智能家居系统的设计与实现(doc 61页).docx

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1、智能家居系统的设计与实现智能家居系统的设计与实现摘要随着信息化、智能化设备的普及，现在人们也希望在家居环境中添加各种智能化的设备，能将家电设备、家居环境因数通过无处不在的网络联系起来，这也是智能家居系统的原始构想。智能家居系统是一种网络化、信息化、智能化的系统，在合适的硬件和软件的组合下，将家居环境中的设备通过网络实现物物相连的功能，同时也将家居环境中的各种环境因素也添加到网络中，满足了人们通过网络控制家电设备了解家居环境因素的要求，进而可以满足人们对家居环境更高级需求，而这些要求是传统家居无法完成的。智能家居系统中最重要的是核心控制器，它是连接家居家电设备、家居环境以及终端控制设备的桥梁，目

2、前国内外对智能家居研究中，一般都选择单片机与ARM作为核心控制器。本文选择Arduino Mega 2560作为核心控制器，就稳定而言，Arduino Mega 2560比单片机、ARM更加稳定实用，而且Arduino无论是硬件还是软件都是开源的，这就意味着可以查看和下载其源码，更加方便用来设计智能家居控制系统。本论文的设计思想是将家电智能化、家居安防、家居环境监测、局域网控制以及远程控制等功能集中到一个综合管理系统上。系统选用蓝牙作为局域网控制的纽带，选用GSM网络作为远程控制的媒介，并为解决现在市场上红外家电设备难以控制的难题，设计了一种红外转发器，代替红外遥控器，免去了家居环境多遥控、使

3、用必须在一定范围的问题，考虑到智能手机的普及，本文选用手机作为移动终端控制设备，而不在设计另外的终端控制设备，这样既方便又省去了携带的烦恼。此外，该系统还具备良好的可扩展性和对不同家居环境的适应性，可以根据不同家居的需要，进行功能的裁剪、增添和移植等。 关键词 智能家居；Arduino Mega 2560；蓝牙；GSM模块；红外转发 Design and Implementation of Smart Home SystemAbstract With the popularity of information and intelligence equipment,now we also wan

4、t to add a variety of intelligent devices in the home environment, and it can able to appliances and home environment factor by ubiquitous network link. This is the original concept of smart home system. smart home system is a network that information technology and intelligent systems is the right

5、combination of hardware and software.In the home environment to achieve functional that material objects connected to the device through the network and also the home environment in a variety of environmental factors also added to the network to meet the people through a network control appliances a

6、t home understand the requirements of the environmental factors, and thus meet the needs of people are more advanced home environment, and these requirements are the traditional home It can not be completed. Smart home system is the most important thing is the core controller, which is connected hou

7、sehold appliances, home environment and a terminal control device bridge. At home and abroad for the smart home study, generally choose microcontroller with ARM as the core controller. Paper chooses Arduino Mega 2560 as the core controller, in terms of stability, Arduino Mega 2560 Microcontroller ra

8、tio, ARM is more stable and practical, and Arduino whether hardware or software is open source, which means you can view and download its source code, and more easy to design intelligent home control system.This thesis is to design intelligent home appliances, home security, home environment monitor

9、ing, local control and remote control functions to focus on an integrated management system. Bluetooth as a local area network control system selects the link, using the GSM network as a remote control of the media, and now on the market to solve the infrared appliances is difficult to control the p

10、roblem, design an infrared repeater, instead of infrared remote control, eliminating the home environment more remote, must be used in a range of issues. Taking into account the popularity of smart phones, the paper selected as a mobile phone terminal control device, not in the design of an addition

11、al terminal control device, which is convenient and eliminates the need to bring trouble. In addition, the system also has good scalability and adaptability to different home environment, according to the needs of different home, cropping functions, additions and transplantation.Keywords Smart Home,

12、 Arduino Mega 2560, Bluetooth, GSM Module, Infrared Repeater- IV -目录摘要IAbstractII第1章 绪论1 1.1 本论文研究背景及意义1 1.2 智能家居国内外发展状况2 1.3 论文研究的主要内容4第2章 智能家居系统的总体方案设计5 2.1 智能家居系统的基本组成5 2.2 智能家居系统总体设计方案6 2.3 智能家居系统中的硬件平台8 2.3.1 Arduino介绍8 2.3.2 GSM模块SIM900A9 2.3.3 无线模块10 2.3.4 传感器模块12 2.4 本章小结14第3章 智能家居系统的硬件设计与关键

