智能家居控制系统的设计与实现 [2009-03-18 06:41] ;;; 摘要:介绍了以PC(个人计算</A>机)、MCU(单片机AT89C52)、双音多频编解码集成电路MT8880C、语音录放芯片ISD4004和无线数据收发芯片nRF401为核心,通过现有的电话网络</A>终端或者互联网网络终端实现远程控制的智能家居系统,给出了该系统的电路原理和办硬件设计与实现方法</A>。;;; 关键词:远程控制 双音多频 网络通讯 无线通讯 家庭自动化21世纪是信息化的世纪,各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。数字化家居控制系统的出现使得人们可以通过手机或者互联网在任何时候、任意地点对家中的任意电器(空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机)进行远程控制;也可以在下班途中,预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……;而这一切的实现都仅仅是轻轻的点几下鼠标,或者打一个简单的电话。此外,该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监听、数字留言等多种功能,如果不幸出现某种险情,您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、时尚</A>的家居生活是</A>进步的标志,智能家居系统能够在不改变家中任何家电的情况下,对家里的电器、灯光、电源、家庭进行方便地控制,使人们尽享高科技</A>带来的简便而时尚的现代</A>生活。1系统的总体结构及工作过程智能家居系统由系统主机、系统分机、Internet服务器和网络接口等部分组成。其中系统主机通过服务器(个人)连入Internet,并通过自己的PSTN�公用电话交换网 接口电路连入PSTN。其结构图如图1所示。主机与分机通过无线传输组成星形拓扑结构。系统主机通过本地无线传输网络同系统分机进行通讯、传输控制命令和反馈信息。该系统正常工作时,用户可以通过screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;>Internet和PSTN两种网络进行访问,当通过Internet访问时,本系统可提供一个界面友好的终端软件,用户只需登陆到运行在家中的服务器即可对家中的设备进行远程控制;当通过PSTN访问时,本系统将为用户提供语音操作界面。其工作流程如图2所示。2系统的硬件构成本系统的硬件主要有系统主机与系统分机两大部分。系统主机由单片机AT89C52和各种接口电路组成,如图3所示。系统分机由单片机AT89C52和各种接口电路、传感器单元电路、固态继电器控制电路组成,并由固态继电器控制具体设备,具体硬件组成框图如图4所示。通过系统主机的各种接口电路可将主机CPU从繁忙的计算中解脱出来,以便把主要精力运用在控制和信息传递上。系统主机主要依照各个功能电路的输出结果进行判断和控制命令的输出。系统分机的各种接口电路和主机相似,只是根据设备的不同(传感器单元)有着细节上的变化。下面主要介绍系统主机的各种接口电路。2.1 nRF401 无线数据传输电路无线数据传输电路由Nordic公司的单片UHF无线数据收发芯片nRF401及其外围电路构成。nRF401采用FSK调制解调技术,其工作效率可达20kbit/s,且有两个频率通道供选择,并且支持低功耗和待机模式。它不用对数据进行曼彻斯特编码,其天线接口设计为差分天线,因而很容易用PCB来实现。screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;>;;; 2.2 看门狗电路看门狗电路由MAX813L及其外围元件组成。