摘  要： 智能家居是以住宅为平台，利用智能控制等技术将与家居生活相关的设施集成起来，构建的高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统[1]。以多功能的智能插座为控制核心，使用WiFi和ZigBee等技术进行无线通信，使用学习型红外为辅助控制，搭建一套实用的智能家居系统[2]。

　　关键词： 智能家居；智能插座；无线

0引言

　　智能家居是以住宅为平台，利用网络通信、智能控制等技术将与家居生活相关的设施集成在一起，构建的高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统。随着人们生活水平的提高，智能家居的市场也将越来越广阔。

　　但是目前智能家居构建的方式各异，而且目前家居系统基本耗费巨大，占用空间大，实用性不强，所以目前市场上还没有一套成熟的智能家居系统。由于家用电器的使用与插座是分不开的，因此本系统利用这个特点，使用智能插座来构建一套实用性强的家居控制系统[3]。

　　本系统利用家用插座这个电器的连接口，设计了智能插座，将智能插座作为电器控制的基础。智能插座可以进行电源的开关控制，还能进行电量检测，并对用户用电量进行统计和分析。本系统使用学习型红外对电器做进一步的控制，学习型红外可以模拟电器遥控器进行控制信号的发射。本系统通过智能插座和学习型红外实现了电器的全方位的控制。本系统的控制信号是由手机终端发出的，其信号通过以太网传输到ARM控制核心中，然后ARM将处理后的数据通过ZigBee发送给每个节点，在节点上进行具体的控制动作。

　　本文首先描述系统的整体框架，之后介绍系统的硬件和软件方案。

1 总体设计方案

　　整个系统由手机控制终端、ARM控制中心和智能插座节点三部分组成，如图1所示。手机控制终端可以显示和控制家庭内部设备的运行状态；ARM是控制中心，与手机终端进行数据交互，发送控制信息给相应的控制节点；STM32控制的智能插座节点负责对家庭各个节点进行控制。手机终端与ARM控制核心通过以太网进行数据交互，ARM控制核心与STM32控制节点通过ZigBee进行数据交互。

　　本系统能进行监测和控制动作。手机控制终端进行具体的电器开关控制和红外遥控控制，并能监测室内温度、湿度等环境变量。本手机终端是在安卓平台上开发的。ARM控制端接收来自手机终端的控制命令，将数据进行解析后，发送到具体的控制节点。控制节点会反馈相应的数据给ARM端，ARM端再将这些信息反馈给手机终端。与此同时，ARM控制端会采集温度、湿度等环境变量，并将其传输给手机控制终端。而在控制节点上，所做的工作则是接收来自ARM的控制信息，进行相应的控制动作，并反馈实时的控制信息给AMR控制端。

2 STM32控制的智能插座节点

　　STM32控制节点进行具体的控制工作。STM32通过控制插座的开关从而实现电器的控制工作。通过插座来控制电器设备是非常有意义的，家用电器基本通过插座来获取电源，而通过插座控制电器的开关无疑节省了资源和空间。由于家用电器的控制不只通过电源开关控制，还有红外遥控控制，因此本控制节点将插座控制与红外控制相结合，构建全方位的家居控制系统[4]。

　　2.1 节点硬件组成

　　智能插座节点主要由STM32、插座模块、学习型红外模块、ZigBee模块、温湿度模块和GSM模块组成。其中ZigBee模块用来接收来自ARM控制端发送过来的控制命令，并且控制相应的模块，然后返回对应的信息。

　　下面的示例节点模块可以简单说明设备节点的硬件组成及工作原理。

　　图2为插座控制节点原理图，此电路的功能是控制插座的开关状态。采用STM32的GPIO口控制对应插座的继电器是否导通，以达到弱点控制强电的目的。图中S8050三极管起着电流放大的作用，并且可以有效隔离继电器和IO口；稳压管LN4007可以有效地稳定电压，来消除继电器在开启和闭合的时候产生的缓冲电流。

　　在每个节点控制处，都会有电流检测电路。此检测电路能测量大功率的交流电流，电流检测的准确度高，适用于家用电器的电流检测。STM32控制节点检测到用电信息后，可记录下具体实时的用电信息，将此信息储存在本地。系统会对数据进行分析统计，计算出电器每个月的用电量。用户可在手机终端实时调用和查看具体的用电信息。

　　2.2 学习型红外模块设计

　　本设计学习型红外发射接收模块是以STM32为控制器的万能学习型红外模块。利用STM32单片机对多个红外遥控编码的脉冲宽度进行测量，并原封不动地把发射信号中高、低电平的时间宽度记录至扩展存储区的指定地址。当要发射红外信号时，从扩展存储区中还原出相应的红外遥控编码，并调制到38 kHz的载波信号上，最后，通过三极管放大电路驱动红外发光二极管发射红外信号，达到学习和发射的目的，从而实现一个遥控器控制多种红外遥控设备。