13、技术实现15 3.1 智能家居继电器控制系统硬件设计15 3.2 红外转发系统的关键技术与实现163.2.1 红外遥控系统的关键技术173.2.2 红外转发系统的设计与实现223.3 传感器采集电路设计253.3.1 烟雾传感器电路设计263.3.2 红外人体传感器电路设计273.3.3 温湿度传感器DHT11电路设计273.4 蓝牙控制电路设计273.4.1 蓝牙模块的主要功能273.4.2 蓝牙串行端口链接流程与硬件连接283.5 GSM远程控制系统设计303.5.1 远程监控系统串口通讯303.5.2 远程监控系统硬件电路303.6 本章小结31第4章 智能家居系统的软件设计与实现324

14、.1 Arduino 集成开发环境324.2 智能家居控制系统软件设计334.2.1 继电器控制系统软件设计344.2.2 红外转发系统软件设计354.2.3 传感器信号采集软件设计364.3 智能家居蓝牙控制系统软件设计374.4 智能家居远程控制系统软件设计404.4.1 GSM系列协议简介404.4.2 AT命令详解404.4.3 UCS2编码介绍414.4.4 短信息接收和发送流程424.5 本章小结44第5章 系统测试455.1 智能家居软件设定455.2 智能家居控制系统测试465.2.1 继电器控制系统测试465.2.2 红外转发系统测试475.2.3 传感器控制系统测试485.

15、2.4 远程控制系统测试505.3 本章小结51结论52参考文献53攻读硕士学位期间发表的学术论文56致谢57第1章 绪论1.1 本论文研究背景及意义随着现代化电子技术和网络技术的飞速发展，现在已经进入了信息化的时代。如今可以把电子信息技术、自动化控制技术和网络通信技术结合起来应用于家居住宅，于是出现了智能住宅。1984年，世界上的第一座智能化办公大楼在美国康涅狄格州哈德福特市建成，由此掀开人类智能家居的第一页。 随着信息化、智能化的普及，现在人们也希望在家居环境中添加各种智能化的设备，能将家电设备、家居环境因数通过无处不在的网络联系起来。这也是智能家居系统的原始构想1，智能家居系统是一种网络

16、化、信息化、智能化的系统，在合适的硬件和软件的组合下，将家居环境中的设备通过网络实现物物相连的功能，同时也将家居环境中的各种环境因素也添加到网络中，满足了人们通过网络控制家电设备了解家居环境因素的要求，进而可以满足人们对家居环境更高级需求，而这些要求是传统家居无法完成的。智能家居是在原有家居环境的基础，结合无线通信技术、智能控制技术、物联网技术等现代化电子信息控制技术，实现家居智能化，提高家居环境的安全性、高效性、舒适性、便利性等。智能家居概念的提出远远早于手机的诞生，可是发展却远远落后于手机，近年来，物联网技术的诞生与发展才促使了智能家居系统相对较快发展，物联网技术使得家居中的各种家电设备、

17、家居环境可以相互连接在一起，实现了家电自动控制功能、局域网无线控制功能、远程控制功能、环境监测功能、红外转发功能等。智能家居相比普通家居最主要的特点就是智能化，在原始家居的基本功能上引入了核心控制器2，它的主要作用不仅具有传统家居的功能，还具有信息交互功能，监控家居环境内的家电的运行情况以及家居环境，在用户需要了解家居情况时将信息发送给用户，按用户的要求去控制家电的运行，在家居环境异常时自动处理并将报警信息发送给用户。物联网技术的诞生与发展解决了智能家居中物物相连的难题，这个难题的解决，使得智能家居在未来必将得到广大用户的期待，未来的市场将会高速发展智能家居系统，其应用前景非常广阔。随着信息化

