基于物联网技术的智能家居控制系统与详细的软硬件架构

2023年4月29日发(作者：西安防静电地板厂家直销)

基于物联网技术的智能家居控制系统与详细的软硬件

架构

一、项目概述

1.1 引言

21世纪是信息化的世纪，各种电信与互联网新技术推动了人类

文明的巨大进步。你是否想一踏入家门就是一个光照度与温湿度舒适

的环境，你是否在外边担心家里的安全，你是否想遥在外边想通过一

个简单的 就能控制家里的电器等。本文介绍的数字化家居控制系

统可以使得人们可以通过手机或 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

仅是打一个简单的 。该系统除了具有手机远程控制功能后，还能

通过自身的传感器模块感知外界环境的具体情况，并会根据实际情况

进行适当的调整。在阴暗的天气里，它会自动打开灯，并调整灯的亮

度，在阳光充足的天气里，它会自动关闭灯，或者将灯光调暗，并且

与百叶窗配合来控制家里的光照度，由于本项目采用的是亮度可调的

LED灯，所以对于节能与环保都有很大的意义。此外，该系统还可

使家庭具有多途径报警、远程监控等多种功能，如果不幸出现某种险

情，您与110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、

时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居控制系统能够在不改变

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家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行

方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。

实现智能化离不开运算与控制单元，本系统采用

AT32UC3A0512作为主控器件，单片机应用系统由硬件与软件组成。

硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统

控制要求的接口电路与有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片

机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序与管理程序组成。在

单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、

硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件与软件紧密配合、协调一致，

就可以组成高性能的单片机应用系统。本课题完成了单片机应用系统

其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计与系统调试，根

据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。本设计的MCU

与各个芯片与模块的接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以

后的产品化提供了良好的基础。

本系统的手机远程控制是基于 交换网络的国际双音频通信标

准DTMF通信方式，程控交换信令作为系统控制命令，采用MT8870

双音频编解码电路实现，单片机通过MT8870识别来自手机的网络

的控制信号，用户只需拨通家中的控制手机就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、远程控制与安防操作；各种

传感器的检测是利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再

经过单片机进行数据处理，实现实时测控；短消息发送部分采用基于

SIEMENS TC35 GSM模块TC35 modem 与TI公司的电平转换

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芯片MAX3238等器件构成的移动终端的硬件电路可以完成短消息

收发等功能。

在设计本系统时，面对各种检测对象与大量控制单元，需要利用

各种接口标准与MCU进行连接，再经过MCU进行数据处理，实现

实时测控。而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集

控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块与芯片

的协调性，从而大大提高系统的可利用性。此次系统设计统正是把

MT8870、TC35 modem与AT32UC3A0512单片机有机的结合起

来，顺利的完成了本设计的要求。并且实现了学习型远程红外遥控功

能，为控制红外家电与设备提供了良好的基础。本系统也可应用于工

农业中,实现对无人值守岗位的远程监控等。

1.2 项目背景/选题动机

21世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。

自从1876年，Alexander Graham Bell（贝尔）发明 以来，世

界各国的 网络发展非常迅速，近十年来，中国的固定 业务呈现

出举世瞩目的快速增长。1997年8月局用 交换机总容量突破1

亿门，网络规模跃居世界第二位，2006年初固定 用户总数达到

35539.2万户，移动 用户达到40407.2万户，现代 网络是由

程控交换机进行交换传输，移动通信也从模拟时代走向了高度数字化

时代，它们的性能已经有了很大的进展，而且可靠性非常高。

正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发

展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。

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这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，

提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。

智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三

个方面。

随着新技术与自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越

来越强，各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的

设计提供极大方便。

手机远程控制作为一较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出

一定的优越性，不需进行专门的布线。同时，由于手机各地联网，可

以充分利用现有的手机网，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。

另外手机属双工通信手段。因此，这可以大大表达出利用手机进行遥

控的更大优越性。操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有

关信息，从而进行进一步的操作。手机遥控部分课题目前已有涉足者，

但是只是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常

生活尚有一定的差距，并不能完全表达出手机遥控方式的双工通信特

点。本设计正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，

利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息

反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与

智能化。

短信息服务（Short Message Service，SMS）是GSM（Global

System for Mobile Comm unication）系统中提供的一种GSM终

端（手机）之间，通过服务中心(service center)进行文本信息收发

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的应用服务，其中服务中心完成信息的存储与转发功能。短信息服务

