李兆亮，張靖宇，李立剛

（1.中國石油大學（華東）理學院，山東 青島 266580；2.中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，山東 青島 266580）

智能家居的概念起源于上世紀八十年代[1]，近十年來，隨著嵌入式技術、網(wǎng)絡通信技術的快速進步和人們物質(zhì)生活水平、家用智能化需求的不斷提高[1-2]，進一步融合物聯(lián)網(wǎng)、自動控制、數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術，實現(xiàn)對家用設備智能化的分布式控制成為智能家居系統(tǒng)重要的研究和發(fā)展方向[3-7]。

智能家居產(chǎn)業(yè)的快速興起促使各大企業(yè)研發(fā)自己的智能家居開發(fā)平臺，如蘋果的HomeKit平臺，華為的Hilink平臺等。目前，智能家居產(chǎn)業(yè)尚未形成明確的行業(yè)技術標準，智能設備的社會普及度不高[5-6]。但隨著智能家居市場規(guī)模的迅速增長，新式產(chǎn)品的不斷推出[8]，居民生活的智能化是趨勢所在。

傳統(tǒng)家電的使用壽命長、體量大、技術成熟等特點使其難以在短時間內(nèi)被淘汰，并且難以與已有的智能設備組網(wǎng)。在智能家居的全民推廣過程中，家居的智能化改造將進入大量傳統(tǒng)電器與新式智能設備共存的過渡階段。建立一種能同時面向傳統(tǒng)電器和智能新設備的智能家居控制系統(tǒng)顯得十分必要。

1 系統(tǒng)設計

1.1 智能家居構架

為了充分利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)電器，結合新式智能家電，有效地提升居民居家生活的智能化水平，文中提出了面向智能家居推廣過渡階段的三層系統(tǒng)控制方案，如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)主體架構

1）指令層

在該層內(nèi)用戶可以通過APP或語音發(fā)送控制指令，控制各設備的運行或獲取各智能終端的工作情況。

2）中間控制層

該層是用戶指令和家用電器間連接的橋梁。以MSP430單片機為主控制器的控制模塊對安裝位置相對集中的傳統(tǒng)電器通過合理的布線電路實現(xiàn)集中控制；對室內(nèi)已安裝的智能終端通過APP尋址訪問，發(fā)送指令實現(xiàn)分布式控制；引入智能音箱，在其工作范圍內(nèi)，對支持語音控制的智能終端實現(xiàn)分布式控制。

3）執(zhí)行層

該層包括家庭中所有可參與智能化改造的電器設備。智能設備可通過藍牙通訊直接控制；智能插座實現(xiàn)大功率傳統(tǒng)電器的組網(wǎng)控制；改進部分傳統(tǒng)電器的控制電路，采集室內(nèi)環(huán)境信息，實現(xiàn)設備的組網(wǎng)控制與功能擴展。

1.2 通訊方式

智能家居的改造與應用場景中所需傳感器多，設備分散，電器功耗差異大，同時要求系統(tǒng)具有良好的交互性能。當前主流的無線通訊技術，如：Bluetooth、WIFI、ZigBee等[9]都存在一定的不足，其特點對比如表1[10]所示。

表1 主流無線通信技術部分特點對比

新一代 Bluetooth Low Energy（BLE）+Mesh技術具有超低功耗，支持多節(jié)點組網(wǎng)，同時繼承了傳統(tǒng)藍牙安全性高[11-12]，傳輸速度較快，與手機端交互性好的優(yōu)點。當前應用的智能插座等新式智能設備多采用藍牙通訊。因此，文中智能家居控制系統(tǒng)采用BLE進行通訊，通過圖1中的三層系統(tǒng)結構實現(xiàn)對家用設備的分布式控制，為傳統(tǒng)電器與智能設備大量并存的場景提供一種智能家居改造升級的解決方案。

