單片機及其接口技術在智能家居中的應用

周麗華 李紹海 關鍵

摘要：本文結合單片機及其接口技術，論述單片機及其接口的特點，給出了其在智能家居中的應用，并對智能家居系統的功能模塊各個組成部分進行了描述，最后給出了在智能家居設計和工程實踐過程中應注意的一些問題，對智能家居的設計和工程實踐有一定的參考價值。

關鍵詞：智能家居；單片機；接口技術

隨著人們生活水平的提高，在家居生活中，智能設備的應用越來越廣。智能家居的目的是讓家庭生活更加舒適、安全和便捷；其通過網絡信息等技術手段實現家用電器智能控制、緊急呼叫服務、安全門戶等功能，使其按照人們的設定或者意愿工作，而與人和家庭住所之間的距離的遠近無關。智能化和遠程控制是智能家居的兩大顯著特點。隨著網絡技術的發展，特別是無限網絡技術的發展，結合小型化單片機及其接口技術，對于實現遠程遙控家用電器的功能；實現家庭人員在緊急情況下，如突然的身體不適，可向其他家庭成員和預設的醫療機構發出呼救請求的功能；實現入戶門密碼鎖和指紋鎖的功能，實現防盜報警功能等等，都變得非常容易和便捷。本文從總體介紹了單片機及其接口技術在智能家居中的應用，給出了一些遠程控制和本地控制相結合，實現智能家居的一種思路和方法，并提出了在實現過程中應注意的問題。

1.單片機及其接口技術介紹

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用，系統結構簡單，使用方便，實現模塊化，單片機可靠性高，可工作到106 ～107小時無故障[1]。單片機實際上是一個硬件系統，若要其發揮其功能，還需要有相應的軟件運行在其上。軟件的編寫采用匯編語言或者C語言，目前一般都采用C語言，因為C語言的可讀性和可移植性都比匯編語言強。

單片機的接口（Interface）是指具有特殊功能硬件電路，其功能為把其獲得的信息轉換成單片機可讀的數據。一般來講，有輸入接口，也有輸出接口；有模擬輸入輸出接口，也有數字輸入輸出接口等等。這些接口根據系統的設計需求來使用。

2.智能家居功能模塊的組成

智能家居（Smart Home），是融合了智能控制系統、計算機網絡系統和通訊技術于一體的具有網絡化、人性化、智能化等特點的家居控制系統，是以家居住宅為平臺，兼備建筑、信息家電、設備自動化，集系統、結構、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境[2]。智能家居控制系統的組成見圖1。圖1可見，用戶通過人機交互通道和單片機智能家居控制模塊進行交互，可以是查詢控制對象的狀態，也可以設置控制對象的運行模式。

單片機智能家居控制模塊得到用戶的指令（查詢、設置）后，通過自身的輸入輸出接口，獲得相應的傳感器數據和控制對象工作狀態數據，然后根據用戶的指令，完成相應的操作。在特殊情況下，家庭成員在家居中出現緊急情況，如突然的身體不適，通過按下相關的緊急按鈕，單片機智能家居控制模塊捕捉到這個信息后，可自動向其他家庭成員和預設的醫療機構發出呼救請求的功能，使家庭成員及時得到幫助；另外，居家室內在系統開啟防盜模式后，單片機智能家居控制模塊可以自動監測非法入侵信號，一旦捕捉到這個信號后，可以向110警方報警，并通知家庭成員，并在居室內采用聲光報警，震懾非法入侵，起到防盜的作用。

2.1 人機交互通道

人機交互通道在智能家居控制系統中起到用戶和單片機智能家居控制模塊的數據交互的作用。這個通道可以采用語音、紅外通訊[3]、zigbee、藍牙、WiFi、有線網絡、射頻、指紋、數字密碼、按鍵等形式，目的是將用戶的要求，通過這個通道，轉換成單片機智能家居控制模塊能夠理解的指令形式，進而實現智能控制。

緊急按鈕是個在非正常狀態下使用的一個交互，這個按鈕是在家庭成員緊急時使用的，是在居室內部，比如老人睡床旁，客廳沙發邊等，這個交互相對簡單，是一個觸發信號，一旦信號觸發，單片機智能家居控制模塊就會得到這個信號，并且這個信號的優先級較高，單片機智能家居控制模塊就會通過系統預設的家庭成員電話號碼和預設醫療機構的號碼，進行電話呼出（預制的語音內容），同時短信發出相關信息，達到緊急求援的目的，這個功能的實現可以借助于GSM通訊模塊來實現。

密碼鍵盤和指紋一般是指家庭的入室門的控制。隨著人們生活水平的提高，很多家庭將入室門傳統的機械鎖更換成密碼鎖或者指紋鎖，這就為智能家居的控制提供了新的管理對象。一旦密碼鎖或者指紋鎖的開鎖次數達到一定的次數后，單片機智能家居控制模塊得到這個信息后，通過GSM通訊通知家庭成員，讓家庭成員處理，可以選擇報警或者不報警。

