一種基于微控制器的智能家居電能控制系統(tǒng)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該電能控制系統(tǒng)由遙控器和插座節(jié)點(diǎn)組成，其工作原理如圖1所示。當(dāng)用戶在家時(shí)，通過(guò)遙控器以射頻方式對(duì)插座進(jìn)行控制。插座節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后，由微控制器進(jìn)行解碼，并根據(jù)得出的結(jié)果，對(duì)特定編號(hào)的插座做通斷電處理，從而使與其連接的用電器被啟動(dòng)或者關(guān)閉。當(dāng)用戶離住所較遠(yuǎn)時(shí)，可通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)向遙控器發(fā)送手機(jī)短信 ，微控制器讀取信息后，通過(guò)射頻芯片，將信息傳遞到室內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而使相應(yīng)地址上的插座受到控制。由此可見，遙控器在整個(gè)智能家居系統(tǒng)中屬于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) ，一方面，它與插座節(jié)點(diǎn)組成了室內(nèi)射頻局域網(wǎng)，另一方面，它又與GSM網(wǎng)絡(luò)相連，延展了遙控距離。遙控器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括溫濕度檢測(cè)電路、時(shí)鐘模塊、nRF905射頻收發(fā)模塊、GSM模塊等功能電路，這些模塊均與控制核心LM3S811相連。該微控制器采用ARM Coaex-M3架構(gòu)，由于依托高密度的Thumb-2指令集，內(nèi)存開銷大大降低，操作系統(tǒng)的移植也更加方便。

圖1 遙控插座工作原理

圖2 遙控器結(jié)構(gòu)框圖

插座節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)與遙控器的射頻通信以及繼電器的通斷控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。插座中的煙霧傳感器用于預(yù)防火災(zāi)危險(xiǎn)。一旦檢測(cè)到煙霧或可燃性氣體，插座上對(duì)應(yīng)的繼電器將斷開，并通過(guò)射頻收發(fā)模塊向遙控器匯報(bào)，遙控器收到信息后，再通過(guò)GSM模塊的短信功能及時(shí)提醒用戶采取相應(yīng)的措施，防止危險(xiǎn)的發(fā)生或財(cái)產(chǎn)損失的進(jìn)一步擴(kuò)大。由于插座端工作量較少，從成本和性能兩方面考慮，本系統(tǒng)采用STC12C5620AD微控制器作為插座端的主控芯片。

圖3 插座節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度檢測(cè)電路

本系統(tǒng)采用溫度傳感器LM35和濕度測(cè)量模塊CHM-02進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。LM35的電壓輸出與攝氏溫度呈線性關(guān)系，無(wú)需校準(zhǔn)就可在常溫環(huán)境下達(dá)±l/4℃的測(cè)量精度。CHM-02模塊可在0~70 ℃的溫度下對(duì)20~95%RH范圍內(nèi)的濕度進(jìn)行檢測(cè)，室溫下的測(cè)量精度為5%RH。溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖如圖4所示。由于兩種傳感器輸出的模擬信號(hào)在MCU片內(nèi)A/D采樣電路的檢測(cè)范圍內(nèi)，所以直接將兩者的輸出端與MCU的兩個(gè)ADC引腳連接。模擬式傳感器的使用不但充分利用了控制器的片上資源，而且提高了子程序的利用率。

圖4 溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖

2.2 煙霧檢測(cè)電路

煙霧傳感器MQ一2基于SnO：的電化學(xué)特性，對(duì)可燃性氣體及煙塵有良好的檢測(cè)靈敏度。煙霧檢測(cè)電路原理圖如圖5所示。MQ.2在正常工作前需要對(duì)內(nèi)部加熱絲的H.h兩極通電預(yù)熱 ，為了防止加熱電流過(guò)大而導(dǎo)致內(nèi)部信號(hào)線溫度過(guò)高，此處將加熱絲與100 Q電阻串聯(lián)。當(dāng)環(huán)境中的煙霧或可燃?xì)怏w超過(guò)警戒閾值時(shí)，傳感器A.B兩極間的電導(dǎo)率迅速增加，與其串聯(lián)的負(fù)載電阻m所獲得的電壓也相應(yīng)增加，該電壓信號(hào)經(jīng)低功耗運(yùn)放TLC27M2放大后，得到與煙霧或可燃?xì)鉂舛认鄬?duì)應(yīng)的模擬量輸出，最終接人控制器的ADC模塊進(jìn)行量化。