　　红外编码信号通过STM32产生然后与38 kHz载波进行调制发射，接收电路采用一体化红外接收头HS0038。图3为学习型红外接收模块，图4为学习型红外发送模块。

　　本设计中38 kHz载波通过波形发生器555定时器产生，555定时器能产生频率和占空比可调的稳定的方波，常用于低频率方波的产生。载波信号的波形对发射功率和距离是有很大影响的，经过试验证明，1/3占空比的载波能使红外信号发射较远的距离。因此本系统的555定时器产生的是占空比为1/3、频率为38 kHz的载波信号，用于红外信号的调制。

3 系统软件设计

　　3.1 概述

　　STM32控制节点是主要的核心部分。系统程序的编写主要由以下几个模块组成：ZigBee模块驱动、温度传感器驱动、湿度传感器模块、GSM模块驱动、插座驱动、可调灯驱动、测电量模块驱动及学习型红外驱动。

　　3.2 智能插座驱动设计

　　要控制LED灯的亮灭，只要控制LED对应的GPIO管脚的输出高低电平即可。LED灯驱动注册为杂项设备，相应GPIO口设置为输出。

　　表1和表2说明了各个参数可能的取值及意义。

　　3.3 学习型红外驱动设计

　　红外学习驱动如下：

　　接收原理（学习原理）：中断里面进行捕获高低电平，并且记录相应的时间。用一个无符号的字节来标志状态，比如是否收到完整的引导码，是否得到所有信息（地址/数据信息），标志计时器计了多久（原本是用延时查询方式，但有误差，也会误判）。图5为学习型红外学习流程。

　　红外发射驱动如下：

　　学习型红外发射驱动较为简单，只要把学习到的红外脉宽通过STM32的GPIO口控制输出高低电平的时间来达到输出学习到的波形的目的。图6为学习型红外发射流程。

4 数据分析

　　4.1 用户用电量模块

　　本系统使用测电量模块便可测量电器的实时用电量。为了同时兼顾测量电量的准确度、系统的功耗和性能，本系统每5 s进行一次电量检测，并且将其保存记录在当天用电信息存储表中。此表是保存在本地存储中的，数据掉电不会丢失。每天的凌晨0点，控制节点便会将当天的用电量进行统计和计算，计算出当天的用电量，并将其保存在本月用电信息存储表中。图7是当天电视机用电量的统计图。

　　从图7可以看出，当天的凌晨到中午11点之前，用电量基本为零，这表示这时候电视处于关闭的状态。而当天的中午11点到13点有小量的用电量产生，这表示中午用户有短时间观看电视。从13点到18点之间，每小时用电量为5 W左右，这表示这时候电视是处于待机状态。而在19点到22点则迎来了用电量的高峰，这表明用户在这段时间内都在观看电视。

　　对电器的用电量进行测量和记录，可以方便统计各分电器的功耗和用户的使用习惯。这些数据是非常有使用价值的，便于后期进行大规模的数据分析。在基于智能插座这个控制节点的基础上，进行电量统计和分析工作是非常方便的，因为智能插座控制了电器的电量开关。

　　4.2 学习型红外的功能分析

　　红外遥控器是重要的家用电器的控制设备，而学习型红外则很好地完成了红外遥控器控制的功能。学习型红外需要接收并分析红外遥控器发出的波形信号，将其进行相应的解析后存储在本地中。当需要发射控制信号时，将这些信号的信息取出，将其调制成红外信号并通过红外发射管发出。

　　为了证明学习型红外发射出的控制信号与红外遥控发出的控制信号波形是吻合的，将这两个信号均由一体化红外接收头接收并解调，将解调后的波形由示波器显示，分析并对比两者波形的异同。由于波形较长，表3只列出波形的吻合度。

　　由表3可以看出，波形的吻合度基本在0.98左右，表示学习型红外发射的波形基本没有变化。而在实际的控制过程中也验证了这一点，学习型红外能很好地控制家用电器。

　　参考文献

　　[1] 叶国伟.智能家居市场现状与趋势[J].智能建筑，2012（6）：54-55.

　　[2] 施旭燕.智能家居自动化技术研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

　　[3] 严静.迎接智能家居时代的来临[J].湖北电力通讯，2010（351）.

　　[4] 刘海亮，曹家年，郭逢丽.嵌入式智能家居安防系统的研究与实现[J].应用科技，