18、时代的到来，人们对生活的追求越来越高，对自身居住的环境也提出更高的要求。智能家居的出现就是在人们的这些要求下产生的，传统的家居只能满足人们简单的居住功能，对于除了居住功能以外的一些要求根本不可能实现，智能家居的出现就是为了满足人们对自身居住环境的要求，这也是传统家居与智能家居的根本区别。早在上个世纪末期，智能家居的概念就被提出来，但是由于当时的技术水平很难实现，智能家居并没有像预期那样发展起来，后来随着科学技术的发展，市场产品出现多元化的趋势，各类产品标准不一，不能互相兼容，智能家居也没有普及开来。所以综合智能家居发展的情况来看，现在有必要研究一种成本低而且兼容性较好的智能家居系统。1.2 智

19、能家居国内外发展状况智能家居经历了家庭电器化、家电自动化、家居智能化三个阶段。早期随着电子技术的发展，各类家电设备问世，从而掀起了在传统家居中引入家用电器的热潮；后来由于网络信息技术的普及，各类家用电器进入了自动化的阶段，家居系统也进入了家电自动化的阶段；近几年由于物联网技术的提出与发展，使得智能家居系统的实现成为可能，世界各大公司也纷纷加入智能家居系统的研究中。在了解智能家居技术之前，先必须了解物联网这个概念，因为现在的智能家居是在物联网的基础上发展的，物联网是在1999年就提出来了，当时叫传感网。物联网技术3就是通过互联网技术、信息传感技术等来实现物物相连的技术，它摆脱了互联网所统治的虚拟

20、化的时代，使得虚拟化的操作能与实际操作相对应，促进了智能技术渗透到我们生活的各个方面，从而使得智能家居技术得到了迅猛发展。在这里介紹下国内外的智能家居行业发展情况。国际：智能家居的研发在国外起步比较早，美国等一些欧美国家一直处于领先地位4。近年来，美国的微软公司以及摩托罗拉公司等国外著名的大型企业，先后投入到智能家居系统的研发中。现在比较知名的有微软公司研发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司的“居所之门”、IBM 公司的“家庭主任”等，这些研发的智能家居系统均已占据了家居市场，亚洲地区如日本、新加坡等国的一些龙头企业也纷纷加入了智能家居系统的研发队伍中，对家居市场更是跃跃欲试。智能家居之所以能受到关

21、注，除了能构建快捷、方便、舒适、安全的家居环境外，它还能带动小区甚至是城市的建设发展，这也是我们未来将看到的智能小区、智能城市。智能家居系统现在在国外主要有X-10系统、EIB系统、8X系统5。X-10系统主要应用在美国，该系统的主要特点是利用电力线缆作为网络交流平台，采用集中控制的方式，省去核心控制的设计，缺点是价格昂贵，实施难度大；EIB系统主要应用在德国，该系统采用预设总线及中央控制方式实现对家居环境和家电的控制，但是对实施工程要求复杂严苛，而且造价较高；8X系统主要应用在新加坡，该系统主要采用总线与集中控制想结合的方式来实现智能家居的功能，但是系统的架构大，产品价格高。纵观国外智能家居

22、的发展，绝大多数采用的是集中控制，只有一个核心控制器来实现多个家庭的智能家居系统，这样的好处的方便控制，省去了多家庭多核心控制器的麻烦，但是缺点是实施难度大、价格高，最重要的是不符合我国家电市场多品牌、功能各异的特点，采用集中控制方式可能只适合某种固定品牌的家电，并不适合所有品牌的家电设备。国内：智能家居系统在国内起步比较晚，直到上个世纪末期才正式被提出，但是各方面因素的制约，并未形成较大的规模。近几年由于物联网技术的迅猛发展，智能家居技术才得以发展。目前国内在智能家居系统方面比较领先的有海尔公司的u-home，广东数码科技股份有限公司的安居宝等。智能家居在中国的发展经历的四个阶段6，分别是萌

23、芽期、开创期、徘徊期、融合演变期。 1萌芽期（1990年-1999年） 我国最早的智能家居系统开始于上世纪末，新加坡一家公司在中国推出了一款叫“万智能”的智能家居系统，它的核心技术就是通过电脑实现了对一台电视机的关断，但是当时并没有掀起智能家居系统使用的高潮，主要原因是当时电脑还没有普及而且价格高，使用起来不方便。这也算是中国最早的智能家居系统，也算是在中国智能家居系统的萌芽期。 2开创期（2000年-2005年）这段时期由于电子技术的发展，各大电子厂商纷纷研发出各式各样的家电产品，形成了家用电器“百花争鸣，百花齐放”的局面。各大电子公司也纷纷投入到对各类家用电器的管理阶段，各大厂商希望研发出

