假期 电影 2006:[13号参赛作品]《物联网智能家居控制系统》

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作品说明书
  物联网智能家居控制系统 
 
 
 
 
 

1. 开发背景

20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化(HE, Homen Electronics)出现。80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念(HA, Home Automation)。随着互联网的广泛应用，将自动控制技术与网络通信技术结合起来控制家用电器设备，可以给人们带来最大程度的便利、舒适与安全的生活环境。
 

2. 原理

本系统采用电脑远程无线遥控电视、空调、冰箱、电饭锅、洗衣机等家用电器工作状态。微处理器实时监控电器的工作状态并由无线收发器上传至上位机（电脑）。本地计算机通过专用通讯软件远程局域网与网络计算机通讯。网络计算机由控制终端软件发出控制信号，控制本地计算机，本地计算机由无线收发器器发出控制命令控制本地家庭电器的工作状态。本远程无线遥控系统将各电器的的控制连到整个网络中来，可以通过网络的方法控制家用电器，也可以使用无线遥控器在楼下将楼上的空调，电视等设备启动和关闭。本系统集成定时控制、本地网络控制、本地无线控制、远程无线控制于一体。同时，本系统用可视化编程语言编写电脑上位机客户端，界面简单、易于操作。因此，该系统操作简单，功能强大，具有很强的实用性。
 

3. 设计方案

本系统是融合了自动控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的远程智能家居控制系统。智能家居系统能让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，电视、空调、冰箱、电饭锅、洗衣机。

本系统的无线收发器采用Nordic 公司的 NRF905 芯片。NRF905 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码 和 CRC， 可以很容易通过SPI 接口进行编程配置电流消耗很低在发射功率为＋10dBm 时发射电流为30mA 接收电流为12.5mA。进入POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。
 
本无线收发器具有以下特点：

(1) 433Mhz 开放ISM 频段免许可证使用。 
(2) 最高工作速率 50kbps，高效GFSK 调制，抗干扰能力强，完全适应于电磁干扰强度高的要求。 
(3) 125 频道，满足多点通信和跳频通信需要 。
(4) 内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址控制。 
(5) 低功耗 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为 2.5uA  
(6) 收发模式切换时间 < 650us 。
(7) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可以用软件定义其为发送模式和接受模式。 
(8) TX Mode（发送模式）：在+10dBm 情况下，电流为 30mA； RX Mode（接收模式）： 12.2mA。 
微处理器采用AT89C51单片机，此单片机价格低廉，完全足以满足控制要求。其总体原理框图如下图1所示，其中控制信号①、控制信号②、控制信号③分别对应远程遥控模式、本地遥控模式和手动模式。


图1.系统设计原理框图

温度传感器DS18B20用于采集室内温度，使用51单片机定时器定时30s，实时采集温度数据，并通过RS232串口发送至电脑客户端。

网络是一个具有交互能力的平台，用易语言编写的上位机程序可以通过这个平台按照一定的通信协议实现信息、内容在不同的子系统中进行交互、交换。每个子系统都可以脱离交互平**立运行。
 

4. 硬件电路设计

硬件电路由51单片机最小系统和RS232串口通讯电路以及电源和设备控制电路组成。

其中51单片机最小系统版电路包括电器设备指示灯、nRF905所需3.3v电压转换芯片AMS1117电路、用以手动模式调节电器设备的按钮以及ordic 公司的 nRF905 芯片接口电路。其原理图如下图2所示。


图2.单片机最小系统原理图

因为电脑用以RS232通讯的高电平-12V，低电平+12V，所以采用MAX232芯片进行电压转换。MAX232采用+5V供电，其电路原理图如下图3所示。


图3.串口通讯原理图

51单片机采用5V电源供电，其原理图如下图4所示，220V交流电经过变压器之后，输出9V交流电压，再经过四个1N4007全波整流后，经过电容滤波后进入三端集成稳压管LM780输出直流5V电压。其中C1为滤波电容，C2的作用是防止旁路高频干扰信号，C3的作用是改善负载瞬态响应。
 
图4.单片机电源原理图

为实现控制额定电压220V家用电器，采用小继电器实施隔离控制。继电器采用三极管S9014驱动，其控制线号由单片机供给。其电路如下图5所示。


 
图5.继电器控制电路
 

5. 软件与客户端设计

本地电脑与网络电脑实现通讯功能的专用通讯软件“远程智能家居终端”和“远程智能控制界面”上位机程序，按照一定的通信协议实现交互通讯，其界面简单易于操作。远程智能家居终端界面如下图6所示，打开程序后会自动显示本机IP地址。设置好串口端口和波特率之后（本系统单片机与电脑通讯波特率默认使用9600 b/s），点击“开启串口”之后即可实现客户端与电器设备联机。默认情况下，远程控制显示未连接状态，未打开串口之前，控制设备的按钮“计划任务”都不能被点击。

