1 引言
“智能家居”一詞源于英文“Smart Home”,更早的提法是“Home Automation(家庭自動化)”,當時涉及的產品都與家庭自動化產品及配件有關,自動化、智能化是其重要特點[1]。幾年前,美國、歐洲、東南亞等經濟比較發達的地區先后提出了“智能住宅”(“智能家居”的另一種說法)的概念,其目標就是將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線(HBS)連接在一起,形成一個家庭智能化系統,從而可以對所有設備進行集中或異地監視、控制以及進行家庭事務管理,并保持這些家庭設施與住宅環境的和諧與協調。智能家居系統通常包括以下一些基本子系統:防盜報警系統、煤氣泄露探測系統、遠程醫療診斷及護理系統等
[2]。
在我國,智能家居也成為近年來一個最熱門的話題之一,作為“居室眼睛”的窗戶也成為了其中必不可少的一部分,引發了不少研究。如果它能在下雨且家中無人時,自動關閉以防止雨水進入損壞室內財物,當室內溫度過高或過低時,自動監測以通風調節,與此同時,將窗戶目前的開關狀態和開關緣由以短信的形式及時告知用戶。同時用戶可以以短信方式控制窗戶的開關,此時用戶的控制為最高控制級,從而達到遠距離“人機對話”的目的,使窗戶真正的智能起來。該通信智能窗的設計以51單片機為控制部件,GSM模塊為通信核心部件,多種傳感器為檢測裝置。
2 總體方案的設計
2.1 設計的主要任務及內容
1、自動監測室內溫度:利用室內的溫度傳感器DS18B20實時監控室內的溫度,并將采集到的信息傳至STC89C52單片機進行處理后與預先設置好的溫度值(溫度上限和溫度下限)作對比,從而控制連接窗體的電動裝置完成相應動作。
2、自動監測雨天下雨狀況:利用室外的濕敏傳感器DHT11實時監測室外的濕度,當濕度超過某一設定預置時,單片機將控制電機完成關窗這一動作。其中,溫、濕度的預值上下限均可通過短信方式進行設定和更改。
3、 與指定用戶的“短信會話”:一方面,在上述其中一種狀況發生時,將引起開關窗動作,此時一條關于窗戶當前狀態及動作緣由的信息將由單片機控制GSM模塊發送給被指定用戶的手機;另一方面,由于用戶作為整個系統的最高控制級,用戶可以根據自己的主觀意愿以短信的方式遠程控制窗戶動作,當窗戶完成動作后將給以反饋。
4、人性化防斷電功能:整套系統與家用電源相連接,同時系統還配備一組外圍的蓄電池,如果家用電源停止供電時,蓄電池將為整套系統提供約72小時電能,以保證整套系統在斷電情況下仍能正常工作。
圖1 系統流程框圖
5、增加新控制用戶的功能:原指定用戶手機可以發送相關短信來增加新的控制用戶,從而使控制更加便捷。
系統框圖如圖1所示。
2.2 系統的硬件構成
本系統主要包括窗體,控制部分以及用戶的手機三個部分,其中作為核心的控制部分又包含傳動裝置(安裝于窗體并與單片機相連)、傳感器(溫度和濕敏傳感器)、負責通訊的GSM模塊及單片機構成。
由于系統各部分的工作電壓不同,采用了變壓器將家用電壓220V轉換為9V以供GSM模塊工作,在電路板上增加了電壓轉換芯片[3]將9V電壓穩定于單片機所需要的5V電壓上。系統的結構框圖如圖2所示。
圖2 系統結構框圖
3 GSM模塊
全球移動通訊系統GSM(Global System for Mobile Communications)是由歐洲電信標準化協會(ETSI)開發的數字移動電話網絡標準,其目的是讓全球各地共同使用一個移動電話網絡標準,讓用戶使用一部手機就能行遍全球,也是我國目前覆蓋范圍最廣、功能最強、用戶最多的移動通信系統。GSM中的短信息業務SMS(定義于ETSI制定的標準GSM 03.40)提供的短信服務具有收費低廉、隨時隨地獲取信息的便利[4-5]。GSM模塊,是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上,具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊[6]。
圖3 GSM內部結構圖
因此,GSM模塊具有發送SMS短信,語音通話,GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能。簡單來講,GSM模塊加上鍵盤、顯示屏和電池,就是一部手機,內部結構圖如圖1-3所示。
目前,GSM模塊依然在廣泛的工業應用領域使用,在各行各業都能看到GSM模塊應用的產品。
4 軟件設計
4.1 實現中文短信發送
GSM模塊支持兩種方式來發送和接收SMS短信息,文本模式(text),PDU(protocol description unit)模式。文本模式只能發送普通的Ascii碼,要發送圖片,鈴聲等其他編碼的字符(如中文)就必須采用PDU模式。PDU模式中,可以采用三種編碼方式來編碼要發送的內容,分別是7bit編碼,8bit編碼,16bit編碼。7bit編碼用于發送普通的Ascii字符,8bit編碼通常用于發送數據信息,如圖片和鈴聲,而16bit編碼用于發送Unicode字符。三種編碼可以發送的最大字符分別是160,140,70 。本設計中采用了PDU模式下的16bit編碼。
