智能家居空调控制系统的设计

XJzy

[导读] 智能家居控制系统的功能主要包括通信、设备自动控制、安全防范3个方面。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用量越来越大，功能越来越强，各种标准化传感器模块的出现给智能家居控制系统的设计提供了便利。
21世纪是信息时代，各种电信技术推动了人类文明的发展。正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的发展，促使家庭实现了生活方式更加现代化，居住环境更加舒适、安全。智能家居控制系统的功能主要包括通信、设备自动控制、安全防范3个方面。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用量越来越大，功能越来越强，各种标准化传感器模块的出现给智能家居控制系统的设计提供了便利。智能家居空调控制系统除了能实现传统的通过遥控按键控制空调之外，还加入了蓝牙、温度传感器等模块，可通过
        　　手机发射命令直接控制空调，实现智能家居系统的远程控制和自动控制。
　　1 系统整体设计及控制原理
        　　智能家居空调控制系统采用两种方式控制空调，一种是传统的遥控按键方式，另一种是通过手机蓝牙发射命令。系统由MSP430单片机、温度传感器、红外模块、蓝牙模块等几部分组成，其中MSP430单片机作为系统的主控制器，负责解析按键和蓝牙传输过来的信号并作出相关应答;温度传感器用来感应外界温度，其设置的温度范围是20～26℃，当温度在此范围时，系统可以根据设定好的程序自动关闭空调;当温度不在这个范围时，系统可通过按键或蓝牙来开启空调并控制空调的各种模式，当温度不在这一范围时也可设置自动控制模式，系统会自动开启空调并根据外界温度自动调节温度，无需通过手动开启;红外模块根据单片机的应答发射信号来控制空调;蓝牙模块接收手机发射的命令并将其传送给单片机。系统的整体框图如图1所示。

        　　

        　　1.1 红外控制原理
        　　红外信号发挥作用的基本前提条件是使红外光在红外传感器和空调之间传输信号，红外光位于电磁频道的不可见部分，红外控制就是利用波长为0.78～1.4μm之间的近红外线来传送控制信号的，如图2所示。

        　　

        　　红外控制主要由发送和接收两个部分组成。目前大部分家电均采用红外一体化接收头来接收红外信号。系统发送端采用MSP430单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列脉冲串信号，通过红外发射管发送红外信号;由空调内置的红外一体化接收头接收红外信号，同时对信号进行放大、检波、整形得到TTL电平的编码信号，再送给单片机，经单片机解码并作出相关应答。发送和接收示意图如图3所示。

        　　

        　　1.2 蓝牙控制原理
        　　蓝牙是一种低功耗的无线技术，蓝牙技术的设计初衷是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来，取代PC、打印机、传真机和移动电话等设备上的有线接口，进而形成一种个人网络，使得在可达范围内各种信息化的移动便携设备都能无缝地共享资源。蓝牙具有较强的移动性，可应用于多种通信场合。蓝牙无线传输通过RF（2.4 GHz）载波进行，功耗低，传输速度快，可同时连接多个系统。采用蓝牙技术无需设置，只要两个蓝牙设备互相进入无线电平所允许的连接范围内，蓝牙协议就会自动扫描检测，实现连接，进行信息交换。系统所采用的蓝牙设备分别是蓝牙模块和手机，其中蓝牙模块采用3.4 V电源供电，两者连接后，在一定距离内手机可通过蓝牙串口软件向蓝牙模块发射信号，通过单片机解析，进而实现控制空调。
　　2 系统硬件与软件设计
        　　2.1 硬件部分
        　　系统硬件系统主要由MSP430单片机、红外模块、蓝牙模块、温度传感器模块构成。系统选用MSP430F149作为主控制器，该型号单片机具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表、专用设备智能化管理及过程控制，有效地提高了控制质量，其既要负责蓝牙信号的接收，又要给红外模块传输相应命令;红外模块主要在接收到命令之后发射红外信号从而控制空调的开关;蓝牙模块作为手机和单片机间的一个信号中转站，蓝牙模块接收到手机发来的命令，传给单片机，然后单片机对蓝牙信号进行解析;温度传感器用来感应外界温度，其设置的温度范围是20～26℃，当温度不在在这个范围时，系统可通过按键模式或者设置自动控制模式以及蓝牙模式来控制空调。系统整体连接电路图如图5所示。

        　　

        　　系统控制的是美的牌空调，因此，需对美的牌遥控器进行解码，遥控器解码如表1所示。

        　　

        　　2.2 软件设计
        　　系统的软件主要由两部分构成，即蓝牙信号的接收和红外信号的发射。软件程序设计流程如图6所示。

        　　

　　3 系统调试与实现
        　　3.1 蓝牙模块接收手机命令的调试
        　　蓝牙模块使用3.4 V的电源供电，手机打开蓝牙后和蓝牙模块匹配，通过手机的蓝牙串口软件向蓝牙模块发送命令，如“开”、“关”、“自动”、“+”“-”等，若能正常发送，则表明蓝牙模块可正常接收命令，工作状态正常;否则，蓝牙模块工作状态异常，需重新调试蓝牙模块。
        　　3.2 红外模块和温度传感器的调试
        　　红外模块和温度传感器是相连接的，两者通过串口与MSP430单片机相连接。温度传感器设置的温度范围是20～26℃，当温度在这一范围时，系统会根据设定程序自动关闭空调;当温度不在这一范围时，系统可通过按键模式或手机蓝牙模式来开启空调并控制空调的各种模式，当温度不在这个范围时也可设置自动控制模式，系统会自动开启空调并根据外界温度自动调节温度，无需手动开启。在室温时，若可通过按键模式和蓝牙模式来控制空调，则表明红外传感器和温度传感器可以正常感知外界温度和发射红外信号，工作状态正常;否则，红外传感器和温度传感器工作状态异常，需要重新调试。
        　　3.3 系统整体调试和实验结果
        　　调试第一种工作方式，即通过按键方式来控制空调。先按下设置好的开空调按键，若空调正常启动，则继续下一步：按下加温度按键（或减温度按键、自动模式按键等），若空调能执行这些按键所对应的指令，则表明第一种控制方式可实现，否则需重新调试。
        　　调试第二种工作方式，即通过手机来控制空调。先在手机的蓝牙串口软件上发送“开”命令，如果空调正常启动，则继续下一步：发送“+”（或“-”、“自动”等），若空调能执行这些命令，则表明第二种方式可实现，否则仍需重新调试。

        　　

        　　系统经上述调试及测试，实现了空调的启停控制、温度升降控制以及自动控制等功能，可通过按键及手机蓝牙两种方式控制空调。部分实验效果图如图7所示。

　　4 结束语
        　　系统结合单片机和红外传输、蓝牙通信等技术，用MSP430系列单片机作为主控制器，充分利用了该系列单片机低功耗、资源丰富等优势，与红外模块和蓝牙模块相结合，应用于空调控制，扩展了家居控制的智能化程度。系统架构在智能家居控制及服务领域有着较广阔的应用前景，下一步可以融合物联网技术展开研究。