试论基于单片机的智能家居远程控制系统的设计路径

牛伟明，许鹏飞

（1.河南工学院，河南 新乡 453003；2.河南新电信息科技有限公司，河南 新乡 453000）

随着科技的发展，大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术得以应用于人们的生产生活中。智能家居能够满足人们目前对生活质量的要求，所以日益受到人们的青睐，但人们对智能家居的需求呈现出多样化，如何满足人们对智能家居的多样化需求，已经成为当前智能家居需要进一步完善的方向。在智能家居系统中，控制系统始终占据核心地位，通过控制系统将智能家居各功能、各模块实现联通［1］。本文设计的主要内容是围绕智能家居环境实施数据信息的追踪和采集、实时监测以及安全防护，从而实现智能家居管理与服务的智能化和一体化。同时，在物联网技术的支持下，智能家居将会进一步满足人们的个性化需求，并实现智能家居各模块功能的一体化，对于智能家居的节能环保以及生态安全等方面也极具价值和意义。

1 基于单片机的智能家居远程控制系统的总体设计

基于单片机的智能家居远程控制系统中，控制系统主要由单片机来实现，所以对单片机进行合理选型至关重要。本设计选用的单片机型号为STC89C52RC，并将其作为核心处理器，用户与系统之间实现数据信息传递主要是通过GSM模块搭设的平台进行实现的。实现该系统定制功能，主要是通过如下逻辑来完成的：当拨通固话的情况下，会将大振铃下产生的信息波动进行检测，从而将语音提示发布出去，并且保证语音提示具有可操作性以及针对性。在此情况下，用户会通过受到的提示将特定的指令键入到系统中，并将控制需求发送到系统，系统收到提示指令后，主控芯片便会通过无线网络（Wifi）将传感器收集到的所有数据信息进行搜集和整理，然后以短信或语音的方式将搜集到的数据信息向用户发送，同时还可调控相关控制终端设施设备，从而使智能家居实现远程控制［2］。此外，系统在运行过程中若检测出系统自身存在危险情况，例如，燃气泄漏、火灾隐患等，将会通过系统平台将危险信息发送至安保系统中，从而利用系统之间的联动性避免危害扩大化。本研究设计的系统总体设计图见图1所示。

图1 基于单片机的智能家居远程控制系统总体设计图

2 基于单片机的智能家居远程控制系统的硬件设计

从图1可以观察到，基于单片机的智能家居远程控制系统中包含了多个模块，主要包括GSM模块、控制终端模块、WIFI模块以及数据采集模块等。所以该系统的硬件设计主要是对各模块进行设计，以下便对各模块的研发流程以及设计逻辑进行阐述：

2.1 硬件设计的总体概述

若要实现系统各硬件模块的有效设计，需要清楚各模块的设计逻辑。在本系统中，核心处理器是STC89C52RC单片机，所以在设计该远程控制系统时，应该将该处理器作为核心，在其基础上增加其他器件。例如，在本设计中需要增加GSM模块以及传感器模块，从而通过传感器模块获取数据信息，并且还能够形成以家庭网关为主的硬件平台；同时，在本设计系统中，各传感器模块以及主控系统之间之所以能够实现数据信息的及时传递，主要是通过WIFI模块来进行实现，该模块发挥着重要的通讯功能，能够使传感器收集的各类数据信息实现共享。而本系统之所以能够实现远程智能化控制，主要是通过数据信息共享实现的，数据信息共享依托于传感器模块，该模块不仅能够将各类数据信息进行准确、完整的收集，而且对数据信息还具有实时监控的作用。当传感器模块监测数据信息时，若数据信息中的部分指标存在明显的波动，则传感器便会将这些波动数据信息提取，然后向其他模块和系统进行反馈，同时向主控系统提交波动数据信息。

在本次设计的系统中，对该系统进行设计主要是为了满足用户的个性化需求，而用户的各类需求必然是通过系统来实现的，所以需要将用户与系统之间进行数据信息交互、传输等［3］。这一功能主要是通过GSM模块实现的，由于GSM模块中附带电话语音功能以及短信功能，有助于实现智能家居的远程监控。但是系统在对各项指标进行检测的过程中，若出现指标偏离的情况，主控系统便会将偏离的指标信息通过GSM模块向用户推送；用户则会通过系统中嵌入的信息浏览模块、语音播报模块以及控制GSM的模块对推送的语音信息和文字信息进行播报和浏览，从而实现用户交互；当用户接收到语音信息，该系统的主控芯片会将用户的指令进行定向传递，使用户的指令信息能够聚集到STC89C52RC单片机上，进而能够依据用户的指令信息进行执行，实现远程控制。同时还可以通过系统设备来完成相关调试工作。

根据上述流程及逻辑，在系统硬件设计过程中，需要围绕所有的功能模块来开展硬件选择工作和电路设计工作，与此同时，还应该实施软件编程的调试工作，从而为系统远程监控提供基础条件。

