文 献 综 述

一、引言

随着计算机科学技术的发展，智能化的应用越来越广泛，已经深入人类生活的各个领域，并对人类的居住环境和建筑业发展产生了巨大的影响，人们追求安全舒适、高效节能、并具有丰富人文环境的绿色住宅。但就现状而言，智能化程度还有待提高，以智能建筑中灯光控制系统为例，最平常的灯光还处于亮灭等简单状态，亮度可变的灯光也未被广泛应用，普通居室内的灯光由开关控制，当室内照度很高时，并不能及时关闭，在紧急情况下也不能及时点亮，一方面可能造成能源浪费，另一方面又不是十分便捷智能化，楼道中声控照明系统更是有待升级。生活节奏不断加快，生活水平不断提高，人们不断探索如何在繁杂的家务中脱身，为此研究已久的智能机器人能够很好的协助人类完成一些工作，但应用智能机器人限制较多，从系统级来设计智能家居更加合理与便捷。系统能够根据人为主观的意愿，协助人们管理家电，这就是智能家居系统。智能家居是在传统住宅的基础上，利用现代计算机技术、自动控制技术、网络通信技术、综合布线技术、安全防范技术、音频技术等将与家居生活有关的设施集成，实现对各种电器设备和安全防护设备的智能化控制，还有甚者实现家居设备之间、人与设备之间的信息互联、互通等一系列的智能想象，从而打造更加健康、高效、安全、便利的居住环境。

20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面世，住宅电子化出现，80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备的独立功能综合为一体后，形成住宅自动化概念。80年代末，随着通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信，家电，安保设备通过总线技术进行监视、控制和管理的商用系统，也即现在智能家居的原型。目前国际社会在智能家居行业暂时还没有形成一个公认的标准。不同的实际环境对智能家居提出了不同的要求与解决办法。不同的用户对智能家居也有着不同的要求，有的用户比较注重家用电器的智能化操控，有的用户喜欢人性化的娱乐体验，有的用户则更加关心家庭安全防范，更有用户希望建立相对全面的智能家居系统，满足多方面的需求。智能家居尚未普及，不单是其涵盖的服务太广泛，而是将各个功能整合成系统是最大限制条件，家用电器品牌型号纷繁，对外的接口各式各样，将所有家电连成一个控制网络尚需花费一定时日，更不必谈完善的智能家居。但是智能家居终将要发展，目前语音，图像识别，深度学习等技术不断在完善，智能家居的标准体系，统一规范在逐步完善，一旦整合时机成熟，智能家居将迅猛发展。本人将智能家居作为课题研究，是处于演示实验阶段，但系统的搭建，功能的整合可展现智能家居的雏形。本文是基于PSOC4的智能家居光照系统设计与实现，着重设计实现光照系统的智能化，同时又涵盖了与光照条件相关功能的智能化，如室温条件，人为因素等。

就以亮度控制为例。窗帘有遮光，保护隐私等功能，但传统的窗帘须人为手动控制，别墅或复式房的大窗帘，比较重，而且长，手动开合可能不太方便，延伸至玻璃窗的开合，高楼大厦或温室的玻璃橱窗并不适合人为操作，于是智能窗帘，自动开合设备在最近几年得到迅速发展，并广泛应用于智能大厦、高级公寓、酒店和别墅等实际生活领域。目前国内的自动窗帘产品按控制方式分大体上有三种：声控、光控、遥控，声控和遥控属于半自动类，而光控属于全自动式。但是光控由于结构比较复杂、虽在一定程度上实现了完全自动化，但尚未被广泛使用，其中缘由很多，最主要的是对于不同应用场合和人群，对光照的需求是不一致的，提前设定光强参数并不能达到预期效果，需要依据实际场景自适应调节。