通常,在单片机的工作现场,可能有各种干扰源。这些干扰源可能导致程序跑飞、造成死机或者程序不能正常运行。如果不及时恢复或使系统复位,就容易造成损失。看门狗电路的作用就是在程序跑飞或者死机时,能有效地使系统复位以使系统恢复正常运转。因此,在程序中定期给P1.5送入看门狗信号,就可以保证在程序运行异常时,由MAX813L使单片机复位。2.3 DS1307时钟接口电路DS1307时钟芯片是美国DALLAS公司生产的I2C总线接口实时时钟芯片。DS1307可以独立于CPU工作,它不受晶振和电容等的影响</A>,并且计时准确,月积累误差一般小于10秒。此芯片还具有掉电时钟保护功能,可自动切换到后备电源供电。同时还具有闰年自动调整功能,可以产生秒、分、时、日、月、年等数据,并将其保存在具有掉电保护功能的时间寄存器内,以便CPU根据需要对其进行读出或写入。由于单片机AT89C52没有I2C总线接口,因此,要驱动DS1307,就必须采用单主机方式下的I2C总线虚拟技术。在此方式下,以单片机为主节点(主器件),主器件永远占有总线而不出现总线竞争,且可以用两根I/O口线来虚拟I2C总线接口。I2C总线上的主器件(单片机)可在时钟线(SDL)上产生时钟脉冲,在数据线(SDA)上产生寻址信号、开始条件、停止条件以及建立数据传输的器件。任何被选中的器件都将被主器件看成是从器件。在这里,DS1307作为I2C总线的从器件。I2C总线为同步串行数据传输总线,其内部为双向传输电路,端口输出为开漏结构,因此,需加上拉电阻。2.4 MT8880C双音频编解码电路由于单片机是通过MT8880C芯片得到PSTN网络的双音频信号解码输出,也就是说,单片机可以识别来自PSTN网络的控制信号,用户可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别与远程控制。因此,利用MT8880C的双音频编码功能,系统可以在紧急时刻将用户预置的紧急电话打到PSTN网络,从而把损失减少到最低。2.5 ISD4004语音录放电路ISD4004是美国ISD公司生产的一种语音录放芯片。它可录制8~16分钟的语音信号。该芯片可提供SPI标准接口和单片机进行接口,其语音的录放控制均通过单片机来实现。该芯片的一个最大特点是可以按地址编程录放,因而可由ISD4004和单片机编程控制来构系统与PSTN网络用户的语音平台。由于ISD4004的INT和RAC脚输出为开漏结构,因此需要加上拉电阻。screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;>2.6 MAX202串行通讯电路通讯电路可由串行通讯专用芯片MAX202组成,通过此电路可以方便地与PC机进行串行通讯。2.7 铃流检测与摘挂机控制电路当系统被呼叫时,电话交换机发出铃流信号。振铃为25±3V的正弦波,失真小于10%,电压有效值为90±15V。振铃信号以5秒为周期,即1秒送,4秒断。由于振铃信号电压比较高,所以先要通过高压稳压二极管进行降压,然后输入至光耦。再经光耦隔离转换后,从光耦输出时通时断的正弦波,最后经RC回路进行滤波以输出标准的方波。该方波信号可以直接输出至单片机的定时器1进行计数,以实现对铃流的检测。由于程控电话交换机在电话摘机时电话线回路电流会突然变大(约30mA),因此,交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。自动摘挂机电路可以通过单片机的P1.7来控制一个固态继电器,固态继电器的控制端应连接一个大约300Ω的电阻后再接入电话线两端,从而完成模拟摘挂机。