作为GSM网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商与系

统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。由于

GSM网络在全国范围内实现了联网与漫游，具有网络能力强的特点，

用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂

贵的建网费用与维护费用。同时，他对用户的数量也没有限制，克服

了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、且网络监控的覆盖

范围与用户数量有限的缺陷。比传统的集群系统在无线网络覆盖上具

有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，

都使得这些应用得到迅速的普及。利用GSM短信息系统进行无线通

信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送与监控设备

的通信提供了一个强大的支持平台。在此以GSM网络作为数据无线

传输网络，它可以应用在银行、储蓄点机房监控、电信机房动力环境

监控、通信行业远端无人值守站机房监控与远程维护（如移动通信基

站、微波站、光纤中继站等）及其他无人值守点（如仓库、办公楼等）

监控及城市公用事业实时监控维护系统像煤气调压站、自来水、污水

管网与热力系统 、电力系统城市中电网等情况中。在此本系统采用

了Siemens公司新一代无线通信GSM模块TC35是，它设计小巧、

功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系统的设计。

另外本系统应用了当前最热门的物联网技术，在智能家居的终端

控制设备与相应的节点上采用无线技术，准备应用zigbee或者rf模

块来达到无线化的理想家居环境。另外，智能楼宇在当今也算是一个

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比较新兴的市场，国务院在十二五中就提到了物联网，也提到了智能

家居的发展方向以及重点公关，相信智能家居与物联网等相关技术会

在未来十年内得到很大的发展。

而且，在中国，智能家居的发展时间虽不长，但是从国内家电巨

头及网络巨子的纷纷出手试水智能家居市场以及许多国际大企业对

国内智能家居厂家并购案可以看出，中国智能家居市场潜在着巨大商

机。全国房地产业蓬勃发展，小区智能化已成为一项基本要求，再配

上智能家居，“全智能”的概念必然给房地产业带来新的卖点与活力，

因此“全智能”是二十一世纪房产开发商力推的主题，这也意味着，

我国智能家居产业迎来发展契机。

中国富有阶层正在形成，该部分家庭户均年收入在5.6万元以上，

人口约4460万人，1400多万户，占城市人口的10%，总人口的

3.5%，占全社会消费购买力总与6万亿元的17%左右，因此主要针

对这部分人的智能家居系统其市场总量为1400万套。正是在这种情

况下，近两年来，智能家居系统的销售数量与总销售额都呈现连续攀

升的势头，智能家居市场从南方沿海地区与内地大中型城市已经辐射

到西部地区。我国2009年智能家居市场规模达到420亿元，由于

一系列向好因素的刺激作用，之后几年市场规模增速将超过20%，

2015年预计将达到1240亿元。本项目正是居于此市场因素的考虑

下，逐手组建智能家居终端控制系统的，因此具有较大的市场前景。

二、需求分析

2.1 功能要求

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1.根据当前的环境温湿度与光照度与预先设置的温湿度与光照

度，自动通过调整百叶窗，PWM控制的LED日光灯，空调与加湿

器来对屋内环境进行调整，使得整体的环境达到最适宜状态。

2.可以通过手机远程控制家里的电器，用手机控制时候，通过语

音芯片先前录好的音，语音提示输入密码，输入密码正确后，会播放

事前设置好的语音命令，例如空调请按1，电视请按2等，然后按进

入以后会有相关的关闭与开启提示，按下相应的按键将可以控制家里

的电器。

3.能实现简单的防盗与报警功能，并能采取简单的处理，例如家里煤

气泄漏时候，能够自动检测到，并且打开抽气机，并通过短信及时的

报告屋主。能够防止外来人入侵，实现热释电等来人检测等。

4.能手动控制家里的LED灯光的亮暗程度，可以通过PWM来

控制整体的灯，实现节能与减排，这也符合当今时代倡导的环保。

5.在电脑端能够实现简单的控制与检测功能，可以通过远程网络

节点对该设备进行操作。

图1 系统架构

2.2 性能要求

1.该系统能够预留未来可能需要用到的电器的接口

2.该手机远程控制器能够方便使用与防止误操作，能够识别密码

与振铃信号，只有输入密码正确的条件下才能对电器与系统控制。可

以对密码进行修改，但修改必须经过特殊手段，例如在控制台端设置

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自锁开关，如果要修改密码，必须将该开关闭合，修改后，必须将该

