智能家居空調控制系統(tǒng)的設計

 21世紀是信息時代，各種電信技術推動了人類文明的發(fā)展。正是因為通信技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、控制技術的發(fā)展，促使家庭實現(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、設備自動控制、安全防范3個方面。隨著新技術和自動化的發(fā)展，傳感器的使用量越來越大，功能越來越強，各種標準化傳感器模塊的出現(xiàn)給智能家居控制系統(tǒng)的設計提供了便利。智能家居空調控制系統(tǒng)除了能實現(xiàn)傳統(tǒng)的通過遙控按鍵控制空調之外，還加入了藍牙、溫度傳感器等模塊，可通過

手機發(fā)射命令直接控制空調，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠程控制和自動控制。

1 系統(tǒng)整體設計及控制原理

智能家居空調控制系統(tǒng)采用兩種方式控制空調，一種是傳統(tǒng)的遙控按鍵方式，另一種是通過手機藍牙發(fā)射命令。系統(tǒng)由MSP430單片機、溫度傳感器、紅外模塊、藍牙模塊等幾部分組成，其中MSP430單片機作為系統(tǒng)的主控制器，負責解析按鍵和藍牙傳輸過來的信號并作出相關應答;溫度傳感器用來感應外界溫度，其設置的溫度范圍是20～26℃，當溫度在此范圍時，系統(tǒng)可以根據(jù)設定好的程序自動關閉空調;當溫度不在這個范圍時，系統(tǒng)可通過按鍵或藍牙來開啟空調并控制空調的各種模式，當溫度不在這一范圍時也可設置自動控制模式，系統(tǒng)會自動開啟空調并根據(jù)外界溫度自動調節(jié)溫度，無需通過手動開啟;紅外模塊根據(jù)單片機的應答發(fā)射信號來控制空調;藍牙模塊接收手機發(fā)射的命令并將其傳送給單片機。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之間傳輸信號，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為0.78～1.4μm之間的近紅外線來傳送控制信號的，如圖2所示。

紅外控制主要由發(fā)送和接收兩個部分組成。目前大部分家電均采用紅外一體化接收頭來接收紅外信號。系統(tǒng)發(fā)送端采用MSP430單片機將待發(fā)送的二進制信號編碼調制為一系列脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號;由空調內置的紅外一體化接收頭接收紅外信號，同時對信號進行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號，再送給單片機，經(jīng)單片機解碼并作出相關應答。發(fā)送和接收示意圖如圖3所示。

1.2 藍牙控制原理

藍牙是一種低功耗的無線技術，藍牙技術的設計初衷是將智能移動電話與筆記本電腦、掌上電腦以及各種數(shù)字信息的外部設備用無線方式連接起來，取代PC、打印機、傳真機和移動電話等設備上的有線接口，進而形成一種個人網(wǎng)絡，使得在可達范圍內各種信息化的移動便攜設備都能無縫地共享資源。藍牙具有較強的移動性，可應用于多種通信場合。藍牙無線傳輸通過RF(2.4 GHz)載波進行，功耗低，傳輸速度快，可同時連接多個系統(tǒng)。采用藍牙技術無需設置，只要兩個藍牙設備互相進入無線電平所允許的連接范圍內，藍牙協(xié)議就會自動掃描檢測，實現(xiàn)連接，進行信息交換。系統(tǒng)所采用的藍牙設備分別是藍牙模塊和手機，其中藍牙模塊采用3.4 V電源供電，兩者連接后，在一定距離內手機可通過藍牙串口軟件向藍牙模塊發(fā)射信號，通過單片機解析，進而實現(xiàn)控制空調。

2 系統(tǒng)硬件與軟件設計

2.1 硬件部分

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由MSP430單片機、紅外模塊、藍牙模塊、溫度傳感器模塊構成。系統(tǒng)選用MSP430F149作為主控制器，該型號單片機具有可靠性高、功耗低、擴展靈活、體積小、價格低和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表、專用設備智能化管理及過程控制，有效地提高了控制質量，其既要負責藍牙信號的接收，又要給紅外模塊傳輸相應命令;紅外模塊主要在接收到命令之后發(fā)射紅外信號從而控制空調的開關;藍牙模塊作為手機和單片機間的一個信號中轉站，藍牙模塊接收到手機發(fā)來的命令，傳給單片機，然后單片機對藍牙信號進行解析;溫度傳感器用來感應外界溫度，其設置的溫度范圍是20～26℃，當溫度不在在這個范圍時，系統(tǒng)可通過按鍵模式或者設置自動控制模式以及藍牙模式來控制空調。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，因此，需對美的牌遙控器進行解碼，遙控器解碼如表1所示。

2.2 軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要由兩部分構成，即藍牙信號的接收和紅外信號的發(fā)射。軟件程序設計流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)調試與實現(xiàn)

3.1 藍牙模塊接收手機命令的調試

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

3.2 紅外模塊和溫度傳感器的調試

紅外模塊和溫度傳感器是相連接的，兩者通過串口與MSP430單片機相連接。溫度傳感器設置的溫度范圍是20～26℃，當溫度在這一范圍時，系統(tǒng)會根據(jù)設定程序自動關閉空調;當溫度不在這一范圍時，系統(tǒng)可通過按鍵模式或手機藍牙模式來開啟空調并控制空調的各種模式，當溫度不在這個范圍時也可設置自動控制模式，系統(tǒng)會自動開啟空調并根據(jù)外界溫度自動調節(jié)溫度，無需手動開啟。在室溫時，若可通過按鍵模式和藍牙模式來控制空調，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，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，需要重新調試。

3.3 系統(tǒng)整體調試和實驗結果

調試第一種工作方式，即通過按鍵方式來控制空調。先按下設置好的開空調按鍵，若空調正常啟動，則繼續(xù)下一步：按下加溫度按鍵(或減溫度按鍵、自動模式按鍵等)，若空調能執(zhí)行這些按鍵所對應的指令，則表明第一種控制方式可實現(xiàn)，否則需重新調試。

調試第二種工作方式，即通過手機來控制空調。先在手機的藍牙串口軟件上發(fā)送“開”命令，如果空調正常啟動，則繼續(xù)下一步：發(fā)送“+”(或“-”、“自動”等)，若空調能執(zhí)行這些命令，則表明第二種方式可實現(xiàn)，否則仍需重新調試。

系統(tǒng)經(jīng)上述調試及測試，實現(xiàn)了空調的啟?？刂?、溫度升降控制以及自動控制等功能，可通過按鍵及手機藍牙兩種方式控制空調。部分實驗效果圖如圖7所示。

4 結束語

系統(tǒng)結合單片機和紅外傳輸、藍牙通信等技術，用MSP430系列單片機作為主控制器，充分利用了該系列單片機低功耗、資源豐富等優(yōu)勢，與紅外模塊和藍牙模塊相結合，應用于空調控制，擴展了家居控制的智能化程度。系統(tǒng)架構在智能家居控制及服務領域有著較廣闊的應用前景，下一步可以融合物聯(lián)網(wǎng)技術展開研究。