摘  要： 設計了一個基于AVR單片機的智能家居控制系統，系統采用了控制器、監控器及被控終端的框架結構。控制器和監控器之間采用藍牙串口通信模塊進行通信，控制器和被控終端之間采用無線射頻通信。
關鍵詞： 智能家居；DHT11；MQ-5；PT2262/2272；F05R/J05U

　目前，智能化已經成為自動化領域的發展趨勢和顯著標志，并且推動智能功能迅速擴展到儀器、儀表等設備中去，使設備具有智能化。隨著科技的進步和人民生活水平的提高，居民對住宅的功能、質量提出了更高的要求，智能家居以其安全舒適、信息通暢、服務完善而深受住戶的喜愛[1]。
　當前國內的智能家居主要研究的內容有：(1)對家用電器和其他設備的控制、調節和監測。(2)溝通家電和其他視頻設備之間以及與外部世界之間的信息通道。(3)通過對外接口，實現遠程控制和信息交換。盡管中國的智能家居市場前景很大，但由于缺乏規范、統一的行業標準，安裝、調試復雜，成本費用高等原因，導致智能化家居的應用在中國并沒有得到良好的推廣和發展。
本設計研究了基于AVR單片機的智能家居控制系統，該系統采用了控制器、監控器和被控終端的框架結構，主要設計了對家居中的時間、溫度、濕度、可燃氣體濃度、光照、安防等信息進行監測的系統和家用電器的自動化控制系統。
1 系統總體設計
1.1 系統總體功能設計
　系統通過各種傳感電路檢測室內的溫濕度信息、光照信息、可燃氣體濃度信息以及安防信息等，然后與預置的參數臨界值進行比較。系統根據比較結果發出相應的控制命令，以控制相關被控設備的工作狀態。并且，系統可以實時地顯示當前時間、溫度、濕度、可燃氣體濃度、照度、安防狀況等參數值，并與聲光報警裝置配合，及時將各種監控信息通知住戶。
1.2 系統總體方案設計
　系統總體方案的設計應該全面考慮系統的總體功能，進行硬件的初步選型后，確定一個硬件實現的可行方案。經過反復對比，考慮到節約整體成本，系統以Atmel公司生產的AVR系列Mega8L單片機為控制核心，并選用低功耗和低成本的功能器件。系統總體結構框圖如圖1所示。

　系統的設計采用了框架結構，將整個系統分為三部分，分別為控制器部分、監控器部分和被控終端部分。控制器主要負責采集信息和控制被控設備的工作狀態，用以完成對時間信息、溫度信息、濕度信息、光照信息等信號的采集，并將采集的信息按既定的通信協議，通過藍牙串口通信模塊發送給監控器，并在收到監控器發送的控制被控設備工作狀態的控制命令后，將控制信號通過射頻信號傳送給被控終端，從而實現對被控設備的無線控制[2]。監控器主要用于顯示監控信息和發送被控設備的控制命令，當監控器收到控制器發送的數據后，將相關信息顯示在LCD屏上；用戶通過按鍵操作，將控制被控設備工作狀態的命令通過監控器發送給控制器。此外，監控器還可以發出聲光報警。被控終端用于接收控制器發送的控制被控設備工作狀態的命令，從而控制對應被控設備的工作狀態。
2 系統主要功能模塊設計
2.1 電源及指示電路模塊
　電源電路在很大程度上決定了一個系統的穩定性，因此電源電路的設計在本系統中也占據了重要的地位。系統采用市電直接供電，選用了市售的交流220 V到直流5 V/3 W的開關電源，它具有體積小、穩定性高的特點。為了使系統供電更加穩定，在設計電源電路時，串入了防止正負極反接的二極管1N4007，輸入部分加入330 μF電解電容進行濾波，并加入了集成穩壓芯片7805進行進一步穩壓，輸出部分加入220 μF電解電容和104瓷片電容進行低頻和高頻濾波，使電源的紋波更小，從而使系統工作得更穩定[3]，電源電路如圖2所示。
電源電路采用兩路供電，除了上述的開關電源供電外，電源電路還設計了USB供電通道，供電通道切換通過開關K1進行。為了防止負載的變化或者負載短路導致負載受損，本電源電路設計了快恢復保險管X025。另外加入了由限流電阻R1和發光二極管LED1組成的電源指示電路。

2.2 可燃氣體濃度采集模塊
　可燃氣體傳感器是一種氣敏傳感器，氣敏傳感器是一種對氣體中一項或幾項特定成分敏感，將其檢測出來并轉換成電信號的器件，它實現的是氣體—電信號的轉換。可燃氣體傳感器對天然氣、液化氣等可燃性氣體都有感應，可以應用于家庭、旅店、實驗室、工廠車間等場合[4]。本設計選用的可燃氣體傳感器型號為MQ-5，該傳感器是電阻型氣敏傳感器，它的氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主材料的N型半導體氣敏元件，適用于家庭或工業上對液化氣、天然氣、煤氣的監測，當元件接觸還原性氣體時，其導電率隨氣體濃度的增加而迅速升高。
　MQ-5元件封裝有6只管腳，其中4個用于信號提取，2個用于提供加熱電源，其連接電路如圖3所示。電阻RL是外接電阻，用來調整輸出的模擬電壓范圍[5]，電壓信號是從RL和地之間取出，然后送至LM358的同相輸入端。LM358是雙運算放大器，適合于單電源供電，在該電路中LM358被用作電壓跟隨器，起隔離緩沖作用，以便將RL上的輸出電壓全部作用在A/D轉換的輸入端。

