论文部分内容阅读
摘 要： 智能家居是家庭自动化的高级阶段，是科技发展的必然结果。基于LH-M10实验箱的模拟智能家居控制系统的设计与开发，设计利用LH-M10实验箱的硬件设备，涵盖了信息数据采集、信息数据处理和信息数据反馈等多个方面，从原理层面实现了智能家居系统中具有代表性的模块展示，并结合智能家居的发展趋势，对此系统后续的研发拓展进行了展望。
关键词： 单片机； 智能家居； 模拟控制系统； 教学实训项目
中图分类号： TP 368，TP 39 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2016）05-0098-03
0 引 言
智能家居起源于家庭自动化（Home Automation），通过中央微处理机（Central Processor Unit，CPU）对各种电子电器产品执行信息采集、双向通信、程序控制等操作，来实现用户需求，提供便捷高质量的生活[1]，实现了网络、计算机、通信以及自动化技术的互相融合[2]。
随着科技的不断发展，以智能控制技术为基础的各种智能家居电子设备在人们的智能家居中扮演了越来越重要的作用[3-4]。本项目设计了一个基于LH-M10实验箱的模拟智能家居控制系统，通过对固有硬件的选用，模拟实现简易的智能家居控制，包括电子密码门锁、模拟智能温控空调、模拟智能洗衣机和智能开关。本系统从智能家居控制的核心原理出发，满足课程实训、科技创新、深度开发相结合的实践教学需要。
1 系统硬件构成
本系统硬件由LH-M10单片机实验箱的部分模块选用构成，包括51单片机I/O接口、键盘显示控制器8279、电子蜂鸣器、LED显示、直流电动机、步进电动机、固定脉冲、温度测量、继电器控制。
如图1所示，系统输入由8279芯片连接的4×4键盘矩阵获取按键输入，由1MHz固定脉冲作为7段SEG数码管显示的频率刷新源，由DS18B20温度传感器监测获取室温。系统输出由8279芯片连接的8位数码管作为显示输出，电子蜂鸣器作为报警提示输出，LED红绿灯显示作为指示灯，直流电动机与步进电动机作为实物输出，继电器作为开关控制输出。输入与输出模块通过51单片机I/O接口与51单片机芯片进行连接，使用Keil C51软件在电脑上进行软件编程，实现系统功能。
2 系统功能设计
本模拟智能家居系统以智能家居最基础的模块构成，包括出入身份检验的电子密码门锁，室内温度自动调节的模拟智能温控空调，完成基本家务功能的模拟智能洗衣机，对各种家电进行定时控制的智能开关。而这些模块之间则依据智能家居管理模式，存在着主控、并行等多种运行模式，如图2所示。
3 功能模块及程序设计
本模拟智能家居系统由电子密码门锁、模拟智能温控空调、模拟智能洗衣机、智能开关四大模块组成，如图3所示。每个模块都可以独自成为一个教学实训项目，可以根据每个模块所涉及到的知识点的难易程度进行先后顺序调整开展项目实训。从图上可以看出，四个模块共用7段SEG数码管显示模块、8279键盘显示控制器模块和固定脉冲模块，因此在项目开展过程中，可以使用统一的初始化函数、底层显示函数以及按键获取函数。
如图2所示，本系统并不单纯的只是四个模块共用硬件，各自独立工作，而是在各自独立的基础上，有着相互的控制关系。因此，在程序的编写过程中，分别将四个模块写成独立的函数并使用返回值来标识模块程序是否执行成功，依次为电子密码门锁控制code_case函数、智能温控空调condition函数、智能洗衣机washing函数和智能开关relay函数，控制流程图如图4所示。
系统启动时，首先运行电子密码门锁程序模块，模拟实现智能家居密码开门过程，若密码输入不正确，则不进入下面流程，直至输入密码正确，电子密码门锁函数返回值为1。当密码正确时，密码门锁打开，系统查询是否需要设置定时设备，如果需要设定，则进入智能开关程序模块，当设定的定时时间未到时，智能开关函数返回值为0，直至设定时间达到，智能开关函数返回值1，智能开关直接控制智能空调开启，同时直接启动智能洗衣机。倘若密码门锁打开后，未发现系统有设置定时，则直接启动智能空调，而智能洗衣机则可以通过启动按钮手动进行启动。
3.1 电子密码门锁
电子密码门锁采用8位密码控制，初始密码由程序设置，电子门锁默认状态为无显示。所有输入由4×4键盘矩阵实现，键盘矩阵按键包括，数字0～9、密码设置功能键Set、取消键Cancel、重置键Reset、删除键Delete、确认键Confirm和预留键Keepon。当从键盘输入数字与初始密码完全匹配时，蜂鸣器响一声，显示“On”，控制LED灯亮，模拟开门；若密码输入错误，则蜂鸣器长响，显示“Err”，需按下Cancel键，方能取消。
初始密码可以通过按下Set键进行修改，第一次输入原始密码，若密码核对正确，则进入重设密码环节，输入新设置的8位密码后，按下Set表示确认并退出密码重置环节。