3系统软件编制本系统软件主要由系统主机和系统分机的C51程序和系统与Internet网络</A>通讯程序组成。3.1 系统主机程序的编制系统主机程序主要用于实现系统的总体功能。包括无线数据传输程序、看门狗程序、时间戳程序、双音频编解码程序、语音录放程序、串行通讯程序、铃流检测与摘挂机控制程序、系统初始化程序、意外事件处理程序等。程序编制以消息驱动为主导思想。消息由计数器中断1、外部中断0和串行中断产生,在中断服务程序中,应将相应的状态位置位,而在消息循环中则应按相应的状态位调用功能函数,然后由功能函数将相应的状态位清0并完成所需功能,并最后返回到消息循环中。其程序流程如图5所示。该系统的分机程序和主机类似,故此不再详述。screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;>3.2 系统与Internet网络通讯程序的编制这部分通讯程序分为服务器和客户端两个程序,主要通过Internet网络完成用户的控制功能。服务器程序主要完成客户端与系统主机通讯的中转,即将客户端发来的控制或者查询命令成系统主机能识别的格式,或者将系统主机收到的报警等信息上传到客户端。服务器程序使用Socket与客户端进行Internet通讯。客户端程序是运行在远端用户的控制界面,主要用于完成家居内状态的显示以及对家居内电器的远程控制,同时使客户端直接连接到服务器。4结论本系统充分利用了现有的网络资源。通过在实际电话网络和Internet网络中的试运行证明:该系统能够达到设计初期的各项要求。相信将在信息家电、智能小区等方面得到广泛应用</A>。
2015年底,徐旭和他的团队最终决定用自己的产品来验证自己的研发能力,从面向B端提供智能模块到面向C端推出产品。
于是也就有了北京毫米 科技 的ROOME品牌,以及其第一款智能产品——智能晚安灯。
可以说,相较于其他从C端发展到B端的智能家居厂商而言,北京毫米 科技 算是少数从B端走到C端,而且现在来看,走地也算是比较成功的。
12月20日,在雷锋网主办的「AIoT+智慧城市峰会」上,北京毫米 科技 的COO兼联合创始人徐旭解读了智能家居的时代变革及现在的驱动力,并在会后接受雷锋网专访,就毫米 科技 的思路、打法进行了分享。
徐旭认为,至今,智能家居经历了三个时代,分别为:
以智能单品为主的「智能家居1.0」时代;
以语音中控设备为代表的「智能家居2.0」时代;
具备自主决策能力和分布式连接控制的「智能家居3.0」时代。
从控制角度来看, 智能家居发展轨迹也是用户控制便捷性的追求的一个过程。
智能家居1.0时代解决了设备联网的问题 ,由此,用户可以在诸多场合使用手机控制设备,这是智能单品为主的智能家居1.0时代的特点。“通过手机控制解决了联网设备在某些场景下的控制问题,例如用户离开家以后的控制问题,但是在家里的时候,其实它的操作效率并不见得比传统的遥控器高。我们做过一个实验,开一盏灯,APP需要11秒,用户自己手动控制只需要3秒左右,由此可见,手机(APP)控制并没有在主要的应用场景中提供一个更便捷的控制。”
徐旭在会后接受雷锋网采访时也谈道, 智能单品时代,由于通过手机控制的效率并不高,而且用户体验并不好,只是满足了类似「离家场景」这样一部分特殊场景的需求,因而更多只能算是一个「伪需求」,而并非刚需。
也正因如此,智能家居单品时代经历了昙花一现,逐渐走向没落,智能硬件,或者说联网硬件,被迫回炉重造,智能家居厂商开始思考如何实现更多的AI功能和更好的用户体验。
智能家居2.0时代是从2016年开始的,特点之一就是AI智能语音控制的广泛应用。 以智能音箱为代表的语音控制类产品很大程度上提高了用户控制设备的便捷性,逐渐形成以智能音箱为中心的设备连接控制能力。