24、一种控制器，能够统一管理家居环境的家用电器。 3徘徊期（2006年-2010年） 由于上个阶段家用电器的多元化发展，加上各类家用电器没有统一的标准，使得出现的智能家居系统很难适应所有的家用电器设备，这严重阻碍了智能家居行业的发展，导致很多智能家居的生产企业纷纷退出了这一市场。 4融合演变期近几年随着物联网技术的发展，智能家居开始有了迅猛发展，各类智能家居系统也纷纷出现，智能家居行业也结束了徘徊期。 目前我国的智能家居市场需求大，但真正能满足市场要求的产品非常少，其主要原因是涉及行业多，包括家电行业、通信行业、电子传感器等，缺乏统一标准7,8，各个子系统不能统一控制、相互协调，各类家电产品之间不

25、能兼容。1.3 论文研究的主要内容 本文主要的研究内容是智能家居系统的设计与实现，重点是设计家居环境中各种家电设备与以Arduino mega 2560为核心的主从控制器间，各种传感器设备与主从核心控制器间、终端控制设备与主核心控制器间的信息交互功能，本文研究内容主要如下：1智能家居系统的组成与基本功能，主要针对智能家居系统中各个子系统的功能，以及所采用的技术进行展开研究。2针对现有的智能家居系统进行研究，分析现有智能家居系统中存在的不足，提出一种星型网络结构的智能家居系统，经过分析，此系统具有扩展性好、可操作性强、易于维护等优点。3为了解决家居环境中红外遥控家电设备，有多遥控、使用必须在一定

26、范围、难以从内部控制其运行的缺点，设计了一套红外转发系统，并对各类红外家电的红外协议进行深入研究。4将日常生活中人们对家居环境中的一些处理经验加入到系统中，形成一个高效、稳定、智能的家居系统。第2章 智能家居系统的总体方案设计2.1 智能家居系统的基本组成智能家居系统相比传统家居最主要的特点是引入了现代化电子信息技术，它结合电子技术、传感器技术、通信技术、网络信息技术、自动控制技术等，营造了一种安全、高效、快捷、舒适的家居环境。智能家居是众多现代化技术融合的体现。 智能家居系统应该具有的基本功能是对家电设备的精确控制、对家居环境的精准监控、与用户信息的交流包括处理用户的命令以及在特定情况下将家

27、居环境的某些信息发送给用户。智能家居系统必须具有对家电设备的控制、家居环境的监控等功能，所以智能家居系统必须具有类似于电脑CPU一样的中央处理器，在智能家居中将这种能识别处理信息、与用户交流的设备称为核心控制器9，它也是智能家居中最重要的部分。此外智能家居系统还必须有终端控制设备，主要用于用户与核心控制器交换数据；还需要有传感器设备用于监控家居环境的状况，最后还必须包含各类家电设备。智能家居系统中，终端控制设备是用户与核心控制器之间交流的平台10，核心控制器智只能识别由终端控制设备发出的命令，用户也必须先将命令转换成终端控制设备上的相应命令。同时，终端控制设备也必须具备接受由核心控制器发出的信

28、息。终端控制设备可以是电脑、手机或者是厂家自己设计的。在实际生活中，可能会存在着多种信息传输方式，在家居环境内和家居环境外，存在着使用不同信息传输的方式去实现同一个功能的情况。比如在家居环境中使用的是通过蓝牙模块向核心控制器发送命令11，在家居环境外是通过GSM模块实现命令的传递12。在本系统设计的智能家居系统中，由于智能手机便于携带、使用广泛，用户可以通过智能手机向智能家居系统中的核心控制器发送需要执行的命令，而且核心控制器也能向手机反馈执行的结果以及家居环境的状况，所以选用了智能手机作为智能家居的终端控制设备13。 智能家居系统还必须包含智能家电设备和传感器模块14，其中传感器模块是用于对