2 硬件結構與電路

2.1 系統(tǒng)主體電路

傳統(tǒng)家電的智能化改造將成為智能家居推廣過渡階段中的一項重要內(nèi)容。對于風扇、窗簾、照明燈等廣泛應用的家用設備，圖1中的分布式控制方式1對其增加藍牙遙控、自動運行、多方式控制等新功能，實現(xiàn)傳統(tǒng)電器的智能化升級，提升廣大用戶居住的智能感；對于圖1分布式控制系統(tǒng)架構中的控制方式2和3，用戶利用現(xiàn)有技術成熟的智能設備，如智能音箱、智能插座等終端在短時間內(nèi)即可實現(xiàn)家用設備的組網(wǎng)與智能化改造。

針對控制方式1，利用電子器件模擬常用家電，搭建智能家居模型，提出并實現(xiàn)風扇溫控、電動窗簾光感運行新模式；解決遙控指令與機械開關之間的沖突問題，實現(xiàn)照明燈的雙控功能；集成煙感報警、室內(nèi)溫濕度參數(shù)檢測等功能，對傳統(tǒng)家居進行智能化改造。主電路如圖2所示，各元件以模塊的形式畫出，模塊方框下標為所用元件的名稱或型號。

圖2 分布式控制方式1主體電路

2.2 光感窗簾

現(xiàn)有的電動窗簾產(chǎn)品，無線控制方式不同但功能相似，多數(shù)只是遙控簾布的開閉，沒有實現(xiàn)真正意義上的光感運行。設計的電動窗簾新結構如圖3所示。光感窗簾的結構：1.窗簾；2.窗簾軌道滑輪；3.光線傳感器固定腔；4.伸縮臂；5～6.左右紅外傳感器及其固定裝置；7.主動輪與電機；8.窗簾可移動端及其固定件；9.從動輪；10.固定外殼；11.控制箱。光線傳感器固定腔可旋轉(zhuǎn)伸縮，使光線傳感器可以根據(jù)用戶需求變高變方向采集室內(nèi)的光強。

其控制框圖如圖4所示，當選取的光線傳感器具有無線通信功能時，固定腔可以拆卸放置于室內(nèi)任意位置，將檢測的光強值傳送給MCU。紅外傳感器ST018檢測窗簾可移動端的位置，防止窗簾在打開或關閉過程中，由于電機的慣性帶動簾布繼續(xù)運動而對傳動結構造成的損壞?？刂葡鋬?nèi)放置電機及驅(qū)動電路。主控板采集傳感器信息，接收控制指令，控制電機驅(qū)動電路，實現(xiàn)窗簾的開閉、斷電或光感控制。

圖3 新型光感窗簾結構

圖4 光控窗簾的系統(tǒng)結構

2.3 雙控照明燈

在大空間、多燈具、多開關的場合，增加照明燈的遙控功能將有效地提升用戶生活的便捷度?？紤]用戶每次發(fā)出的開關指令是想改變被控燈當前的工作狀態(tài)，單刀開關和遙控指令共同控制照明燈會引起邏輯混亂，因此，設計雙控燈電路如圖5所示。當MCU接收到藍牙指令或彈簧復位開關按下出現(xiàn)高電平時，MCU退出低功耗模式，控制繼電器反轉(zhuǎn)照明燈的狀態(tài)；當控制電路損壞時，通過應急開關使照明燈保持常亮或熄滅。

圖5 雙控方式下指令沖突解決電路

2.4 溫控風扇

設計的溫控風扇控制框圖如圖6所示。低功耗藍牙模塊HC-08通過UART方式與單片機連接，接收手機發(fā)送的調(diào)速指令。在常用模式下，MCU根據(jù)控制指令輸出固定占空比的PWM波，通過驅(qū)動模塊實現(xiàn)對直流風扇的調(diào)速；在溫控模式下，DS18B20溫度傳感器采集實時溫度，根據(jù)溫控策略輸出不同占空比的PWM波，實現(xiàn)溫控調(diào)速；人體紅外感應傳感器HC-SR501檢測工作范圍內(nèi)有無人存在，對應輸出1/0電平，當單片機采集到低電平、無人時，風扇停轉(zhuǎn)，達到節(jié)能的目的。