开关断开才能正常工作。

3.该系统能够满足家庭用电安全，要求LED灯能够进行手动调

节亮度，另外要求该系统在设备不用时候能够关闭设备，防止耗电。

4.利用热释电等系统，能够实现代替门铃等与部分防盗功能，要

求有两种模式，家里有人与家里无人模式，门磁开关也一样。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

本文利用AT32UC3A0512、MT8870、TC35 modem与各类

家居传感器来实现相应的功能。

智能家居控制系统其硬件部分主要由五大部分构成，即手机远程

控制部分、控制单元、传感器数据采集系统、GSM模块TC35 modem

与接口与电源部分。手机远程控制部分主要由MT8870与电压检测

元件组成，它是系统中控制部分关键的元件，它与控制单元组成控制

部分功能；传感器数据采集系统、GSM模块TC35 modem与控制

单元完成报警等信号的处理与发送；电源部分则为各个部分提供工作

电源。

3.1.1系统硬件结构框图

系统硬件结构框图

3.1.2远程控制设计与分析

系统控制器由MT8870接收远端发送来的DTMF信号、并对其

进行解码，解码后的信号由中央处理单元采集处理。为了方便用户使

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用，系统设计了语音提示界面。手机远程控制系统一般工作在无人值

守环境，所以应具有自动离线、上线、复位功能。为了符合智能化要

求，系统采用AT32UC3A0512作为中央处理器。同时， 远程控

制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。系统组成

框图如图2.2-1示。由图可知，系统主要由振铃检测电路、模拟摘挂

机电路、DTMF音频解码电路、语音提示电路、中央处理单元

（AT32UC3A0512）、控制电路、电源电路等组成。

图2.2-1远程控制系统

图3.2-3双音频解码MT8870电路

图3.2-4语言录放电路

控制器通过手机耳机端口来实现相关的控制。

3.1.3传感器信号采集设计与分析

1.防火灾发生烟雾传感器

火灾烟雾传感器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警

器材，它工作可靠、体积小巧，火灾烟雾传感器是把烟雾信号转换为

电信号，电路设计时可以在背后设计专用的卡口以便地固定在墙体或

者天花板上，使用时通过设置在厨房的感温探测器与设置在客厅、卧

室等的感烟探测器，监视各个房间内有无火灾的发生。如有火灾发生

控制器发出声光与短信报警信号，通知家人及小区物业管理部门。家

庭控制器还可以根据有人在家或无人在家的情况，调节感温探测器与

感烟探测器的灵敏度。本系统采用NIS-09C型烟雾传感器。

2可燃气体泄漏传感器

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通过设置在厨房的可燃气体探测器，监视燃气管道、灶具有无燃

气泄漏。如有燃气泄漏家庭控制器发出声光报警信号，并联动关闭燃

气管道上的电磁阀，打开窗户进行排气，同时短信通知家人及小区物

业管理部门。这里采用TP-2高温型一氧化碳传感器报警器需在一氧

化碳浓度达到设定制值时系统应启动报警。

3防盗传感器

防盗报警的防护区域分成两部分，即住宅周界防护与住宅内区域

防护。住宅周界防护是指在住宅的门安装门磁开关，住宅内区域防护

是指在主要通道、重要的房间内安装热外释传感器。当家中有人时，

住宅周界防护的防盗报警设备(门磁开关)设防，住宅内区域防护的防

盗报警设备(热外释传感器)撤防。当家人出门后，住宅周界防护的防

盗报警设备(门磁开关)与住宅内区域防护的防盗报警设备(热外释传

感器)均设防。当有非法侵入时，家庭控制器发出声光报警信号，并

短信通知家人及小区物业管理部门。另外，通过程序可设定报警装置

的等级与报警器的灵敏度。

4温湿度传感器

这里采用DHT-11型湿度传感器，来实现室内温湿度的检测

5屋内温度自动调节传感器

通过设置在屋里的温度传感器，可以监测到温度有没有超过设定

值，如果超过了设定值，就自动打开吊扇或者通过学习型遥控装置打

开屋里面空调，调节室温，这里采用板上集成的温度传感器。

6屋内亮度自动调节传感器

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通过设置在屋里的光照强度传感器，可以监控到屋里的光照强度，

