基于单片机的智能家居模拟系统

邢炜卿

（北京科技大学天津学院，天津 301830）

0 引言

近年来，国家相继出台了一系列支持智能家居设备行业发展的相关政策，智能家居成为物联网九大重点领域应用示范工程之一。智能家居系统是计算机网络、单片机、通信等多个系统的有机结合体，功能多样，可有效提高智能家居的各个维度。

行业发展趋势不仅包括政策推动行业发展，技术创新也会推动产业高质量发展。产品智能化程度不断提高，才能达到“以人为本”的目的，使人们的生活更舒适和便捷，进而提高社会的消费水平，扩大消费市场规模［1］。所以，有必要对智能家居系统开展研究。

1 3D家居模型设计及搭建

1.1 3D家居模型设计思路

手工模型是展示设计方案的重要方法之一。在设计初期，需要确定构建模型所需的材料，并通过2D 草图来计算出模型的空间比例，从而确定独立空间模块所在位置，包括客厅、卧室、厨房、卫生间、门这5个独立空间模块。

1.2 3D家居模型的搭建

利用设计好的3D 图片对模拟智能家居进行搭建，从而能更直观地展示模拟智能家居的整体布局和硬件布线。同时，利用剩余空间来展示智能家居中的各类DIY家具。

2 智能家居系统软件设计

2.1 APP开发

在设计用户界面（列表选择框、复选框、标签等）时，使用标签进行合理布局，并进行对应的逻辑设计操作（蓝牙客户端、列表选择框、按钮等）。

该系统的硬件蓝牙模块采用的是HC-05 蓝牙模块，该模块是一款主从一体的蓝牙串口模块。HC-05蓝牙模块主要适用于较短距离的无线数据传输，能非常方便和上位机（如手机、电脑端等）蓝牙设备连接在一起。

通过对蓝牙进行初始化操作，可调用蓝牙客户端来判断蓝牙启动的真与假。

2.2 手机APP连接蓝牙模块

客厅空间模块、卫生间空间模块、卧室空间模块、门模块均采用51 单片机最小系统，这些模块通过蓝牙模块与手机APP 相连接，从而分别控制LED灯的亮灭、直流电机风扇的转停、窗帘的开闭、门的开关（SG90舵机）等。

通过AT指令来配置蓝牙模块，蓝牙模块的TXD与单片机P3.0 针脚相连，蓝牙模块的RXD 与单片机P3.1针脚相连。手机APP连接蓝牙及手机APP成功连接蓝牙如图1、图2所示。

图1 手机APP连接蓝牙

图2 手机APP成功连接蓝牙

3 家居模型硬件设计

3.1 单片机开发板控制部分设计

该系统使用的主控芯片HC6800-ES V2.0 单片机开发板提供USB2.0 和串口两种通信方式，该开发板兼容STC、SST 等51 系列的单片机。本研究设计的系统主要采用HC6800-ES V2.0 单片机开发板上的蜂鸣器、温度传感器、液晶显示等模块。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压的方式进行供电［2］。传感器是一种检测装置，对被测量的信息进行采集，并将采集到的信息以一定规律转变成电信号或其他所需形式的信息，并将信息进行有效输出［3］。DS18B20 温度传感器是一种单总线型温度测量元器件，可使用总线进行供电。LCD1602 液晶是一种用来显示字符、数字和符号的点阵型模块，主要由若干个点阵字符位组成，每个点阵字符位都可用来显示对应的字符，并作用于字符间距和行间距［4］。

该系统的主控芯片HC6800-ES V2.0 单片机开发板主要对厨房空间模块温度进行实时显示和报警。厨房空间模块采用独立的STC89C52单片机开发板和液晶显示屏，可实时检测当前的室内温度，此外，可根据环境变化来对设定后的温度阈值进行修改。当DS18B20单线数字温度传感器读取到的温度超过阈值时，蜂鸣器会发出警报。厨房空间模块实测如图3所示。

图3 厨房空间模块实测

3.2 单片机最小系统蓝牙控制部分设计

单片机最小系统控制部设计分为客厅空间模块的LED 灯硬件设计、卧室空间模块的窗帘自动控制设计、卫生间空间模块的风扇设计和开关门设计，利用单片机最小系统对整体进行控制，从而实现各个空间模块的具体功能。此外，智能家居的全面应用要符合现代室内的空间设计感的要求。

本研究采用的是28BYJ4步进电机，由于步进电机要加装驱动板才能进行运转，所以采用与其匹配度较高的ULN2003 驱动板，从而增强单片机的驱动能力。步进电机的驱动信号可转变为脉冲信号，在没有脉冲驱动时，步进电机为静止状态，当加入脉冲信号后，就会以一定的角度转动。每输入一个脉冲信号，转子就会转动一个固定角度，所以比较适合单片机控制［5］。

卫生间空间模块的设计重点在于风扇开关的控制。风扇的开关由L298N 驱动板进行控制，L298N驱动板包括两个输入端、输出端A、输出端B、通道A使能、通道B使能及4个逻辑输出端。IN1、IN2、IN3、IN4 为逻辑输出口，共有6 个引脚，其中，IN1、IN2 负责控制一个电机的转动，IN3、IN4 负责控制另一个电机的转动。单片机上的P1.0 端口连接驱动板IN1，P1.1端口连接驱动板IN2，P1.2端口连接驱动板ENA。

开关门空间模块利用舵机的转动变化对门开关进行控制。该模块以SG90 舵机为模拟电机，SG90舵机在运行过程中的角度可不断变化，并能保持位置。在实际操作过程中，需要不断发送相应角度的PWM 信号，才能使该舵机旋转到指定位置。不同角度的模拟系统如图4、图5所示。

图4 模拟系统（俯瞰）

图5 模拟系统（侧看）

4 控制代码设计

该系统的代码设计框架包括UART、定时器、中断程序、延时驱动程序。STC89C52 芯片内置UART接口，主要用于外部异步串行通信。安装电脑驱动如图6所示，stc-isp操作界面如图7所示。

图6 安装电脑驱动

图7 stc-isp操作界面

在对该系统开发过程中，需要使用Keil uVision5对51单片机进行软件开发，从而建立基于51单片机的软件开发环境。

该系统的软件通过编译交互框显示无误后，应将设计的程序编译成目标文件.hex，通过下载器将其下载到STC89C52单片机中，并接通相关硬件的电源，即可完成程序下载。

5 结语

本研究将51 单片机中的蓝牙控制系统应用于智能家居系统中，从而实现在手机终端控制硬件设备等功能。通过使用一种快捷、兼容性强的无线方式，能有效解决智能家居系统中家用电器因种类繁多而导致的兼容性差的问题，从而实现对智能家居的实时控制与高效管理［6］。