紅外通訊、Zigbee、藍牙、WiFi、有線網絡、射頻等均是一個數據通道，用戶可以對居家內的控制對象進行控制。根據不同的數據通道，紅外通訊、Zigbee、藍牙通訊技術一般距離較短，紅外通訊，在數據傳輸的過程中容易受到障礙物的影響，藍牙技術一般傳輸距離在10m-15m，而zigbee技術一般需要中繼才能傳得更遠，這三種人機交互通道，一般是在室內使用，像目前應用較為廣泛的電視機遙控器、空調遙控器，都是采用紅外通訊的；而藍牙音響等都是藍牙技術控制的。WiFi、有線網絡、射頻是數據可以進行較遠距離傳輸的方式，WiFi和有線網絡我們比較熟悉，而且在國內的應用較為廣泛，手機、電腦都可以在其上鏈接，網絡上應用數以萬計，無論你在地球上什么地方，只要有網絡，就可以找到你的居家，可以控制你想要控制的對象。射頻技術（RF）是Radio Frequency的縮寫。較常見的應用有無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），常稱為感應式電子晶片或近接卡、感應卡、非接觸卡、電子標簽、電子條碼等[4]。目前應用較廣的是射頻卡，在家庭應用中主要在門禁上使用。

2.2 系統核心

系統核心部分由單片機智能家居控制模塊、溫度、濕度、煙霧、防盜等傳感單元，電話呼叫系統（預制的電話號碼和醫療機構、110）等組成。單片機智能家居控制模塊是由單片機及其接口組成，并且在其中內置了應用程序。單片機在軟件的控制下，可以實現判斷、比較、執行某項動作（開關機）、獲取某個傳感器信號等。整個智能家居系統控制，由單片機智能家居控制模塊來完成。溫度、濕度、煙霧、防盜[5]等是一系列傳感器，指示家居的環境狀態和安全狀態，其測量的信息被單片機智能家居控制系統獲取，使單片機智能家居控制系統對家居的環境狀態有一個較為全面的了解。隨著科技額進步，這些傳感器還會增加，比如，現在的PM2.5，PM10傳感器，根據這個測量信號，可以控制室內的凈化設備啟動和停止，使家庭更加宜家。

2.3 智能家居控制對象

智能家居控制對象是單片機智能家居控制系統經過分析判斷或者經過指令控制，通過輸出部分控制的對象。這部分對象包括家電，像空調、冰箱、照明、門禁、供暖等，也包括由電機和軸承等部件組成的自動窗簾。這部分控制有開關控制和運動控制，需要采用不同的接口和控制方式。

3實現智能家居過程中應該注意的一些問題

智能家居控制使我們的生活更加舒適、更加便捷。由于在實際應用過程使用了單片機及其接口技術，所以在設計和工程實踐中要注意一些問題。

3.1 供電系統的冗余和供電狀態的監測

居家的供電一般為220V，50Hz的交流供電，但在異常的情況下，可能會停電檢修，但智能家居系統是一個不間斷工作系統，這就需要采用供電冗余來解決這個問題，一般單片機系統都采用直流5V供電，一般采用直流UPS的方式提供給系統供電，一旦220V交流供電消失，直流供電在微秒級時間內開始供電，使智能家居系統保持正常的工作狀態。

在智能家居系統的運行工程，應當考慮對電池的電量進行監測，即時掌握電池電量，并對電池供電的時間（根據電池電量和系統功耗換算）進行估算，即時報告用戶電池電量的情況，提示用戶做進一步處理。

3.2 單片機軟件運行可靠性設計

單片機軟件在運行的過程中可能會受到來自供電，輸入輸出信號的干擾，導致程序“跑飛”，而使整個系統不能按照軟件設定的過程和步驟工作，這是需要結合WatchDog技術，軟硬件結合，技術發現軟件“跑飛”情況，通過硬件系統復位，實現軟件重新回到正常的過程中來。這個過程中，要將智能家居系統運行的狀態保護好，軟件重新回到正常過程中，將恢復智能家居系統運行的狀態。

3.3輸出控制部分電磁干擾的消除

智能家居系統的輸出部分控制，一般是家用電器的啟停。家用電器中由于負載的類型不同，如感性負載居多，導致在電器啟停過程會產生電磁干擾，可能會對其它電器設備或者單片機系統產生干擾。設計時是考慮抗干擾措施，比如采用吸收電路、隔離電路等降低干擾的影響，單片機供電上采用TVS器件，減少脈沖群和其它干擾的影響。

3.4 人機交互安全性設計

由于現代智能家居系統與網絡結合較為緊密，這就產生了一個人機交互安全問題。在智能家居系統應用中，應考慮采用加密算法用戶認證，并且采用硬件減少或者避免網絡攻擊對智能家居系統的影響。

4 結語

隨著人民生活水平的提高，對智能家居的需求會越來越多，智能家居為人們提供便利，舒適的生活。單片機及其接口技術以其可靠性、成熟性，在智能家居中應用會更廣泛。本文論述的單片機及其接口技術在智能家居中的應用，并對智能家居系統的功能模塊各個組成部分進行了描述，最后給出了在智能家居設計和工程實踐過程中應注意的一些問題，對智能家居的設計和工程實踐有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]https：//baike.so.com/doc/30473-31769.html

[2]趙健百.智能家居系統設計[J].電子世界，2018（03）：174-175

[3]王素芹，程連生. 基于單片機的智能家居系統的研究[J]. 中國戰略新興產業，2018（16）：156

[4]https：//baike.so.com/doc/5540626-5756291.html

[5]單興巧. 基于單片機的智能家居控制系統—傳感器信號采集、GSM模塊和紅外學習遙控設計與分析[J]. 好家長，2018（15）：236