進(jìn)行通訊的開放式全球標(biāo)準(zhǔn)，通過WAP可將Internet的大量信息及多種業(yè)務(wù)接人到移動電話、PDA等無線終端中。這使得手機(jī)訪問用戶終端PC機(jī)成為現(xiàn)實，只需對其安裝相應(yīng)的軟件，并對終端PC機(jī)作相應(yīng)的訪問設(shè)置即可。用戶通過注冊的用戶名和密碼登錄智能家居控制中心PC機(jī)，獲得管理的終端編號(可有多個設(shè)備)，然后選擇一個所需的控制終端，實現(xiàn)用戶進(jìn)程與所屬智能家居數(shù)字終端硬件網(wǎng)卡(MAC碼)的綁定。從而利用智能手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對智能家居終端的遠(yuǎn)程控制。
3．2 家居終端設(shè)備的硬件設(shè)計
    一般智能家居的安防設(shè)備主要指煙霧火警、煤氣檢測、監(jiān)控攝像、電源過流／過壓檢測、緊急呼救裝置及被監(jiān)控設(shè)備的斷/合裝置等，而智能家電指嵌入式的空調(diào)、冰箱、彩電、電熱水器等家電產(chǎn)品。以PC機(jī)為主監(jiān)控器，通過單片機(jī)將其他各監(jiān)控模塊連接起來，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。以消防設(shè)備火災(zāi)探測報警器Sn-828-2PL(聯(lián)網(wǎng)型)為例說明(其技術(shù)參數(shù)見表1)。

    光電有線煙霧探測器的功能特點有：采用微處理器控制；自動復(fù)位／斷電復(fù)位可選；紅外光電傳感器；聯(lián)網(wǎng)輸出N．C．/N．O．可選；LED指示報警；金屬屏蔽罩，抗電磁干擾；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；SMT工藝制造，穩(wěn)定性強(qiáng)；防塵、防蟲、抗白光干擾設(shè)計。PIC16F873型單片機(jī)具有哈佛總線和RISC結(jié)構(gòu)，4 KBFlash程序存儲器，192 B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM，14種中斷源，8級硬件堆棧，片內(nèi)集成同步串行口SSP(SPI和I2C)及同步、異步收發(fā)器(USART)以及看門狗電路等。另外，單片機(jī)內(nèi)部具有5通道10位精度的A／D轉(zhuǎn)換器，可滿足系統(tǒng)對模擬信號轉(zhuǎn)換的精度要求。片內(nèi)128 B的E2PROM可用作系統(tǒng)掉電保護(hù)，從而無需外接E2PROM掉電保護(hù)電路，節(jié)省了系統(tǒng)資源。因此，本設(shè)計選用PIC16F873作為各種檢測器和智能家電的控制核心。圖2為煙霧監(jiān)控模塊電路。

    圖2中，在單片機(jī)與火災(zāi)探測報警器Sn-828-2PL的接口電路中，光電有線煙霧探測器將輸出信號接至PIC16F873的RA0引腳，相對煙霧信號以直流電壓／電流信號的形式接至PIC16F873的RA0腳，PIC16F873完成A/D轉(zhuǎn)換，并在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)程序的處理，從而實現(xiàn)監(jiān)控。

4 監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計
    用戶終端監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計可分為上位機(jī)PC的管理系統(tǒng)設(shè)計和下位機(jī)的監(jiān)控程序設(shè)計。
4．1 上位機(jī)管理程序設(shè)計
    智能家居的監(jiān)控是通過控制智能家居數(shù)字終端實現(xiàn)的。用戶利用互聯(lián)網(wǎng)登錄用戶終端PC，智能家居控制中心PC將用戶的指令傳至指定的家庭終端。因此控制中心PC的設(shè)計相當(dāng)于建一個網(wǎng)站，以便可遠(yuǎn)程上網(wǎng)訪問，其主要設(shè)計是配置計算機(jī)的IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)及DNS域名，這時計算機(jī)就相當(dāng)于一臺服務(wù)器。上位機(jī)的管理系統(tǒng)設(shè)計可采用VB等語言編寫，其主要由主控、設(shè)置、循環(huán)監(jiān)控、報警與通信等幾大模塊組成(圖3)。

    啟動系統(tǒng)時，主程序從主控模塊開始，而其他模塊的啟動則由主控模塊控制。該模塊主要完成系統(tǒng)啟動時的初始化工作，協(xié)調(diào)其他功能模塊的調(diào)度，系統(tǒng)必須從該模塊開始才能正常運行。參數(shù)設(shè)置模塊：此模塊為查詢設(shè)置窗口，主要設(shè)置系統(tǒng)的各種運行參數(shù)，如參數(shù)的添加、刪除、修改等基本功能操作。循環(huán)監(jiān)控模塊：主要是實時在線顯示采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將其寫入內(nèi)存。其工作過程是定時從共享內(nèi)存中讀取采集到數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后在界面上顯示出來?？蓪⒄?shù)據(jù)和超標(biāo)數(shù)據(jù)分開顯示，讓用戶更容易對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。報警與通信模塊：從報警數(shù)據(jù)共享內(nèi)存中讀取報警數(shù)據(jù)，并向用戶發(fā)送信息或圖片等，提醒用戶進(jìn)行操控同時在界面上顯示報警信息的位置和報警的原因，方便用戶了解報警信息；而通信模塊接收從各個監(jiān)測單元中發(fā)送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，處理后將其寫人監(jiān)測數(shù)據(jù)共享內(nèi)存中，以便查詢。
4．2下位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計
    以PIC16F873型單片機(jī)為從控制器，系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖4所示。硬件方面需采用相應(yīng)的傳感器，如攝像頭、煙霧等傳感器將采集到的模擬參數(shù)送人各自的信號處理電路進(jìn)行處理(放大、濾波等)，然后送入單片機(jī)PIC16F873進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，然后通過單片機(jī)進(jìn)行控制處理。因采樣點較多，故對各監(jiān)控模塊進(jìn)行編號，這樣單片機(jī)PIC16F873可采用定時循環(huán)方式采集各個監(jiān)控模塊的參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)值實時送至PC機(jī)，以便用戶通過智能手機(jī)訪問此PC機(jī)來查看各設(shè)備的運行情況。當(dāng)判斷監(jiān)控模塊i的信號時，若判斷正常則修改循環(huán)監(jiān)控模塊檢測參數(shù)，對下一個監(jiān)控模塊進(jìn)行檢測，如此循環(huán)往復(fù)：當(dāng)模塊i的檢測信號判斷不正常時，則發(fā)出報警，并啟動相應(yīng)的異常應(yīng)急處理程序，同時檢測下一模塊信號，這樣循環(huán)往復(fù)按順序檢測每一監(jiān)控模塊。

5 結(jié)束語
    該系統(tǒng)利用智能手機(jī)與PC機(jī)及一些簡單外圍電路實現(xiàn)智能家居工作狀態(tài)的無線實時監(jiān)控，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可通過改進(jìn)傳感器節(jié)點，逐步拓展至其他諸如工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域?qū)ο蟮臓顟B(tài)監(jiān)測。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是利用公用的移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等資源快速建網(wǎng)，且通信可靠、投資少，具有廣闊的應(yīng)用前景，但在各方面還有待完善和提高的地方。