摘  要： 智能家居是以住宅為平臺，利用智能控制等技術將與家居生活相關的設施集成起來，構建的高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統[1]。以多功能的智能插座為控制核心，使用WiFi和ZigBee等技術進行無線通信，使用學習型紅外為輔助控制，搭建一套實用的智能家居系統[2]。

　　關鍵詞： 智能家居；智能插座；無線

0引言

　　智能家居是以住宅為平臺，利用網絡通信、智能控制等技術將與家居生活相關的設施集成在一起，構建的高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統。隨著人們生活水平的提高，智能家居的市場也將越來越廣闊。

　　但是目前智能家居構建的方式各異，而且目前家居系統基本耗費巨大，占用空間大，實用性不強，所以目前市場上還沒有一套成熟的智能家居系統。由于家用電器的使用與插座是分不開的，因此本系統利用這個特點，使用智能插座來構建一套實用性強的家居控制系統[3]。

　　本系統利用家用插座這個電器的連接口，設計了智能插座，將智能插座作為電器控制的基礎。智能插座可以進行電源的開關控制，還能進行電量檢測，并對用戶用電量進行統計和分析。本系統使用學習型紅外對電器做進一步的控制，學習型紅外可以模擬電器遙控器進行控制信號的發射。本系統通過智能插座和學習型紅外實現了電器的全方位的控制。本系統的控制信號是由手機終端發出的，其信號通過以太網傳輸到ARM控制核心中，然后ARM將處理后的數據通過ZigBee發送給每個節點，在節點上進行具體的控制動作。

　　本文首先描述系統的整體框架，之后介紹系統的硬件和軟件方案。

1 總體設計方案

　　整個系統由手機控制終端、ARM控制中心和智能插座節點三部分組成，如圖1所示。手機控制終端可以顯示和控制家庭內部設備的運行狀態；ARM是控制中心，與手機終端進行數據交互，發送控制信息給相應的控制節點；STM32控制的智能插座節點負責對家庭各個節點進行控制。手機終端與ARM控制核心通過以太網進行數據交互，ARM控制核心與STM32控制節點通過ZigBee進行數據交互。

　　本系統能進行監測和控制動作。手機控制終端進行具體的電器開關控制和紅外遙控控制，并能監測室內溫度、濕度等環境變量。本手機終端是在安卓平臺上開發的。ARM控制端接收來自手機終端的控制命令，將數據進行解析后，發送到具體的控制節點?？刂乒濣c會反饋相應的數據給ARM端，ARM端再將這些信息反饋給手機終端。與此同時，ARM控制端會采集溫度、濕度等環境變量，并將其傳輸給手機控制終端。而在控制節點上，所做的工作則是接收來自ARM的控制信息，進行相應的控制動作，并反饋實時的控制信息給AMR控制端。

2 STM32控制的智能插座節點

　　STM32控制節點進行具體的控制工作。STM32通過控制插座的開關從而實現電器的控制工作。通過插座來控制電器設備是非常有意義的，家用電器基本通過插座來獲取電源，而通過插座控制電器的開關無疑節省了資源和空間。由于家用電器的控制不只通過電源開關控制，還有紅外遙控控制，因此本控制節點將插座控制與紅外控制相結合，構建全方位的家居控制系統[4]。

　　2.1 節點硬件組成

　　智能插座節點主要由STM32、插座模塊、學習型紅外模塊、ZigBee模塊、溫濕度模塊和GSM模塊組成。其中ZigBee模塊用來接收來自ARM控制端發送過來的控制命令，并且控制相應的模塊，然后返回對應的信息。

　　下面的示例節點模塊可以簡單說明設備節點的硬件組成及工作原理。

　　圖2為插座控制節點原理圖，此電路的功能是控制插座的開關狀態。采用STM32的GPIO口控制對應插座的繼電器是否導通，以達到弱點控制強電的目的。圖中S8050三極管起著電流放大的作用，并且可以有效隔離繼電器和IO口；穩壓管LN4007可以有效地穩定電壓，來消除繼電器在開啟和閉合的時候產生的緩沖電流。

　　在每個節點控制處，都會有電流檢測電路。此檢測電路能測量大功率的交流電流，電流檢測的準確度高，適用于家用電器的電流檢測。STM32控制節點檢測到用電信息后，可記錄下具體實時的用電信息，將此信息儲存在本地。系統會對數據進行分析統計，計算出電器每個月的用電量。用戶可在手機終端實時調用和查看具體的用電信息。

　　2.2 學習型紅外模塊設計

　　本設計學習型紅外發射接收模塊是以STM32為控制器的萬能學習型紅外模塊。利用STM32單片機對多個紅外遙控編碼的脈沖寬度進行測量，并原封不動地把發射信號中高、低電平的時間寬度記錄至擴展存儲區的指定地址。當要發射紅外信號時，從擴展存儲區中還原出相應的紅外遙控編碼，并調制到38 kHz的載波信號上，最后，通過三極管放大電路驅動紅外發光二極管發射紅外信號，達到學習和發射的目的，從而實現一個遙控器控制多種紅外遙控設備。