具體步驟描述如下:
1、GB2321編碼到Unicode編碼的轉換
操作系統提供函數(有些系統不提供, 如deltaos)手動查表;
2、Unicode編碼到16bit編碼的轉換
得到的Unicode編碼后,還需要轉換成PDU的16bit編碼才可以正確的發送,這個轉換過程中Unicode編碼最開始的0xffff標志要去掉,在0xffff之后的內容才是真正的Unicode字符。Unicode是雙字節,根據系統如果是小端字節序(little-endian),也就是說,存儲的時候, 先存低位再存高位,例如:“開”的Unicode編碼是5F00,儲存的時候是005f,在轉換到16bit編碼的時候要轉換順序,如果是大端字節序(big-endian)如本系統,就不需要轉換了。正確計算16bit編碼的消息體長度,PDU規范中,包括消息體本身;正確設置First-Octet,TP-MR,TP-PID,TP-VP在PDU格式中,依次設置為:11,00,00, 08(以上都為16進制數)。
3、形成標準的發送包[7]。
5 應用和推廣
5.1 通信智能窗的基本應用
隨著科技的發展,人們生活水平的日益提高,智能窗的應用領域將變得越來越廣。從普通的居民樓、教學樓到高級酒店、別墅,大型商務樓,智能窗的優勢都將突顯得淋漓盡致。下面從該項目所設計的智能窗的應用對它進行介紹:
1、多樣性、可選擇度廣:由于整套系統結構簡單,所運用的模塊技術成熟,用戶完全可以根據自己的需求以及所處環境選擇所需功能。例如,在濕度較大的南方,可選擇具有濕度檢測功能的智能窗;對于使用液化氣的用戶,則可選擇能夠實時監測室內有害氣體含量的智能窗;而對于擔心家庭財產安全的用戶,則可選擇配備紅外線報警系統的智能窗。有了多種功能的搭配,滿足了用戶的不同需求。
2、低碳、節能環保:該系統設計采用了節能環保器件,在程序設計上,設計了節能模式,使系統在工作狀態下耗電量低。
3、安裝方便、美觀:智能窗系統中的傳動裝置采用單鏈條式電動開窗器,結構簡單、小巧,易于安裝,同時它采用鋁合金外殼,使其安裝后美觀且不影響窗戶的采光。而且該套系統廣泛用于平開式窗戶,安裝時不需改變窗體的構造,這樣極大地提升了它的實用性。
4、遠程控制:獨特的GSM通訊系統。現在的人們生活越來越離不開手機,這使通信智能窗應用更加便捷。對于遠在外地出差的人,通過短信和智能窗“對話”,便可了解室內環境的實時狀況;對于上班一族,回家之前開窗通風,可為自己和家人營造一個良好的居住環境。
5、應急功能:智能系統需要依賴電源為其提供能量,當出現停電這種特殊狀況時,外接的蓄電池將立即為系統提供長達72小時的電能供應[8],使智能窗繼續為人們提供服務。
5.2 智能窗的推廣及演變
通過智能窗我們可以將這套系統稍加修改,應用于更多設備,例如智能溫控、智能照明及智能集群等,一步一步向智能家居過度。下面將從幾個具體例子對其進行介紹。
在高檔商務建筑方面的貢獻:傳統商務建筑樓宇智能化的概念主要表現為對整個建筑公共區的照明、中央空調及給排水進行控制和檢測,起到節約能源的功效。作為智能窗系統的演變,可精細到對每個辦公區域光源的發光時間、亮度的控制,使其適應不同的辦公環境;根據每個辦公區域對溫度要求的不同,可自動調節到舒適的環境溫度;根據每個辦公區域空氣質量的監測,可自動提供新鮮空氣補給。這樣,在提升商務工作環境和工作群體健康的基礎上,將達到更加節能環保的目的。
在高檔住宅和豪華別墅方面的貢獻:家庭對每個人來說永遠是溫馨的港灣。將智能窗的設計理念應用于此,可使人們通過辦公室電腦遠程操控家電設備,提供保姆一站式服務;也可通過智能手機可視操控室內監控,起到貼身衛士的功效。系統在提升人們生活品味和家庭安全的同時,更注重了生活質量的提高。
在醫院病房方面的貢獻:醫院的作息時間相當嚴格,病房內的公用照明有統一的開啟和關閉時間,病房內的環境也有嚴格的恒溫恒濕要求,當這些“規矩”被破壞時,病房內的病人只能通過按鈴或對講的方式來告知醫護人員[9]。而由此演變出的智能系統能夠提供整套的醫院病房智能控制解決方案,對病房內和走廊內的公用照明提供定時定點控制,將保證病人的正常休息時間,對病房內的環境進行恒溫恒濕調節,將避免能源的浪費。
對學校教學樓方面的貢獻:在校園中,每幢教學樓都有管理員,集群智能窗、智能門以及智能照明的應用將使得管理員更方便的對每間教室進行管理,將實現管理員在監控室內就可以控制整幢樓教室門窗的開關以及照明燈的亮滅,避免了以往逐一排查帶來的麻煩,讓管理更加便捷、高效。
6 結束語
隨著物聯網時代的到來,人們對物品的控制要求越來越高,因而我國GSM技術必將得到飛速發展和廣泛應用。窗戶作為房屋極為重要的一部分,其智能性和安全性的研究受到了人們越來越高的重視。本文應用GSM模塊,STC89C52單片機以及多種傳感器進行了通信智能窗的設計和探究,重點討論了系統結構設計、軟件設計以及以其設計理念為核心演變出的一系列產品的應用。
參考文獻:
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