智能语音的应用使得智能硬件的用户体验更进一步,但智能语音带来贴近用户体验的交互方式的同时,由于智能语音尚未完全成熟,用户需求远高于实际技术能力,更多的问题也逐渐显现,各厂商也开始解决场景化过程中遇到的各类问题。
智能家居3.0时代是我们当下所处的时代,这一时代的特点是设备已经具备感知、学习能力,并提供一个场景化、个性化的辅助决策,实现分布式连接控制。 不远的将来,每位用户家中都有多个控制中心,任何一个设备都可以作为主控设备,也可以作为受控设备,这就使得整体用户体验得到进一步改善。
北京毫米 科技 成立于2015年6月,成立之初,专注于算法研发,但是逐渐遇到了两个难题:
第一,数据量不够,智能家居应用的AI模型训练需要大量的数据,这方面的数据无法由其他途径获得,只能通过C端产品在实际环境中采集;
第二,初创公司在向B端市场推广模块产品过程中,会受到厂商对模块能力的质疑,“客户并不清楚你的模块具体能用来做什么,能带来多大的体验提升。”
因此,在潜心技术研发半年后,毫米 科技 决定调整方向——自己做一些C端产品,也就有了现在的ROOME品牌。
2016年1月,毫米 科技 的第一代智能晚安灯上市。
徐旭告诉雷锋网, 毫米 科技 目前在C端产品思路上主要有两点:第一,做与智能照明相关的产品;第二,场景化、个性化智能控制。
谈到智能家居照明系统,徐旭将其分为三类:主照明设备,局部照明设备,自然光照明设备。
主照明设备。 主照明设备一般是用开关控制的。毫米 科技 研发的创新性产品——「开关精灵」很好地完成了对主照明控制,不同于现有的智能开关,这款「开关精灵」产品无需更换现有的墙面开关,无安装门槛,绝大部分普通家庭的开关面板都可快速升级。
局部照明设备。 局部照明可以通过毫米 科技 的超薄墙面插座——墙插精灵来实现。对于控制落地灯、台灯等插座式照明设备,这类照明设备只需要控制通断电,即可实现开关灯功能。
自然光照明设备。 自然光照明设备是指智能窗帘,与现在智能窗帘有所不同的是,毫米 科技 的智能窗帘是一个免拆卸的普通窗帘快速升级产品,包括窗帘轨、窗帘环,窗帘都不需要另外更换,可以实现免拆卸应用。徐旭告诉雷锋网,毫米 科技 在这方面的技术已经申请了多项专利,具体产品正处于研发中,预计19年底将会有相关产品面世。
不仅仅是明年即将面世的智能窗帘是免拆卸的,其实包括现在毫米 科技 主推的开关精灵和墙插精灵都是免拆卸的。
因而,毫米 科技 的开关产品和墙插产品选用免拆卸方案。据雷锋网了解,这也逐渐成为现在智能家居中针对存量市场的开关产品的一个主流趋势。
免拆卸方案为毫米 科技 带来了人气和流量从今年双十一的数据也可见一斑。双十一期间,毫米 科技 在天猫平台智能家庭品类官方旗舰店店铺流量排行前三,仅次于小米和苏宁;热销店铺排名在前五;热销商品排名第六。其中,ROOME与天猫精灵AI联盟联合定制的智能语音开关——开关精灵(蓝牙Mesh版),由于安装简单,并支持主流智能音箱语音控制,销量为28288台。另外,爆款产品六口充电墙插精灵销量也有30509台。
场景化和个性化智能控制是毫米 科技 C端产品强调的第二个点 ,也是整个行业的发力点之一。
徐旭告诉雷锋网,由于每个家庭中都有诸如回家、离家、入睡、起床等刚需场景,这样的场景现在业界仍然做得不是很好, 因而现在无法做到精准的场景识别, 因此毫米 科技 推出了智能晚安灯及室友小易等产品,并结合毫米的场景识别算法来逐步实现此类场景的智能识别及对应的自动控制。
AI引入智能家居可以带来用户体验的提升已然成为不争的事实,具体体现为以下三个方面:
场景化决策。 以语音命令「开灯」为例,通过识别用户的位置和当前场景,根据用户以往开灯偏好,AI可辅助决策开启那个房间的那一盏灯最合适。这样可避免冗长的语音命令。
多设备联动。 根据用户日常操作,学习设备状态变化的关联性,并形成联动场景,推荐用户选择使用,并自动更新。免去用户在APP端进行复杂的「场景」设置。