PSOC作为常用的开发芯片已经广泛应用到各个领域，推动了计算机技术的普及。作为可编程片上系统，它具有灵活性高，集成度高，系统级开发等特点，PSOC4可编程片上系统架构将PSOC模拟和数字架构，CapSense电容式触摸技术以及ARM的低功Cortex-M0内核完美融合在一起。它不仅拥有强大的编译器和编程器，还允许用户将PSOC可编程硬件配置到定制的单芯片解决方案中。它拥有一个内容丰富的组件库，其中包含超过100个预先验证好的、可直接投产的模拟和数字组件，用户可以将它们拖放到自己的设计中，并将其按照多种应用需求进行配置。

设计中还包括安防演示模块，其采用主动式红外传感器对环境进行检测，将异常情况通过消息的实时通知用户，更加符合智能家居，智能安防的要求。语音识别控制模块是人通过语音控制家电的一个指令转换模块，从人的语言到机器可识别的指令，是一个比较复杂的过程。当前语音识别，图像识别技术不断攻关，切实应用于智能家居的环境中也指日可待，但也不是那样简单，科大讯飞和云知声在语音识别方面领跑，公布的识别率在97%，各大公司也纷纷宣告技术有重大突破。然而，在现实是生活场景中，噪声干扰，不同语言的识别，都是实实在在的问题，2016年扎克伯格在其家中展示他自己所打造的AI管家Jarvis，语音交互并不是那么理想，在语音交互方面的问题还有待解决，不难看出在真实环境中的语音识别不是那样简单，图像识别与信息的交互更是如此。

系统中要实现远距离无线通信功能，在现有的智能家居的无线信号传输过程中，一般有如下几种方式：

1、蓝牙技术：使用公用频段的一种短距离、低成本的无线接入技术，设备相对简单而性能稳定，在近距离的语言和数据传输业务应用较广泛。但成本高，而且电池寿命短。

2、Wi-Fi技术：通过无线电传输可靠安全的无线连接技术，传输速率快，覆盖范围广。但由于无线电易受干扰，且容易被拦截，保密性能不够高。

3、ZigBee技术：是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通讯技术。但其有效距离较短，并且传输速率较低。

随着移动通讯的广泛普及，GSM系统是目前移动通讯系统中应用最为广泛的一种系统。其中 GSM 短信通信方式，可以通过 GSM全球无线移动通讯网络，实现短信数据的传输，完成远程系统的控制。由于GSM网络信号覆盖面广，使其具有低价优质的远距离无线传输的特点，加上其性能稳定，可以为无线数据传输和远程监控设备的通信提供可靠的技术保障。基于以上分析，本次设计将借助最可靠、最成熟的GSM移动网络来实现家庭防盗模块的设计。

二、总体设计

本课题要求设计智能家居照明控制系统。采用PSOC4为控制芯片，家庭设备自动控制模块是当光强传感器或无线模块有信号输入时，通过控制器对信号进行分析处理，控制LED灯和电机相应地调节，控制百叶窗开合，调节室内光照条件，同时也参考温度参数，温度光照参数协同控制，使室内保持温度适宜，光强适宜的环境。家庭安防模块是利用红外人体感应模块，当检测到有人闯入时，实现声光报警，并短信通知主人，实现实时监控功能，方便户主及时应对处理。

总体设计框图如图1所示

图1 总体框图

2.1 控制模块

PSoC4是目前最新一代的PSoC芯片，采用32位ARM Cortex-M0架构，该芯片提供了大量的数字资源和模拟资源，虽然与51相比ARM Cortex-M0架构在编程习惯上发生了较大的改变，但是赛普拉斯公司提供的 PSoC Creator集成开发环境提供了大量可供调用的API函数弥补了这一不足，而且使得部分原本复杂的程序更加容易就能实现。其众多片内资源使得实际设计过程中，不必再为外部设备专门设计外部电路，只需在PSoC Creator集成开发环境中根据实际需求为各外部电路配置参数即可。PSoC4与其他PSoC芯片相比最大的优势在于其极低的能耗和极小的芯片尺寸，而这两点刚好符合系统的要求。