29、家居环境的监控。核心控制器的最终操作都是在家电设备或者是传感器上实现的。比如回家之前了解家居环境的温度，核心控制器读取温度传感器上的温度将信息发送给用户，用户如果觉得温度不适宜，可以发送相应的命令，核心控制器收到后会控制空调运行到相应的状态，那么用户回家之后就会有一个舒适的环境状态。2.2 智能家居系统总体设计方案智能家居的最终目的是在传统家居的基础上为我们营造一个更安全、更舒适、更方便的家居生活环境。对于智能家居系统来讲，最重要的目标实现对家电设备的控制、对家居环境的监控以及的异常情况的处理。其智能家居系统的网络拓扑结构如图2-1所示。 图2-1智能家居网络拓扑结构 Fig.2-1 Smar

30、t home network topology 智能家居系统的网络拓扑结构中，以主核心控制器为核心构建了智能家居的星型网络拓扑结构，它是整个智能家居系统的核心，也在整个系统中处于中心节点的位置。主核心控制器除了直接与智能家电、环境监控等连接外，还可以通过无线模块与从核心控制器上的无线模块实现无线连接，从而通过控制从核心控制器控制其他家电设备以及对其他家居环境的监控。通过这种组网的好处有： 1扩展方便，对于各类家居环境的多样性，可以很方便的扩展 2实现容易，不要复杂的电路结构，命令的传递只是通过无线模块实现 3维护方便，某一节点损坏不影响其他节点的正常工作 4安装方便，避免了冗长的有线连接，使得

31、在家居环境中安装方便本论文设计了一套完整的智能家居控制系统，主要包含对家电设备的控制包括开关式的家电与红外遥控的家电、环境的监控与自动调节、防火防盗、远程报警等功能。依据用户对智能家居功能的需要，一个完整的智能家居系统应该具有以下功能： 1具有局域网和远程控制功能 2实现对家电的控制，包括开关式的家用电器和遥控式的家用电器 3具有对家居环境的监控功能以及环境异常自动处理的功能 4具有报警功能包括局域网报警和远程报警功能 目前国内的智能家居控制系统多采用单片机、ARM、PLC来作为系统的核心控制器，但是单片机的稳定性不高，PLC成本太高，ARM设计复杂且成本高，所以现在急需一种稳定可靠而且成本较

32、低的系统。Arduino是一款流行电子互动平台，虽然是基于MCU系统开发的，但是其性能远远高于单片机，而且价格远远低于PLC。所以本文选用Arduino Mega 2560作为系统的核心控制器，整个系统包括四个主要的组成部分：核心控制器部分、终端控制部分、监测部 分和家电设备。其系统框图如图2-2。 图2-2智能家居系统框图 Fig.2-2 Smart home system block diagram 智能家居控制系统中终端控制设备与核心控制器间联系主要分为局域网联系和广域网联系。首先，在局域网环境内，核心控制器通过蓝牙模块与终端设备如手机配对，通过蓝牙模块接收和发送信息；在广域网环境中或者

33、说远程控制系统中，核心控制器通过GSM模块由GSM网络远程与移动终端控制设备交换信息；监测模块主要是一些传感器设备，主要用来监控家居环境状况，传感器将环境因素的采集数据发送给核心控制器，控制器经过处理，将处理的信息与预设相比较，如果不在预设范围内或与预设不符，则开启相应的家电设备或警报系统，并将信息发送给终端控制设备；核心控制器与家电设备之间主要通过继电器和红外转发器建立联系，对于一些开关式的家用电器如冰箱、热水器等只需要通过通电断电来控制的设备就通过继电器控制，而对于一些复杂的家电如空调、电视等需要通过红外遥控器控制的，则需要通过红外转发器去控制。2.3 智能家居系统中的硬件平台2.3.1

34、Arduino介绍 Arduino，是一个有独立硬件电路和软件运行环境的开源电子平台15,16。由于开源特性，自2005年诞生以来，深受广大创客的喜爱，同时也促进了物联网的发展。Arduino软件具有使用类似Java，C语言的IDE集成开发环境。Arduino软件开发语言使用的是类似C语言的独立语言，同嵌入式开发一样，可以通过软件编写实现对硬件系统的控制。此外Arduino 编程环境还实现了可视化编程，编程可以通过一个个图形化模块连接实现，大大减少了编程者的工作量，也使得枯燥无味的编程变得有意思，开辟了编程的新思路。 Arduino编程方式并不复杂，不需要懂复杂的汇编语言，了解硬件的底层代码，