圖6 溫控風扇系統(tǒng)結構

2.5 其他功能

采用MQ-02煙霧傳感器和蜂鳴器組合實現(xiàn)室內(nèi)燃氣泄漏報警；采用光線和聲音傳感器實現(xiàn)聲光雙控照明，光強下限值可由用戶進行調(diào)節(jié)；采用DHT11溫濕傳感器、光線傳感器、煙霧傳感器，監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，通過OLED屏實時顯示這些物理參數(shù)。

3 控制方案

通過HC-COM藍牙助手APP向低功耗藍牙模塊HC-08發(fā)送控制指令，不同的ASCII碼字符代表不同設備對應的功能，MSP430f5529單片機通過UART中斷接收藍牙指令，集中控制風扇、電動窗簾等家用電器模型?？刂七^程增加風扇溫控、窗簾光感兩種新模式，解決遙控與機械開關雙控下的指令沖突問題，集成煙感報警，照明燈聲光控，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的檢測與顯示等功能。

3.1 程序流程

系統(tǒng)控制流程如圖7所示。初始化主要包含啟用外部晶振，設置ADC和UART通信模式，定義各外設的管腳、功能和主要變量；DS18B20和DHT11是程控傳感器，采集溫濕度參數(shù)需要嚴格的時序邏輯。系統(tǒng)在任何控制流程處都可以發(fā)生UART中斷。當手機發(fā)送指令時，程序進入中斷，更新當前的控制指令，設備進行功能切換；在主循環(huán)中依次完成參數(shù)采集和顯示，判斷每個設備的指令，各設備按指令在對應的功能模式下工作。圖7中窗簾和風扇都對應多個控制指令，二者都從第一個控制指令開始查詢。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

3.2 自動光感模式

傳統(tǒng)電動窗簾只能根據(jù)遙控指令打開、關閉、停轉(zhuǎn)或斷電。通過圖3中的設計結構，該文增加了光感控制模式。光線傳感器檢測室內(nèi)光強，MCU采集光強的模擬信號量，根據(jù)程序中設定的舒適光強區(qū)間上下限值，判定當前室內(nèi)的光強等級；采集左右兩個紅外傳感器輸出的高/低電平，判斷窗簾的位置，形成光感窗簾控制邏輯，如表2所示。

表2中的“左側(cè)”代表圖3中左紅外傳感器5以左的區(qū)域，表2中的“右側(cè)”代表右紅外傳感器6以右的區(qū)域，表2中的“中部”代表5和6之間的區(qū)域。窗簾的可移動端在“中部”區(qū)域時可以進行開閉調(diào)節(jié)，可移動端進入“左側(cè)”時需停止左移，進入“右側(cè)”時需停止右移，防止電機傳動結構的損壞。單片機根據(jù)表2中的邏輯關系控制主動電機的正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)窗簾的位置，使室內(nèi)的光強值保持在舒適的范圍內(nèi)。

表2 光感窗簾控制邏輯

表2中通過比較當前的采樣光強值與設定光強值，結合窗簾可移動端的位置，形成邏輯關系控制窗簾的開閉。在全天候光感調(diào)節(jié)時，室內(nèi)檢測的光強值總會停在設定的舒適光強區(qū)間上下限值附近。此時光強的ADC采樣值會在設定的光強上限或下限數(shù)值附近跳動，導致電機頻繁地啟停以調(diào)節(jié)窗簾可移動端的位置，而電動機的頻繁啟動會造成嚴重的能量損失[13]。

為實現(xiàn)光控模式的節(jié)能優(yōu)化，提出基于偏差的窗簾光控策略，如圖8所示。ΔH為舒適光強區(qū)間上限的設置偏差值，ΔL為舒適光強區(qū)間下限的設置偏差值，二者都為正數(shù)；Δ+為當前光強值超出舒適光強上限的差值，Δ-為當前光強值超出舒適光強下限的差值；窗簾可移動端進入“右側(cè)”，即認為完全關閉，進入“左側(cè)”，即認為完全打開。設舒適光強區(qū)間對應的ADC采樣值是[a，b]，當前采樣的光強值為sampling value，Δ+和Δ-的計算方法分別如式（1）、（2）所示：