个性化自动控制 。提供在可呈现「规律性」或「特征性」的场景下的设备自主决策和自动控制。
由于算法正是毫米 科技 团队初创至今的硬实力,因而,毫米 科技 通过机器学习,针对场景化和个性化应用,针对场景、用户偏好、设备属性三方面进行学习和建立数据模型。
场景。 通常来讲就是时间、空间、用户行为。这3项均是可以通过学习来构建的;
用户偏好。 每个人喜欢在什么样的场景下做什么事情,例如,用户在怎样的亮度下开灯,这是因人而异的;
设备属性。 智能控制还需要了解设备是什么样的设备,即使是一个灯,它的属性不同,使用场景也不一样。
毫米 科技 在两年前已经在做此类数据模型。有所不同的是,最初做的数据模型是「单机版」的,即这类设备虽然可以享用云端算力,但是主要仍是针对单一设备的应用,即使一台设备的决策能力;如今,毫米 科技 逐渐向分布式感知和分布式控制方向发展, “现在我们所有的采集的数据是集中在以家庭为单位去同所有设备共享的。”
前文提到的室友小易是毫米 科技 在今年6月推出的一款集合了夜灯、音乐、充电、时钟等常用功能的智能床头设备。徐旭告诉雷锋网,可以认为室友小易是晚安灯的一个升级版本。
毫米 科技 设计室友小易的初衷有两点:提供智能化照明、学习就寝/起床的习惯。
徐旭告诉雷锋网,晚安灯由于是毫米 科技 研发的第一款产品,所以在产品思路上并不清晰,其部分功能是可替代性的,因而无法视为「刚需」产品。室友小易的闹钟模型由于是多数家庭必备,可以说是比晚安灯更好的一个产品模型。据雷锋网了解,这款产品在智能语音方面有与腾讯叮当语音助手合作。
毫米 科技 是从B端市场起步,自然在C端市场开拓的同时,也会重点发力B端市场业务,而且现在看来,已经风生水起。
徐旭告诉雷锋网,“我们自身的智能产品家庭场景覆盖度有限,因而不论是在获取的数据维度和数据量,还是在市场规模上,都需要更多品牌和产品的加入,更好的完成全家覆盖及整家联动,并实现合作共赢。”
因此,毫米 科技 选择与品牌方合作。目前已经和金牌、MALIO、施耐德、海尔、方太、阿里、腾讯、京东、联想等品牌和平台达成合作。下一步,毫米 科技 将从照明、电工、厨电等B端品牌开始,逐步拓展智能技术在不同家庭场景中的应用。
整个智能家居市场开始进入场景落地阶段,由于AI能力需要数据模型,数据越来越重要。无论是智能硬件或解决方案,无论是C端市场或B端市场,场景化和个性化的训练模型都离不开海量数据。毫米 科技 从产品研发到市场布局上,都将这一点考虑了进去。
目前,毫米 科技 已经获取了数亿组家庭数据,拥有云端算力及准确性和边缘计算的实时性,并以自主知识产权研发了本地小样本增量学习算法,让部分设备离线也可实现完整的智能控制。
徐旭告诉雷锋网,“在我们这个行业里有一句话说得很好:现在算法不值钱,模型也不值钱,只有你特定的数据喂出来的模型才值钱。”而这也将成为接下来考验智能家居厂商核心竞争力的关键点。
1、主卧
配备二位组合智能开关1个、智能插座4个、智能情景开关1个、紧急按扭1个、双轨电动窗帘1套、背景音乐系统1套。
◎二位组合智能开关:一路控制主卧吊灯,可调光;另一路控制过道射灯;用户可依着自己的心情,将卧室灯光设置成一种温馨、浪漫的灯光氛围;电灯开启时光线由暗逐渐到亮,关闭时由亮逐渐到暗,直至关闭,有利于保护眼睛;
◎智能插座:分别控制床头2盏台灯、梳妆台前2盏壁灯;
◎智能情景开关:可以控制室内所有照明;临睡前,按一个键,关闭家中所有照明灯;按一个起夜键,卧室的台灯、过道灯、主卫生间灯会同时亮起,再按一下同时关闭;
◎紧急按扭:紧急情况发生时,按下此键立即报警;
◎双轨电动窗帘:可以手动、APP远程控制。
◎背景音乐系统:身心疲惫的时候,用手机打开背景音乐系统,让一天的烦恼随音而去。
2、次卧