 

图6.远程智能家居终端界面

开启串口后，程序会弹出消息框，提示相关的串口信息。若控制台程序与本地客户端实现联机成功后，也会弹出相关信息。当连接断开时，会弹出相关信息。在6s内不点击确认则，其连接警告会自动销毁。其界面设计如下图7、8、9所示：
 
 
                         
点击“计划任务”后，会出现以下对话框，用户可以参考当前时间提示信息，如图10所示。根据自己需要设定定时时间和要计划的项目，点击“确认”后则会提示“设置成功”相关信息，如图11所示：

 
 远程智能控制系统的控制台界面如下图12所示。默认情况下电器设备都处
于关闭状态，当远程控制连接上时，程序会自动获取相关信息，并正确显示电气设备的运行状态。


图12.远程智能控制台界面

当断开远程连接时，控制台程序会弹出信息框，如下图13所示

 
图13.控制台断开连接信息框

默认情况下，客户端和控制台程序上显示电器设备都处于关闭状态，只有当系统联机时，才会自动校正当前电器的实际状态。并且在系统没有联机时单独运行客户端和控制台程序时，软件界面都不会有电器设备的运行状态发生改变。

6. 控制模式设计

6.1本地手动模式

 
本地模式采用人工手动按动按钮自动控制，以用于没有打开电脑的状态下，也能实现独立控制，控制信号由单片机采集，其控制过程如下图14所示：


图14.本地手动模式控制原理图
 

6.2本地电脑遥控模式

 
本地电脑遥控模式是用本地电脑通过上位机程序发送控制命令通过RS232接口发送给单片机，然后由无线收发器发出的，用于本地计算机打开时控制模式，或者本地计算机的“计划任务模式”，其控制过程如下图15所示：


图15.本地电脑遥控模式控制原理图
 

6.3 远程电脑遥控模式

 
远程电脑遥控模式用于网络电脑和本地电脑都打开的情况下。通过上位机程序发送控制命令，通过网络交互平台实现数据交换，将命令发送到指定IP地址的电脑上，然后通过RS232接口发送给单片机，然后由无线收发器发出的，其控制过程如下图16所示：


图16.远程遥控模式控制原理图
 

7.系统同步与安全

 

7.1 系统同步

 
(1) 单独运行客户端程序和控制台程序，系统未处于完整联机时，点击任何电器的控制命令时都不会有指示灯状态发生改变，此时任何设备都不能被控制。

(2) 系统处于联机时，发送控制命令后，若电器设备未动作，此时也不会由指示灯发生改变。整个系统采用的是先动作，后变指示灯的运行模式，确保指示状态同当前实际状态一致。

(3) 本地电脑开机时默认设备都处于关闭状态，此时打开串口时，客户端程序会自动给AT89C51单片机发送校正命令，此时单片机迅速获取I/O口的状态，并将其上传至上位机，保证上位机程序与当前电器的状态保持一致。

(4) 网络电脑和本地电脑均打开时，网络电脑给本地电脑发送校正命令，此时本地电脑迅速获取当前电气设备状态，并通过因特网发送给网络电脑。

(5) 为确保系统状态同步，启用AT89C51单片机内部定时器，定时时间1分钟，实时监控当前设备的运行实际状态并与指示状态进行比较，若有不同状态 则迅速上传至上位机。这种监控模式用于当人工手动自行开机电器设备，或者由于某种特殊原因而导致的通讯错误而导致指示状态错误。
 

7.2 安全

 
(1) 为确保系统的安全使用小型固态继电器隔离控制强电，这种继电器具有高寿命、高可靠、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、电磁干扰小等优点，而且电路简单，易于安装。并在电器设备中串联保险丝，防止设备短路而引起火灾。

(2) 小型继电器采用PNP型三极管驱动，在单片机开机初始化中，I/O口都为高电平，这样确保继电器不导通，设备不运行。

(3) 家电控制单元（见附录照片）将热继电器串在电路中，当设备短路或功率过大时，常开触点即会动作，当单片机检测到I/O电平变化时，即会立即切断电源，防止意外发生。
 
 
[13号参赛作品]《物联网智能家居控制系统》视频链接： //v.youku.com/v_show/id_XMzM1MDI5NDEy.html