圖8 基于偏差的光感窗簾節(jié)能控制流程

當檢測的光強值與舒適光強區(qū)間上限值之差大于設定上偏差ΔH時，關閉窗簾直至室內(nèi)光強為上限值；當檢測光強值與舒適光強區(qū)間下限值之差小于設定下偏差ΔL時，打開窗簾至室內(nèi)光強為下限值。一天中室內(nèi)光強檢測值變化緩慢連續(xù)，通過留出上下偏差數(shù)值的裕度，當室內(nèi)光強變化超過該裕度后，電機再帶動簾布進行下一次的開閉調(diào)節(jié)。舒適光強區(qū)間的上下限值和上下偏差設定值由用戶根據(jù)體驗設置。基于偏差的光控策略能有效改善單一比較控制導致的電機在舒適光強區(qū)間上下限值附近頻繁啟停的問題，實現(xiàn)電器節(jié)能，兼顧人體的舒適體驗。

3.3 溫控策略

常見風扇的調(diào)速方式有線性調(diào)速、擋位調(diào)速等[14]，文獻[15-16]分別使用可控硅和變頻的方法對風扇進行階梯調(diào)速改進，取得了一定的效果。傳統(tǒng)風扇的連續(xù)調(diào)速功能改造對硬件要求更高，故該系統(tǒng)直流風扇的溫控調(diào)速模式采用階梯控制。

當風扇工作在溫控模式下時，在不同的溫度范圍內(nèi)，MCU輸出不同占空比的PWM波，驅(qū)動風扇模塊，實現(xiàn)調(diào)速，增加階梯數(shù)可使風速跳躍減小，增加舒適度，其溫控策略如圖9所示。當風扇工作在常規(guī)模式下時，通過APP發(fā)送遙控指令，控制MCU輸出固定占空比的PWM波，調(diào)節(jié)風速或關閉電器。

圖9 風扇溫控策略

3.4 分布式電器節(jié)能控制

在家庭生活中，單個電器使用的傳感器等電氣元件數(shù)量少，占用控制器的資源少；而采用一塊控制器對多個位置分散的電器設備實現(xiàn)集中式布線控制存在一定的困難。針對以上兩點，大量的智能家居系統(tǒng)設計實踐指出，利用低功耗芯片，通過設計簡單的外圍印刷電路可以實現(xiàn)單顆芯片控制單個電器設備。這樣既能縮小MCU的體積，又能有效地降低成本。結合MSP430單片機出色的低功耗特性和上述節(jié)能式控制策略，可以有效地實現(xiàn)設備降耗。用戶通過APP與設備對應的藍牙建立連接，發(fā)送指令，即可實現(xiàn)對各家用設備的分布式節(jié)能控制，單個設備的低功耗工作狀態(tài)如圖10所示。

圖10 分布式電器節(jié)能工作狀態(tài)圖

4 結束語

該文針對智能家居在推廣過程中面臨的傳統(tǒng)電器和智能設備大量共存的狀況，提出了包含指令層、中間控制層和執(zhí)行層的智能家居系統(tǒng)架構，能夠?qū)崿F(xiàn)各式家用電器的分布式控制。與一般智能家居系統(tǒng)設計相比，該系統(tǒng)不僅可以使多種傳統(tǒng)電器與智能設備進行組網(wǎng)，還重新設計了常用電器的硬件結構，增加了自適應控制新模式，并做出節(jié)能優(yōu)化。模型測試結果表明，在15 m范圍內(nèi)，系統(tǒng)信號收發(fā)正常，運行順暢，對單個模塊發(fā)送控制指令測試25次，模塊正常運行次數(shù)≥24次，具有較高的穩(wěn)定性。文中面向智能家居推廣過渡階段的系統(tǒng)架構為現(xiàn)階段居民家庭智能化改造提供了一種較為可行的方案。