35、只需要使用编写的函数实现相关的功能即可，适合复杂程序的开发以及模块化程序的设计。而写入程序的方式也很方便，只需要用一根USB线连接计算机，单击下载到硬件即可完成，并不需要额外的下载器。Arduino系列的开发板种类繁多，有低端的如Arduino UNO，也有高端的Arduino Due。考虑到智能家居系统的经济、使用、稳定、多接口的特点，本论文中采用Arduino Mega2560作为智能家居系统的核心控制器。Arduino Mega2560的核心芯片是atmega 2560 作为主控芯片，采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计，正好满足智能家居控制系统

36、多接口的特点。此外，Arduino Mega2560还具有16路模拟输入，4路UART接口，支持I2C接口。其实物图如2-3所示。 图2-3 Arduino Mega2560实物图 Fig.2-3 Arduino Mega2560 physical map2.3.2 GSM模块SIM900A GSM是Global System For Mobile Communications的缩写，是1992年对于数字移动通信定义的一个标准。GSM 短消息传送技术在军事、工业、医疗等多个领域都有广泛的应用。 目前，国内开始使用的GSM模块非常多，比如西门子公司的TC35i、SIMCOM公司的SIM900A、

37、BENQ (明基电通)的M22等，这些不同公司模块用法基本类似17。在GSM的应用中，主要是通过提取GSM模块上接收到的信息和将编译好的信息通过GSM模块发送出去，它取代了以前远距离的有线通信，实现了远距离的语音通话、文本传输、图片传输等功能。本论文的智能家居控制系统的GSM控制模块采用SIMCOM公司的SIM900A模块，SIM900A是一款新型GSM/GPRS通讯模块，主要功能有语言通话、短信收发、GPRS网络数据收发以及彩信收发等并且符合GSM7.07和GSM7.05标准。模块主要有核心处理芯片、SIM卡槽、天线以及外围电路等。核心控制器通过SIM900A模块与用户进行信息交流，用户通过

38、SIM900A对家居进行远程控制，当核心控制器检测家居危害情况如火灾时，将报警信息发送给用户，同时用户也可以对家居内的家用电器进行控制以及的家居环境的监测。其内部结构如图2-4所示。 图2-4 SIM900A内部结构图 Fig.2-4 SIM900A internal structure2.3.3 无线模块 相比传统有线通信技术，无线通信技术最主要的特点就是方便、安全、美观。目前，无线通信技术非常多，有蓝牙技术、WiFi技术、Zigbee技术等，每种无线通信技术都有自己的特点以及适用范围。本论文选用的蓝牙技术18来实现家居环境的局域网通信。 “蓝牙”（Bluetooth）技术，是一种短距离无线

39、通信技术，特点是成本低实现近距离无线连接，适用在某一固定设备与移动设备之间的无线通信。具有以下主要特点： 1全球范围适用。“蓝牙”工作频段的范围是2.42.4835GHz，在全球范围内应用。 2可同时传输语音和数据。“蓝牙”采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。 3实现对等连接。在“蓝牙”设备组网中，有一个为主设备，其余的均为从设备，主设备和从设备可以形成点对点的通信连接。 4具有很好的抗干扰能力。 5“蓝牙”模块体积很小、便于集成。 6功耗低。 7开放的接口标准。 8成本低。蓝牙模块集成了基带控制器、数据存储器、程序存储器、射频接口和

40、与外界通信的I/O口。射频模块完成混频、滤波、功率放大等功能，负责将接受到的2.4GHz高频信号发射出去。RAM用于通信中语音或数据的处理和暂存。Flash用于加载蓝牙模块底层硬件的协议以及对蓝牙模块开发的程序。基带控制器由MCU和DSP组成，基带控制器是蓝牙模块的核心，实现蓝牙基带部分的实时处理功能。蓝牙模块提供了对蓝牙模块进行开发的IO接口，有SPI、PIO、PCM、UART、USB 4种接口。本论文选用的是BT-HC05蓝牙模块，内部结构图如2-5所示。蓝牙模块BT-HC05模块是一款高性能的蓝牙串口模块，宽波特率范围48001382400，发射距离可达到100米，模块兼容单片机系统，可

