作者：河海大学文天学院 吴 丹 杨全胜 李维俊

指导教师：王飞

作品简介

智能家居是现代社会最热门的话题之一，它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制，使其能够按照人们的设定工作运行，而不论距离的远近。智能化与远程控制是智能家居的两大特点。目前，已经有越来越多的机构和个人开始了对智能家居的研究。

随着网络技术的发展，特别是无线网络的发展，网络化智能家居系统可提供遥控、家电(空调，热水器等)控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和安全。

本次设计作品以IAP15F2K61S2芯片为控制核心，温度，湿度等传感器为环境信息采集源，来制作一个家庭空调监控系统。在原有的机械式按键开关的基础上，采用无线遥控器与TFT界面远程控制(见下图一、二、三)，来控制空调机组(如风机，加湿器，风阀等)，实现了远距离，多角度对空调机组进行实时控制。此外在本次设计中，采用多种传感器想结合，智能根据各传感器采集的数值进行自动化控制，如自动开关风机，智能调节冷冻水量，自动调节风阀开度等。并能够实现故障诊断，提供报警，短信服务(图四为GSM模块)。

平台选型说明

人们拥有智能家居是为了享受到更舒适、更安全的生活。智能住宅的布线在于要提供更多的诸如住户自动控制、保安、娱乐、购物和教育的功能，并要求实现分户管理、安装和维护简便、双绞线与同轴电缆共存等。

总的来说，优秀的家庭自动化产品应该具有以下的特性：

标准化：家庭自动化产品应当依照国际上流行的相关协议进行设计，充分保证各厂家产品间的兼容性和相互操作能力。遵循适当的标准，也将保证产品能不断适应未来发展趋势，具有充分的发展潜力。

开放性：目前，在智能住宅、家庭自动化、家电网络领域尚处于一家一户自行开发的局面，而实际上用户不可能全部使用同一厂家生产的产品，这将极大阻碍互联互通和长远发展。因此，家庭自动化系统应该具有开放的协议，统一的接口。 模块化：采用模块化的设计可以适应各种场合的需要，保障用户的利益，并允许系统的逐步到位。模块之间遵循一定的协议，可以相互通讯和协调。

实用性：人们购买家庭自动化产品是为了享有更加便利舒适的生活，绝非追逐潮流的概念。因此，家庭自动化产品应该切实地为用户提供各种实用化的功能和服务。例如，同样是远程改变温度，但远程调整房间室温要比调整冰箱的工作温度要有意义得多。

普及化：家庭自动化系统应该面向低成本，高性能的目标设计，住户对价格较为敏感，所以智能住宅采用的技术要较为经济。同时，家庭自动化系统应该能最大程度兼容用户原有电器设备，保护用户投资。

简洁易用：高科技带来得应该是一种享受而绝不是一种负担。好的家庭自动化产品应该简便易用、用户界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。 人们拥有智能家居是为了享受到更舒适、更安全的生活。智能住宅的布线在于要提供更多的诸如住户自动控制、保安、娱乐、购物和教育的功能，并要求实现分户管理、安装和维护简便、双绞线与同轴电缆共存等。

设计说明

1系统设计方案

根据设计要求，系统提供了包括了核心控制模块，TFT屏界面操作，数据采集模块，继电器模块，按键模块，短信报警模块，等等。系统的整体框图如图1所示。

图 1 系统整体框

2功能设计：

2.1 多源控制

为了适应人们高质量，便捷的生活需求，本系统采用多源控制，即按键控制，NRF2041远程控制，系统自动控制，这三种控制相结合。其中NRF2041远程控制，是指在距离被控对象距离比较远，通过无线发送接收，经过红外通信(NEC红外通信协议)，管理当前空调的运行，只需TFT屏相应的按钮，就可以轻松的打开，关闭，控制家中的空调机组，已达到远程控制的功能。系统自动控制是指系统的核心部分可以根据外部传感器所采集的环境信息(如温度，湿度等)与用户设定的可以使人可以较为舒适的之作比较，然后根据比较结果对相应的设备进行调节控制，以保持着个舒适的值，为用户提供一个良好的温湿度环境。

2.2 空调控制

通过温湿度传感器(如图2)采集当前的温湿度信息，送到采集模块中进行转换，通过与预设值的对比，决定空调机组的工作状态，使室温保持在一个恒定的范围。同时为了方便控制，采集到的温湿度信息将通过NRF2401发送到TFT液晶屏上显示出来，并有TFT屏触屏控制来设置空调机状态。