本模块程序设计包括8279初始化函数init8279和显示函数disp8279，按键获取函数getkey，初始化密码矩阵函数init_code，密码核对函数code_check，数码管显示函数show_display。由两种模式状态组成，分别是Normal和Set，用flag标识符标识密码正确与错误状态，用codein_counter对当前的输入数位进行记录。
3.2 模拟智能温控空调 模拟智能温控空调使用DS18B20温度测量元件进行温度监控，通过7段SEG数码管显示当前温度值。当温度超过26 ℃时，点亮绿色LED灯，并启动直流电机模拟空调制冷；当温度低于18 ℃时，点亮黄色LED灯，并启动直流电机模拟空调制热。
本模块程序设计包括DS18B20读取函数RD_1821和设置函数WR_1820，获取温度函数GET_T，将获取的temp_v数组转换成16进制数值的函数T_COV。
3.3 模拟智能洗衣机
智能模拟洗衣机使用按钮控制洗衣机启动，用7段SEG数码管的第一位显示洗衣机的不同状态阶段，包括初始设置阶段（S）、洗涤阶段（P）、甩干阶段（d）；用7段SEG数码管的最后一位显示时长设置。当按下启动按钮，程序进入初始设置阶段，可以通过4×4键盘矩阵输入洗涤时间，按Set键保存设置并进入甩干时间设置，在键盘输入时间设置后，按确认键进入自动洗涤甩干阶段。程序控制步进电动机低速正反转模拟洗涤过程，步进电动机高速正转模拟甩干过程。当甩干阶段结束后，程序控制电子蜂鸣器输出一段音乐，通知洗衣过程结束。
本模块程序设计包括步进电动机控制函数motor，定时中断函数timer，洗涤过程函数washing，甩干过程函数dry，显示函数show_disp，按键获取函数getkey。由Set和Running两种模式状态组成，采用wash_time、dry_time分别设置洗涤时间和甩干时间。
3.4 智能开关
智能开关由4×4键盘矩阵输入时间进行定时控制，当计时完成，则控制继电器的常开开关关闭，常闭开关打开，进而控制继电器所连接的LED灯显示红灯灭，绿灯亮模拟所控电器的通电过程。
本模块程序设计包括继电器控制函数relay，定时中断函数timer，按键获取函数getkey。通过Set_time记录设置的定时时间，以秒为单位，开始倒计时，用flag标识符标识是否完成倒计时。
4 结束语
本文设计的基于LH-M10实验箱的模拟智能家居控制系统通过四个基础模块从原理层面实现了对当今逐步普及的智能家居系统的模拟，在教学实训项目的设计中，具有一定的先进性、典型性和全面性。当然，本系统还不够完善，随着智能家居体系的不断发展，网络通讯[5]、无线控制[6]与语音遥控[7]将成为后期发展的重要方向。根据其发展方向，本系统后续可进行远程无线控制、智能语音遥控开关等模块的功能设计与开发。
参考文献：
[1] 潘杰. 基于单片机控制的智能家居系统设计[J]. 通讯世界，2016（2）：125.
[2] 李丽. 基于STM32的小型智能家居系统设计[J]. 中国新技术新产品，2016（4）：10-11.
[3] 郑晓彦，李润哲.基于单片机的智能家居控制系统的设计[J]. 技术与应用，2016（1）：141.
[4] 杨锦山. 基于ARM的智能家居控制系统的设计[J]. 电子技术与软件工程，2016（1）：79.
[5] 王誉瑭，刘超. 物联网云平台在智能家居上的应用研究[J]. 中国新技术新产品，2016（4）：22.
[6] 邓桢文，程洪亮，蔡艺韵，等. 基于物联网技术的智能家居系统设计[J]. 福建电脑，2016（2）：21-22.
[7] 胡哲源，王佳，李博，等. 智能家居电话控制系统的设计[J]. 技术与市场，2016（23）：203-204.
Abstract： Smart homewhich is the advanced stage of Home Automation， is the inevitable result of the development of science and technology. The design and development of this system which named simulate control system of smart home based on LH-M10 experiment box， is using LH-M10 experiment box hardware， and is the demo implement of the typical modules in smart home system. Also this system coversinformation data collection， procession， and feedback. After considering the trend of smart home， the further researching plan has been prospected.