41、用于各种带蓝牙功能的电脑、手机等智能终端配对，当两个蓝牙模块配对成功后，可以简单的取代以前的串口通信的应用，更改为无线的蓝牙。同时还具有主从自动配对的功能，能形成以主模块为核心的星型网络拓扑结构。以主模块为主节点可以扩展子节点，从而构成组成整个智能家居的硬件网络结构。 图2-5 蓝牙模块内部结构图 Fig.2-5 Bluetooth module internal structure 蓝牙模块具有的功能主要由模块上加载的协议实现，蓝牙模块加载的协议主要分为三类：主机控制器接口（HCI）、集成应用程序、串口功能。HCI主要是对蓝牙模块进行开发，实现特定功能。集成应用程序主要是实现某些应用功能，如

42、蓝牙设备、文件传输等。串口功能是实现无线串口功能，模拟RS232功能，在模块上加载串口仿真协议（RFCOMM）实现。2.3.4 传感器模块智能家居系统相比传统家居除了能控制家电设备的运行外，还能对家居环境的监控，而核心控制器并不能直接完成对家居环境的监控，它是通过读取传感器上的数据来完成对家居环境数据的采集。传感器完成对家居环境因素的采集，是连接环境状况与核心控制器之间的枢纽。目前市场有一千多种传感器，但是能适用家居环境的并不是太多，下面以常见的温湿度传感DHT11、人体红外传感器、烟雾传感器MQ-2为例，了解传感器采集环境因素的原理19。这三类传感器也体现了智能家居系统防火防盗以及构建舒适家

43、庭环境的特点。 1温湿度传感器DHT11 DHT11数字湿度传感器是复合型传感器，采用专门的数字采集技术和湿度传感技术，该产品的可靠性高。同时也具备相当稳定的工作性能20。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。体积小、功耗低，安装方便，便于集成发开，传输距离远，使得在各行各业中有广泛应用。其内部结构图如2-6所示。 图2-6 温湿度传感器内部结构图 Fig.2-6 Temperature and humidity sensor internal structure 2人体红外传感器HC-SR501 人体红外传感器HC-SR501是一种能检测人发射的红外线的传感器。人体红外传感器应用非常广泛，

44、比如楼道的灯控开关、物品防盗等。人体红外传感器的红外探测角为120度，这样可以避免外界的干扰，使用起来更方便21。当有人进入探测角范围时，会向外输出高电平，当人离开或者不在探测角范围内时，则会输出低电平，控制器可以通过输出的电平来判断有无人。其实内部结构如图2-7所示。 图2-7 人体红外传感器模块实物图 Fig.2-7 Human infrared sensor module physical map 3烟雾传感器 MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。MQ-2型烟雾传感器属于半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于高温时，半导体结合空气中

45、的氧分子，发生化学反应，形成氧负离子，使得半导体中的电子减少，传感器对外电阻增大。当与烟雾接触时，会引起表面电导率的变化22。利用这一点就可以获得这中烟雾的存在的信息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。因为一般家居环境中火焰常常伴随着烟雾，所以MQ-2在智能家居系统中也可以当做火焰传感器使用。其内部结构如图2-8所示。 图2-8 烟雾传感器内部结构图 Fig.2-8 Smoke sensor internal structure2.4 本章小结 本章主要介绍了智能家居系统的组成以及网络拓扑结构，各子系统在智能家居中起到的作用，给出了本论文的总体设计方案，系统完成后应该实现的功能包括局域网控

46、制、远程控制、环境监控、自动处理家居异常情况、远程报警等功能，还包括智能家居系统的硬件技术。第3章 智能家居系统的硬件设计与关键技术实现 相比国外的智能家居系统采用集中控制方式比如美国的X-10系统，考虑到我国人口众多，分布广泛，所以只适合以单个家居为单位的智能家居系统。在这类智能家居系统中，核心控制器是整个系统的核心，也是我国未来智能家居的发展的重中之重23。本文介绍一种以Arduino Mega2560为主从核心控制器的智能家居控制系统。智能家居控制系统中，硬件电路是这个系统的基础，它对整个系统的稳定性、控制和反馈的准确性都有直接影响。智能家居控制系统的硬件部分主要包括Arduino Mega2560控制器、继电器控制系统、红外转发系统、传感器系统、无线控制系统包括局域网控制系统和远程控制系统24等。其中传感器系统主要是有温湿度传感器、烟雾传感器、人体红外传感器等组成。3.1 智能家居继电器控制系统硬件设计 整个