2.2 无线通信模块的设计与确定

当前智能家居应用的通信技术丰富多样。但大部分通信技术仍处于有线连接状态，这种有线通信技术存在较多的缺陷，尤其是在布线设计方面比较复杂，并且在扩展性方面也比较差。随着科技的不断发展，无线技术以及物联网技术得以推广和发展，智能家居的通讯领域已经开始应用无线技术，无线通讯技术为人们的生活带来便利性，所以用户在选择智能家居时，会将附带无线通信技术的智能家居作为首选。随着新技术的发展与应用，智能家居在通信方式上也实现了更新发展，传统通讯技术已逐渐被取代，产生了一系列新式通讯技术，例如，WIFI技术、ZigBee技术、Z－Wave技术以及红外通讯技术等。其中，红外通讯技术存在传输距离较短、通讯角度较小等缺陷，因此该技术很少应用于智能家居领域中；ZigBee技术能够实现近距离传输，并且还具备成本优势和功耗优势，但在实际开展远程控制时，ZigBee技术的传输距离以及速度均受到了限制，导致该技术在实际应用过程中也同样受到限制；Z－Wave技术的传输速率一般在9.6kbps左右，在室内应用时，其信号有效覆盖范围可达到30m，在室外应用时，其信号有效覆盖范围可达到100m之外，在窄带宽场合条件下比较适用，并且具备一定的稳定性以及安全性，但ZWave属于一种树状组网结构，若树状组网结构的上端部分断掉，则下端全部处于连接状态的设备将会出现瘫痪，智能家居连接的设备一般比较多，一旦采用Z－Wave技术进行无线通讯，将容易造成设备瘫痪［4］，所以当前该技术在国内一般属于非民用无线通讯技术，且国内对该技术的应用也不常见；而WIFI技术能够满足智能家居远程控制的各方面需求，不仅覆盖范围较广、传输速度较快，而且还具备较高的安全性，可将智能家居所使用的各类安防器材和电气设备进行安全、高效的连接，从而使智能家居无线通信得以有效实现。因此，本设计将WIFI技术应用于智能家居的远程控制系统中。

2.3 GSM 模块的设计

GSM模块类似于移动电话通讯模块，该模块的主要作用是将电路板实现功能集成，使系统具备移动电话的部分功能，例如，本系统中涉及的语音信息发送功能。若要实现GSM模块的有效控制，必须通过控制系统使用AT指令对其实现控制，GSM模块同RS232串口之间连接，同时也可以通过单片机对GSM模块进行控制。

GSM模块主要包括GSM射频、基带处理器、ZIF连接器、FLASH以及供电模块等部分［5］。在GSM模块中，短信息模式是其关键的功能单元，其设置模式包括TEXT模式、BLOCK模式以及PDU模式。三种模式中，PDU模式比较适用于GSM模块，主要是因为该模式能够通过AT指令对重点信息功能进行调控。相对于其他模式，PDU模式更加具备可操作性和便捷性，通过发布一条AT指令便能够对短信息实施有效的编辑处理。基于PDU模式的优势，本系统设计中GSM模块采用的模式可选择PDU模式。

2.4 传感器模块的设计

在智能家居远程控制系统中，家居环境监测是关键，可采取筛选以及测试的方法。本系统设计包含了多个传感器模块，而传感器的类型也比较多，且各类传感器的功能也存在差异，所以在传感器实际选型时，还要根据系统以及用户的实际需要来选择传感器类型。常见的传感器类型如下：

（1）火焰传感器：这种传感器的灵敏度具有可调节性，针对火焰光谱具有强烈的敏感度，其外观比较简洁化，可对继电器模块形成驱动力，能够实现室内环境温度的准确控制。

（2）烟雾传感器：这种传感器主要应用于家庭和工厂，通常可对泄漏气体进行检测，例如，家庭使用的液化气、燃气等，工厂出现的丙烷、烟雾等有害气体，烟雾传感器有着非常明显的检测效果，其灵敏度能够适当调节。该传感器在实际工作时的电压可达到5V，对传感器装置进行启动之前，应该对其进行预热，预热时间至少要达到2min，若检出气体的浓度在预设范围之外，则传感器模块DO输出将会转变成低电平，在这种情况下，电压也会因气体浓度的上升而出现提升，并且DO输出可直接连接单片机，故可通过单片机来检测并确定高低电平。

（3）温湿度传感器：此类传感器多为数字传感器，一般用于室内相对温度以及相对湿度的测量，也可用于能耗传输以及长距离传输方面的测量，所以此类传感器在数据记录器、气象站、暖通空调、设备测试以及医疗等方面和领域均有所应用。

（4）红外传感器：此类传感器附带自动感应功能，当人体进入到某一特定区域范围内，该传感器便会转变成高电平输出，当人体离开这一特点区域范围后，该传感器便会通过自动延迟功能将高电平逐渐关闭，并转变成低电平输出。感应模块在输出后会步入封锁时段，在此时段内无法收到感应信号，这一情况是实现封锁时间以及输出时间的基础条件。所以在开展间隔探测的过程中，红外传感器比较适用，除此之外，红外传感器还可将负载切换过程中受到的外部干扰予以降低，且形成的功耗非常低。当人体从各向走动时，红外光谱存在一定差值，当差值较为明显的情况下，正式红外传感器的灵敏度增长。

3 基于单片机的智能家居远程控制系统的软件设计

如图2所示，该软件系统运行后，串口定时器会处于初始化状态，初始化后会与GSM模块进行连接，通过GSM模块发送开机短信，通过运行后，传感器会将智能家居各部分产生的数据进行收集，然后系统会对传感器数据进行获取，并对获取的传感器数据进行检验。当检验结果显示数据超出预警的情况下，系统会发出警报，并通过GSM模块编辑和发送报警信息，报警信息由用户接收，用户根据报警信息作出指令，通过GSM模块执行，形成新的数据。当检验结果显示数据未超出预警的情况下，便会将正常的温度、湿度以及时间等信息显示出来，然后进入Led初始化阶段，最后结束，具体软件设计逻辑图见图2所示。

图2 软件设计逻辑图

4 结论

综合上述内容，在当前物联网技术背景下，智能家居已成为人们家居生活的首选，而在利用单片机控制的条件下，能够实现智能家居的远程控制，更加方便了人们的日常生活。在本设计中，通过单片机控制，联合GSM模块、传感器模块以及无线通信模块等硬件设施，结合软件设计，基本能够实现智能家居远程控制系统的设计，使人们对智能家居的需求得到满足。