　　紅外編碼信號通過STM32產生然后與38 kHz載波進行調制發射，接收電路采用一體化紅外接收頭HS0038。圖3為學習型紅外接收模塊，圖4為學習型紅外發送模塊。

　　本設計中38 kHz載波通過波形發生器555定時器產生，555定時器能產生頻率和占空比可調的穩定的方波，常用于低頻率方波的產生。載波信號的波形對發射功率和距離是有很大影響的，經過試驗證明，1/3占空比的載波能使紅外信號發射較遠的距離。因此本系統的555定時器產生的是占空比為1/3、頻率為38 kHz的載波信號，用于紅外信號的調制。

3 系統軟件設計

　　3.1 概述

　　STM32控制節點是主要的核心部分。系統程序的編寫主要由以下幾個模塊組成：ZigBee模塊驅動、溫度傳感器驅動、濕度傳感器模塊、GSM模塊驅動、插座驅動、可調燈驅動、測電量模塊驅動及學習型紅外驅動。

　　3.2 智能插座驅動設計

　　要控制LED燈的亮滅，只要控制LED對應的GPIO管腳的輸出高低電平即可。LED燈驅動注冊為雜項設備，相應GPIO口設置為輸出。

　　表1和表2說明了各個參數可能的取值及意義。

　　3.3 學習型紅外驅動設計

　　紅外學習驅動如下：

　　接收原理（學習原理）：中斷里面進行捕獲高低電平，并且記錄相應的時間。用一個無符號的字節來標志狀態，比如是否收到完整的引導碼，是否得到所有信息（地址/數據信息），標志計時器計了多久（原本是用延時查詢方式，但有誤差，也會誤判）。圖5為學習型紅外學習流程。

　　紅外發射驅動如下：

　　學習型紅外發射驅動較為簡單，只要把學習到的紅外脈寬通過STM32的GPIO口控制輸出高低電平的時間來達到輸出學習到的波形的目的。圖6為學習型紅外發射流程。

4 數據分析

　　4.1 用戶用電量模塊

　　本系統使用測電量模塊便可測量電器的實時用電量。為了同時兼顧測量電量的準確度、系統的功耗和性能，本系統每5 s進行一次電量檢測，并且將其保存記錄在當天用電信息存儲表中。此表是保存在本地存儲中的，數據掉電不會丟失。每天的凌晨0點，控制節點便會將當天的用電量進行統計和計算，計算出當天的用電量，并將其保存在本月用電信息存儲表中。圖7是當天電視機用電量的統計圖。

　　從圖7可以看出，當天的凌晨到中午11點之前，用電量基本為零，這表示這時候電視處于關閉的狀態。而當天的中午11點到13點有小量的用電量產生，這表示中午用戶有短時間觀看電視。從13點到18點之間，每小時用電量為5 W左右，這表示這時候電視是處于待機狀態。而在19點到22點則迎來了用電量的高峰，這表明用戶在這段時間內都在觀看電視。

　　對電器的用電量進行測量和記錄，可以方便統計各分電器的功耗和用戶的使用習慣。這些數據是非常有使用價值的，便于后期進行大規模的數據分析。在基于智能插座這個控制節點的基礎上，進行電量統計和分析工作是非常方便的，因為智能插座控制了電器的電量開關。

　　4.2 學習型紅外的功能分析

　　紅外遙控器是重要的家用電器的控制設備，而學習型紅外則很好地完成了紅外遙控器控制的功能。學習型紅外需要接收并分析紅外遙控器發出的波形信號，將其進行相應的解析后存儲在本地中。當需要發射控制信號時，將這些信號的信息取出，將其調制成紅外信號并通過紅外發射管發出。

　　為了證明學習型紅外發射出的控制信號與紅外遙控發出的控制信號波形是吻合的，將這兩個信號均由一體化紅外接收頭接收并解調，將解調后的波形由示波器顯示，分析并對比兩者波形的異同。由于波形較長，表3只列出波形的吻合度。

　　由表3可以看出，波形的吻合度基本在0.98左右，表示學習型紅外發射的波形基本沒有變化。而在實際的控制過程中也驗證了這一點，學習型紅外能很好地控制家用電器。

　　參考文獻

　　[1] 葉國偉.智能家居市場現狀與趨勢[J].智能建筑，2012（6）：54-55.

　　[2] 施旭燕.智能家居自動化技術研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2002.

　　[3] 嚴靜.迎接智能家居時代的來臨[J].湖北電力通訊，2010（351）.

　　[4] 劉海亮，曹家年，郭逢麗.嵌入式智能家居安防系統的研究與實現[J].應用科技，