Keywords： single-chip microcomputer； smart home； simulate control system； experimental project of teaching
（责任编辑：徐兴华）
关键词： 单片机； 智能家居； 模拟控制系统； 教学实训项目
中图分类号： TP 368，TP 39 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2016）05-0098-03
0 引 言
智能家居起源于家庭自动化（Home Automation），通过中央微处理机（Central Processor Unit，CPU）对各种电子电器产品执行信息采集、双向通信、程序控制等操作，来实现用户需求，提供便捷高质量的生活[1]，实现了网络、计算机、通信以及自动化技术的互相融合[2]。
随着科技的不断发展，以智能控制技术为基础的各种智能家居电子设备在人们的智能家居中扮演了越来越重要的作用[3-4]。本项目设计了一个基于LH-M10实验箱的模拟智能家居控制系统，通过对固有硬件的选用，模拟实现简易的智能家居控制，包括电子密码门锁、模拟智能温控空调、模拟智能洗衣机和智能开关。本系统从智能家居控制的核心原理出发，满足课程实训、科技创新、深度开发相结合的实践教学需要。
1 系统硬件构成
本系统硬件由LH-M10单片机实验箱的部分模块选用构成，包括51单片机I/O接口、键盘显示控制器8279、电子蜂鸣器、LED显示、直流电动机、步进电动机、固定脉冲、温度测量、继电器控制。
如图1所示，系统输入由8279芯片连接的4×4键盘矩阵获取按键输入，由1MHz固定脉冲作为7段SEG数码管显示的频率刷新源，由DS18B20温度传感器监测获取室温。系统输出由8279芯片连接的8位数码管作为显示输出，电子蜂鸣器作为报警提示输出，LED红绿灯显示作为指示灯，直流电动机与步进电动机作为实物输出，继电器作为开关控制输出。输入与输出模块通过51单片机I/O接口与51单片机芯片进行连接，使用Keil C51软件在电脑上进行软件编程，实现系统功能。
2 系统功能设计
本模拟智能家居系统以智能家居最基础的模块构成，包括出入身份检验的电子密码门锁，室内温度自动调节的模拟智能温控空调，完成基本家务功能的模拟智能洗衣机，对各种家电进行定时控制的智能开关。而这些模块之间则依据智能家居管理模式，存在着主控、并行等多种运行模式，如图2所示。
3 功能模块及程序设计
本模拟智能家居系统由电子密码门锁、模拟智能温控空调、模拟智能洗衣机、智能开关四大模块组成，如图3所示。每个模块都可以独自成为一个教学实训项目，可以根据每个模块所涉及到的知识点的难易程度进行先后顺序调整开展项目实训。从图上可以看出，四个模块共用7段SEG数码管显示模块、8279键盘显示控制器模块和固定脉冲模块，因此在项目开展过程中，可以使用统一的初始化函数、底层显示函数以及按键获取函数。
如图2所示，本系统并不单纯的只是四个模块共用硬件，各自独立工作，而是在各自独立的基础上，有着相互的控制关系。因此，在程序的编写过程中，分别将四个模块写成独立的函数并使用返回值来标识模块程序是否执行成功，依次为电子密码门锁控制code_case函数、智能温控空调condition函数、智能洗衣机washing函数和智能开关relay函数，控制流程图如图4所示。
系统启动时，首先运行电子密码门锁程序模块，模拟实现智能家居密码开门过程，若密码输入不正确，则不进入下面流程，直至输入密码正确，电子密码门锁函数返回值为1。当密码正确时，密码门锁打开，系统查询是否需要设置定时设备，如果需要设定，则进入智能开关程序模块，当设定的定时时间未到时，智能开关函数返回值为0，直至设定时间达到，智能开关函数返回值1，智能开关直接控制智能空调开启，同时直接启动智能洗衣机。倘若密码门锁打开后，未发现系统有设置定时，则直接启动智能空调，而智能洗衣机则可以通过启动按钮手动进行启动。
3.1 电子密码门锁
电子密码门锁采用8位密码控制，初始密码由程序设置，电子门锁默认状态为无显示。所有输入由4×4键盘矩阵实现，键盘矩阵按键包括，数字0～9、密码设置功能键Set、取消键Cancel、重置键Reset、删除键Delete、确认键Confirm和预留键Keepon。当从键盘输入数字与初始密码完全匹配时，蜂鸣器响一声，显示“On”，控制LED灯亮，模拟开门；若密码输入错误，则蜂鸣器长响，显示“Err”，需按下Cancel键，方能取消。
初始密码可以通过按下Set键进行修改，第一次输入原始密码，若密码核对正确，则进入重设密码环节，输入新设置的8位密码后，按下Set表示确认并退出密码重置环节。
本模块程序设计包括8279初始化函数init8279和显示函数disp8279，按键获取函数getkey，初始化密码矩阵函数init_code，密码核对函数code_check，数码管显示函数show_display。由两种模式状态组成，分别是Normal和Set，用flag标识符标识密码正确与错误状态，用codein_counter对当前的输入数位进行记录。