图2 温湿度传感器DHT11模块

2.3 灯光控制

通过对TFT屏界面操作，设置相应的控制值，来调制PWM，在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。从而就得到了不同的电流值，来调节灯的亮暗。

2.4 光线控制

系统对室内光线强度进行采集光信号，通过单片机进行分析处理，处理后的数据与设定的值进行比较，比较后的数据给发送端无线模块，接收端无线模块接收数据，单片机根据数据信息，控制步进电机调控百叶窗扇叶旋转。当室内光线强度低于设定值时，接收端单片机会依据采集到的光线强度信号控制自动开启室内照明设备，当室内光线强度高于一定值时，接收端单片机会控制自动关闭室内照明设备。

2.5电视控制

通过对TFT屏界面操作，设置相应的控制值，通过红外发射与目标电视机建立连接，找到目标电视机后，发送操作命令到目标电视机;目标电视机编译接收的命令，并执行指令操作。

2.6 防盗控制

基于GSM短信模块的家庭无线防盗报警系统。此系统可解决这些隐患，让家庭防盗更及时、使用更方便。它不再依赖有线电话执行报警，而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的中文短消息或电话形式，直接把报警地点的情况反映到您的手机屏幕上。它采用主动式红外传感器进行检测，变有形的传统防盗网防盗窗为无形，给火灾时的逃生提供方便。并配备烟雾传感器和燃气泄漏传感器，实现防火、防燃气泄漏的作用。

3 硬件原理图

3.1 最小系统模块

最小系统模块(图3)中IAP15F2K61S2K61S2芯片 共40引脚，是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/高可靠性/低功耗/超强干扰的新一代8051单片机。

图3 最小系统

3.2 串口模块

串口模块(图4)采用MAX3232芯片，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。主要特点有：

1、符合所有的RS-232C技术标准

2、只需要单一 +5V电源供电

3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-

4、功耗低，典型供电电流5mA

5、内部集成2个RS-232C驱动器

6、内部集成两个RS-232C接收器

图4 串口模块 MAX3232

3.3 温湿度传感器模块

DHT11温湿度传感器模块(图5) ， 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 ，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

3.4 红外发射模块

红外发射模块(图6)，红外线发射装置采用红外发光二极管采用数字信号编码和二次调制方式，不仅可以实现多路信息的控制，增加遥控功能，提高信号传输的抗干扰性，减少误动作，而且功率消耗低;红外线不会向室外泄露，不会产生信号串扰;反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。所以现在很多无线遥控方式都采用红外遥控方式。

图5 DHT11温湿度传感器模块 图6 红外发射模块

3.5 GSM短信模块

GSM短信模块(图7)，要求12V/500mA供电，与单片机通过串口通信，波特率9600bps，通过SIM卡座来安装SIM卡。

3.6 TFT液晶屏模块

TFT液晶屏模块(图8)，240*320像素,26万色,8位并行接口方式。

图7 GSM短信模块 图8 TFT液晶屏模块

3.7 键盘模块

键盘采用4*3矩阵键盘,键值读取方法采用扫描法，端口使用P1口，其中P1.1~P1.3做行线，P1.4~P1.7做列线，在对行、列扫描之前，先会扫描整个P1口，当读到有键按下才，会去具体扫描行与列。

图9 键盘模块

3.8 继电器模块

继电器作为一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。本次设计中选用了4个继电器来控制4个对应的电器。

图10 继电器模块

4 软件系统设计

4.1 TFT液晶屏操作

1.主界面(图一)：当前温湿度显示，菜单按键进入。

2.菜单界面(图二)：功能选择按键，返回主界面按键。

3.设置界面(图三)：设置按键，返回主界面按键，设置确定按键(返回主界面按键)。

4.2 NEC红外通信协议

采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图11所示。

上述“0”和“1”组成的32位的二进制码经38kHz的载波进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，如图12。

遥控信号编码波形图

图12 遥控信号的周期性波形

4.3NRF2401无线通信

首先进行初始化操作，初始化包括设置单片机I/O和SPI相关寄存器两部分其可以和nRF24L01通信。通过SPI总线配置射频芯片使其进入正确的工作模式。发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式。接着把发送端待发射数据的目标地址TX—ADDR和数据TX—PLD写入nRF24L01缓冲区，延时后发射数据，其流程图如图13所示。

图13无线通信软件流程图