PSoC是Cypress公司的推出的针对高效硬件设计开发的可编程片上系统。其内置有高速处理器内核、可编程数字模拟模块、可编程数模模数转换器、常见通信接口驱动以及常见显示模块驱动等众多模块。PSoC现有PSoC 1、3、4、5共四个系列，分别对应了性能由低到高的顺序，以满足不同用户的不同需求。PSoC1相对性能较弱，不适合较大系统的设计。PSoC3采用最为常见的8位的80C51单片机作为内核，编程简单上手容易，但是无论是运行速度还是能耗控制上较采用32位 ARM Cortex-M0架构的PSoC4均落后，而且自身成本没有优势。PSoC5虽然能提供更加丰富的硬件资源和更加快速的运行效率，但是其昂贵的价格不能满足系统价格低廉的要求。基于以上考虑本设计选用次高级的、具有更低功耗和更小体积的CY8C4245芯片作为主要控制芯片。

2.2光强检测模块

本系统的自动模式是光线暗时自动闭合窗帘，开灯；光线亮时自动关闭窗帘，实现窗帘的自动化,用BH1750 作为感光元件来感受外界的光照情况， BH1750 是一种采用 I 2 C bus 接口的 16 位光强度传感器集成芯片。输出数字信号，可直接与PSOC通信。

2.3无线收发模块，

本设计中采用无线遥控控制方式，其中SC2262/SC2272 编码解码芯片组成无线发送接收模块，连接很简单只要直接连接即可，传输距离比较理想，一般能达到600米以上，如果和控制机或者微机配合使用时，会受到其时钟干扰，造成传输距离明显下降，一般实用距离在200米以内。

2.4电机驱动模块

本设计采用L298控制步进电机正转和反转演示百叶窗（或窗帘）的开合。既要控制开合，更要实现开合角度的控制。

2.5温度检测模块

采用温度传感器，采集温度数据，送入控制芯片，实现协同控制。

2.6语音识别模块

采集语音信号，实现语音信号与数字信号的双向转换，实现语音交互，可以利用语音操控家用电器。

2.7人体感应模块

从控制芯片控制的红外检测电路，主要用于安防方面。利用红外传感器实时监测在门窗口是否有人活动闯入，若有异常情况时可，红外模块将检测信息通过总线传送至主控制芯片。

2.8 GSM通信模块

使用GSM模块时，可直接利用GSM网络协议，成本低，传输时间块，传输通道独立不与其他通道共用。基于GSM短消息的远程控制技术，相比于传统的电话网、专用微波设备进行数据传输，所耗成本低、控制精度相对高，稳定性好。

三. 开发环境

PSOC是系统级开发芯片，与传统51单片机有所区别，与FPGA开发类似，利用Cypress 公司的PSoC Creator4 集成开发环境完成程序生成与系统调试工作。具体的步骤如：

1.打开PSoC Crator 后，如图3-1,3-2所示将出现StartPage可以获得来自Cypress 公司的最新技术支持以及示例工程。

图3-1 PSoC Creator的起始页 图3-2 项目创建页

2.在菜单中单击File-gt;New-gt;Project，在弹出的Design选项卡中选中当前使用的PSoC平台，本系统选用的是PSoC4平台，指定名称与存储路径后完成项目的新建。

3.进入原理图设计后，如图3-3所示，搭建系统TopDesign可从相应PSoC对应的库中搜索选用需要的硬件资源拉取到原理图并按位置摆放整齐，依据硬件配置说明完成初始化配置。

图3-3 TopDesign界面

4.双击该元器件可以对该器件进行初始参数的配置，完成配置后点击DataSheet按钮，查看该模块的用户手册， DataSheet中下部的API介绍。

5.仔细学习使用到的元器件的DataSheet 后，在原理图上利用Wire 完成布线操作，点击菜单栏中的Generate Application 生成各元器件的API。

6. 生成各个元器件的API 后，在项目栏中打开cydwr 后缀的文件，进行引脚分配。

7.在Source File 和Head File 中的c文件，h文件，添加C代码。

8. 最后连接USB串口线调试下载程序。点击菜单栏中Program将程序烧写进PSOC，实物进行功能测试。

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