　在MQ-5剛開始通電工作時，即使沒有接觸到可燃性氣體，其電導率也急劇增加，1 min后才能穩定，此時才可以正常使用，為此，在設計電路時就要采用延時的方法來解決。在該設計中，采用軟件延時的方法，即在控制器首次采集MQ-5的輸出電壓時，進行適當的軟延時。
2.3 溫度、濕度信息采集模塊
　溫濕度傳感器采用廣州奧松電子有限公司生產的集成數字溫濕度傳感器DHT11。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。通過單片機等微處理器的簡單連接就能夠實時地采集本地濕度和溫度[6]。
　DHT11的濕度測量范圍為20％RH~90％RH，溫度測量范圍為0 ℃~50 ℃，測量分辨率為8位，濕度測量精度為±5% RH，溫度測量精度為±2 ℃，能夠滿足一般室內溫濕度環境監測的要求。工作電壓范圍為3.3 V~5.5 V，在5 V電源電壓下，最大工作平均電流0.5 mA，功耗比很低。
　DHT11與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個I/O口[7]。傳感器內部濕度和溫度數據由5 Byte(40 bit)組成，一次通信時間最大3 ms，高位先出。其具體數據格式為：8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和。DHT11在與單片機通信過程中，40 bit的數據一次性傳給單片機，由于數據采用了校驗和方式進行校驗，有效地保證數據傳輸的準確性。
2.4 光照信息采集模塊
　光照采集電路的設計本著簡單穩定的原則進行，電路如圖4所示。D2是光電二極管，工作模式為反接方式，類似于穩壓二極管，當光照很弱時，其內阻很大，當光照增強時，其內阻變小。D2與R3、R11組成串聯分壓電路，當光照較弱時，D2的壓降很大，使PNP三極管9015的基極電壓很高，三極管不導通，其發射極輸出低電平。當光照強度增加到使D2的壓降降到一定程度時，三極管導通，其發射極輸出高電平。單片機采集后通過判斷高低電平即可知道光照強弱?？赏ㄟ^調節電位器R3進行標定，使三極管的關閉導通閾值固定在一個需要的數值。

2.5人體熱釋電紅外監測模塊
　人體熱釋電紅外監測模塊是一種能夠感應人體靠近或遠離的傳感器，模塊將人體紅外熱輻射信號轉化成電信號。人體都有恒定的體溫，一般在37 ℃左右，會發出特定波長的紅外線(普通人體會發射10 μm左右的特定波長紅外線)，人體熱釋電紅外檢測模塊的菲涅爾透鏡將熱釋的紅外信號折射在熱釋電紅外傳感器(PIR)上，熱釋電紅外傳感器將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉換成電信號，即熱電轉換。因此在被動紅外探測器的警戒區內，當無人體移動時，熱釋電紅外感應器感應到的只是背景溫度，當人體進人警戒區時，熱釋電紅外感應器感應到的是人體溫度與背景溫度的差異，此時將前后兩次采集的數據進行比較，根據比較結果，可以判斷出是否有人等紅外線源進入警戒區。
　系統采用市售的人體熱釋電紅外采集模塊，外形如圖5所示。其內部集成了熱釋電紅外傳感器和紅外傳感信號處理器BISS0001，引出VCC(+5V)、OUT和GND三個引腳。模塊上電后，當有人時，OUT引腳輸出高電平，無人時模塊將OUT端電平拉低，輸出低電平。主控器通過與OUT端相連的輸入端口的高低電平來判斷是否有人進入房間。
2.6 無線收發模塊
　系統的控制器部分和被控終端部分的通信采用無線通信模式，其通信模塊電路設計如圖6所示。圖中PT2262為射頻編碼電路，PT2272為射頻解碼電路。PT2262/2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路，振蕩頻率通過一個外接電阻進行調節，編碼芯片PT2262發出的編碼信號由地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時，相應的數據腳也輸出相應電平。只有發射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用。另外發射接收芯片的地址端口振蕩電阻還必須匹配，否則接收距離會變近甚至無法接收，根據參數匹配經驗，PT2262的振蕩電阻取2 MΩ，PT2272的振蕩電阻取390 kΩ。當PT2272的VT腳輸出高電平時，發光二極管被點亮，表明解碼有效。

　無線發射模塊和接收模塊分別采用安陽新世紀電子研究所生產的F05R和J05U。F05R是一款小體積、低電壓、微功率無線發射模塊，特別適合低電壓電池供電使用，無數據時休眠，并符合FCC認證標準。J05U是一款特小體積、超低功耗、高靈敏度的OOK/ASK超外差接收模塊，芯片內高度集成了超外差接收電路的所有功能，具有較高的接收靈敏度和穩定性。F05R和J05U均可以工作在315.0 MHz或 433.92 MHz頻段，為了與PT2262/2272芯片的工作頻率相一致，本系統采用315.0 MHz頻段。
　根據一般家庭用戶的需要，設計了性價比高的家居環境控制系統。系統采用了框架結構設計，將系統分成了控制器、監控器和被控終端三個部分?？刂破骱捅O控器之間通過藍牙模塊進行通信，控制器和被控終端通過射頻信號進行通信，這樣可以將控制器和監控器分離，實現無線監控。該系統具有安裝方便、操作簡單、維護方便的優點，另外還可增加TCP/IP模塊，實現基于以太網的遠程家居控制，或增加GSM/3G模塊，通過手機來控制家居環境。
參考文獻
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