智能家居空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計

 21世紀是信息時代，各種電信技術(shù)推動了人類文明的發(fā)展。正是因為通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)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(shè)備自動控制、安全防范3個方面。隨著新技術(shù)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(shè)計提供了便利。智能家居空調(diào)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(diào)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(diào)，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(shè)計及控制原理

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(guān)應(yīng)答;溫度傳感器用來感應(yīng)外界溫度，其設(shè)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(shè)定好的程序自動關(guān)閉空調(diào);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(diào)并控制空調(diào)的各種模式，當溫度不在這一范圍時也可設(shè)置自動控制模式，系統(tǒng)會自動開啟空調(diào)并根據(jù)外界溫度自動調(diào)節(jié)溫度，無需通過手動開啟;紅外模塊根據(jù)單片機的應(yīng)答發(fā)射信號來控制空調(diào);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(diào)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(diào)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(diào)內(nèi)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(guān)應(yīng)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(shù)，藍牙技術(shù)的設(shè)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(shè)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(shè)備上的有線接口，進而形成一種個人網(wǎng)絡(luò)，使得在可達范圍內(nèi)各種信息化的移動便攜設(shè)備都能無縫地共享資源。藍牙具有較強的移動性，可應(yīng)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(shù)無需設(shè)置，只要兩個藍牙設(shè)備互相進入無線電平所允許的連接范圍內(nèi)，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(shè)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(nèi)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(diào)。

2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)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(gòu)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(yīng)用于儀器儀表、專用設(shè)備智能化管理及過程控制，有效地提高了控制質(zhì)量，其既要負責藍牙信號的接收，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)射紅外信號從而控制空調(diào)的開關(guān);藍牙模塊作為手機和單片機間的一個信號中轉(zhuǎn)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(yīng)外界溫度，其設(shè)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(shè)置自動控制模式以及藍牙模式來控制空調(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(shè)計

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

3 系統(tǒng)調(diào)試與實現(xiàn)

3.1 藍牙模塊接收手機命令的調(diào)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(guān)”、“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(diào)試藍牙模塊。

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，兩者通過串口與MSP430單片機相連接。溫度傳感器設(shè)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(shè)定程序自動關(guān)閉空調(diào);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(diào)并控制空調(diào)的各種模式，當溫度不在這個范圍時也可設(shè)置自動控制模式，系統(tǒng)會自動開啟空調(diào)并根據(jù)外界溫度自動調(diào)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(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，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)試和實驗結(jié)果

調(diào)試第一種工作方式，即通過按鍵方式來控制空調(diào)。先按下設(shè)置好的開空調(diào)按鍵，若空調(diào)正常啟動，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(diào)能執(zhí)行這些按鍵所對應(yīng)的指令，則表明第一種控制方式可實現(xiàn)，否則需重新調(diào)試。

調(diào)試第二種工作方式，即通過手機來控制空調(diào)。先在手機的藍牙串口軟件上發(fā)送“開”命令，如果空調(diào)正常啟動，則繼續(xù)下一步：發(fā)送“+”(或“-”、“自動”等)，若空調(diào)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(diào)試。

系統(tǒng)經(jīng)上述調(diào)試及測試，實現(xiàn)了空調(diào)的啟?？刂啤囟壬悼刂埔约白詣涌刂频裙δ?，可通過按鍵及手機藍牙兩種方式控制空調(diào)。部分實驗效果圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)結(jié)合單片機和紅外傳輸、藍牙通信等技術(shù)，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(jié)合，應(yīng)用于空調(diào)控制，擴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。