配备一位调光智能开关1个、二位智能开关1个、智能插座1个、智能情景开关1个、紧急按钮1个、弧形双轨电动窗帘1套。
◎一位调光智能开关:控制起居室吊灯,可以随意进行灯光设置,营造不同的灯光氛围;
◎二位智能开关:一路控制楼梯上方吊灯;另一路控制过道2盏射灯;
◎智能插座:控制落地灯的开关;
◎智能情景开关:控制室内所有灯光照明,有5种情景模式;
◎紧急按扭:紧急情况发生时,按下此键立即报警。
3、儿童房
配备二位调光智能开关1个、8键遥控器1个、方向幕帘探测器1个、双轨电动窗帘1套、背景音乐系统1套。
◎二位调光智能开关:可调光,为用户营造出柔和、温馨的灯光氛围;
◎8键遥控器:控制儿童房吊灯和客卫的镜前灯;
◎方向幕帘探测器:防护窗户;◎双轨电动窗帘:可以手动、APP远程控制。
◎背景音乐系统:早晚给孩子放一些古典音乐,让孩子在美妙的旋律中快乐成长。
4、客厅
配备三位双向智能开关1个、双向红外转发器1个、双轨电动窗帘1套、百万高清室内摄像头1个、四位智能情景开关1个、背景音乐系统1套、智能家居控制主机1台。
◎三位智能开关:控制灯光。
◎红外转发器:可控制电视、水箱、空调等一切红外设备等家电,支持定时或远程控制。
◎双轨电动窗帘:可以手动、APP远程控制。
◎百万高清室内摄像头:随时随地用手机、平板或电脑查看家里动态,支持语音对讲、视频录存功能。
◎四位智能情景开关:一键启动你想要的场景效果,例如回家模式,空调、灯光打开,热水器自动烧水,背景音乐系统播放动听的音乐等情景效果。
◎智能家居控制主机:可集中控制家里灯光、窗帘、安防、视频等。
5、厨房
配备一位智能开关1个、烟雾报警器1个、燃气报警装置1套、开窗器1个、背景音乐系统1套。
◎一位智能开关:控制吸顶灯
◎烟雾报警器:当发生火灾,手机第一时间收到智能家居系统发送的短信,让您的家庭安全有保障。
◎燃气报警装置:当发生燃气泄漏,系统将自动关闭阀门,窗户自动打开,用智能科技保护家庭幸福。
◎背景音乐系统:边做饭边听音乐,这种感觉简直美好极了。
6、卫生间
配备二位智能开关1个。
◎二位智能开关:一路控制吸顶灯、一路控制镜前灯。
你做智能家居的啊!自己选择好自己的路!
如何组建一套完整的智能家居系统
智能家居系统并不是安装一个APP就能够操控家中的所有电器,智能系统的安装、调试与维护的工作量非常大,需要大量的人力物力投入。在装修前期就要规划好,家居智能系统还是需要经过专业人士的指导能够更精确地组建出一套完整且可执行性的智能家居系统。
如果对智能家居系统的要求不高,希望自己搭建一个简易版本的智能家居系统,那么可以参考一下步骤。
1、智能家居系统按照功能基本上可分为:控制类、传感类、安防类、家电类这四种。
控制类的功能就是负责发送指令,主要是通过它们控制家电。比如说网关,通过收集所有设备的指令,然后统一使用家庭WiFi连接起来,然后自己可以随时查看家中的设备,相当于所有家电中的老大。
传感类:利用传感器感知和判断是否有人经过,然后帮助我们自动打开或者关闭电器。
安防类:智能门锁、烟雾报警器、摄像机等能够为家庭日常提供安全保障,是帮忙看家的小管家。
家电类:当慢慢构建了基本的智能家居系统之后,最后需要安装不同功能的家电才能够使系统运转起来。根据个人习惯,添加不同的可在智能系统框架中使用的电器就可以。
2、构建智能家居系统的步骤有:
第一步:安装智能开关和智能插座,比如安装网关,或者是把原来的普通插头换成智能插座。
第二步:安装智能红外转发器。红外转发器能通过控制遥控器而操控家中类似于电视机。空调等家电。
第三步:安装安防设备,只需要在门窗、天花板等固定位置安装好类似于智能门锁等设备即可。
第四步:安装需要使用到的智能化设备,比如电动窗帘以及智能窗帘控制器,机器人扫地机、智能净水器等设备。
第五步:所有的设备安装完成后,然后就可以在手机上安装特定的软件进行系统的测试。