3.2 模拟智能温控空调 模拟智能温控空调使用DS18B20温度测量元件进行温度监控，通过7段SEG数码管显示当前温度值。当温度超过26 ℃时，点亮绿色LED灯，并启动直流电机模拟空调制冷；当温度低于18 ℃时，点亮黄色LED灯，并启动直流电机模拟空调制热。
本模块程序设计包括DS18B20读取函数RD_1821和设置函数WR_1820，获取温度函数GET_T，将获取的temp_v数组转换成16进制数值的函数T_COV。
3.3 模拟智能洗衣机
智能模拟洗衣机使用按钮控制洗衣机启动，用7段SEG数码管的第一位显示洗衣机的不同状态阶段，包括初始设置阶段（S）、洗涤阶段（P）、甩干阶段（d）；用7段SEG数码管的最后一位显示时长设置。当按下启动按钮，程序进入初始设置阶段，可以通过4×4键盘矩阵输入洗涤时间，按Set键保存设置并进入甩干时间设置，在键盘输入时间设置后，按确认键进入自动洗涤甩干阶段。程序控制步进电动机低速正反转模拟洗涤过程，步进电动机高速正转模拟甩干过程。当甩干阶段结束后，程序控制电子蜂鸣器输出一段音乐，通知洗衣过程结束。
本模块程序设计包括步进电动机控制函数motor，定时中断函数timer，洗涤过程函数washing，甩干过程函数dry，显示函数show_disp，按键获取函数getkey。由Set和Running两种模式状态组成，采用wash_time、dry_time分别设置洗涤时间和甩干时间。
3.4 智能开关
智能开关由4×4键盘矩阵输入时间进行定时控制，当计时完成，则控制继电器的常开开关关闭，常闭开关打开，进而控制继电器所连接的LED灯显示红灯灭，绿灯亮模拟所控电器的通电过程。
本模块程序设计包括继电器控制函数relay，定时中断函数timer，按键获取函数getkey。通过Set_time记录设置的定时时间，以秒为单位，开始倒计时，用flag标识符标识是否完成倒计时。
4 结束语
本文设计的基于LH-M10实验箱的模拟智能家居控制系统通过四个基础模块从原理层面实现了对当今逐步普及的智能家居系统的模拟，在教学实训项目的设计中，具有一定的先进性、典型性和全面性。当然，本系统还不够完善，随着智能家居体系的不断发展，网络通讯[5]、无线控制[6]与语音遥控[7]将成为后期发展的重要方向。根据其发展方向，本系统后续可进行远程无线控制、智能语音遥控开关等模块的功能设计与开发。
参考文献：
[1] 潘杰. 基于单片机控制的智能家居系统设计[J]. 通讯世界，2016（2）：125.
[2] 李丽. 基于STM32的小型智能家居系统设计[J]. 中国新技术新产品，2016（4）：10-11.
[3] 郑晓彦，李润哲.基于单片机的智能家居控制系统的设计[J]. 技术与应用，2016（1）：141.
[4] 杨锦山. 基于ARM的智能家居控制系统的设计[J]. 电子技术与软件工程，2016（1）：79.
[5] 王誉瑭，刘超. 物联网云平台在智能家居上的应用研究[J]. 中国新技术新产品，2016（4）：22.
[6] 邓桢文，程洪亮，蔡艺韵，等. 基于物联网技术的智能家居系统设计[J]. 福建电脑，2016（2）：21-22.
[7] 胡哲源，王佳，李博，等. 智能家居电话控制系统的设计[J]. 技术与市场，2016（23）：203-204.
Abstract： Smart homewhich is the advanced stage of Home Automation， is the inevitable result of the development of science and technology. The design and development of this system which named simulate control system of smart home based on LH-M10 experiment box， is using LH-M10 experiment box hardware， and is the demo implement of the typical modules in smart home system. Also this system coversinformation data collection， procession， and feedback. After considering the trend of smart home， the further researching plan has been prospected.
Keywords： single-chip microcomputer； smart home； simulate control system； experimental project of teaching
（责任编辑：徐兴华）