一旦屋里的光照强度在一定的范围之外时候，通过控制百叶窗与屋里

的照明灯装置来调节屋里的光照强度，使屋内光线在一个最合适的亮

度,这里采用板上集成对光照强度进行检测。

3.1.4 GSM模块的接口与设计

1 TC35模块组成

Siemens公司的TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射

频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。

作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据

信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟与数字功能。在不需要

额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR与EFR语音信道编码。

2 TC35模块通信电路

数据通信电路主要完成短消息收发、与微机机通信、软件流控制

等功能。TC35的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-T RS-232

接口电路标准，工作在CMOS电平(2.65V)。数据接口配置为8位

数据位、1位停止位、无校验位，可以在300bps～115kbps的波

特率下运行，支持的自动波特率为4.8kbps～115kbps（14.4kbps

与28.8kbps除外）。TC35模块还支持RTS0/CTS0的硬件握手

与XON/XOFF的软件流控制。

3 TC35模块与MCU连接方式

单片机与TC35一般采用串行异步通信接口，具有红外与通信电

缆两种连接方式其中电平转换及串口通信功能以TI公司的

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MAX3238芯片为核心，通信速度可设定，通常为19200bps。采用

红外接口的优点是单片机系统与手机电气隔离，相互不干扰，接口各

自独立，使用方便；缺点是通信距离较短，红外传播的方向性对接口

相对位置有要求。采用电缆连接时，数据传输的可靠性较好；其主要

缺点是接口的电气参数不兼容，设计不当时就会对手机的通信质量产

生影响。这个单片机系统其实就是一个具有GPRS功能的GSM手

机模块加上单片机控制系统，GSM手机模块主要是用来建立无线信

道，接收与发出短消息。单片机系统用来控制手机模块，并且对收到

的短消息信息进行解释并执行，目前全国共有8种短消息格式包含从

互联网平台发出的短消息。本系统采用通信电缆的连接方式。

3.1.4红外学习遥控设计

1.红外学习遥控的设想

对于空调、电视等需要红外遥控器才可控制的红外控制类家电仅

靠接通交流电源是无法使其进入工作状态的。因此本人提出使用红外

遥控进行对空调以及其他红外电气的控制方案，使系统具有的红外学

习功能可实现对这类家电的有效控制。又如红外插座、红外开关等，

虽然红外遥控在家电产品中有广泛应用，但各产品的遥控器不能相互

兼容，目前市面上常见的万能遥控器只能对某几种产品进行控制，不

是真正的“万能”。本系统可以学习并记忆各种红外控制类家电的遥

控指令，利用单片机对遥控器的发射信号的波形进行测量，然后将测

量的数据回放，由于只关心发射信号波形中的高低电平的宽度，不管

其如何编码，因此做到了真正的“万能”。也为整个控制器的实现提

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供了良好的基础。当用户可以通过任意操作方式对这类家电进行控制

时，红外插座或开关会向受控电器发送相应的红外遥控指令，从而控

制电器的运行状态。

2红外学习遥控的实现

经过充分的论证与研讨，本系统采用各设备集中控制的方式实现。

集中各设备的方法是首先对各设备的红外遥控信号进行识别并存储，

然后在需要时进行还原，以控制对应设备动作。由单片机构成集中控

制器，它是自学习与还原的核心部分，红外接收部分由CX20106解

调电路或一体化红外接收头组成，发射部分有红外发光管极其驱动部

分组成。

通常，红外遥控器将遥控信号调制在38KHz的载波上，经缓冲放大

后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去。二进制脉冲码的

形式有多种，其中最为常用的是PWM码(脉冲宽度调制码)与PPM

码(脉冲位置调制码)。PWM码以宽脉冲表示1，窄脉冲表示0。PPM

码脉冲宽度一样，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1，码位窄

的代表0。

遥控编码脉冲信号（以PPM码为例）通常由引导码、系统码、

系统反码、功能码、功能反码等信号组成。引导码也叫起始码，由宽

度为9ms的高电平与宽度为4.5ms的低电平组成（不同的遥控系统

在高低电平上有一定的区别），用来标志遥控编码脉冲的开始。系统

码也叫识别码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其他遥控系统，

防止各种遥控系统的误操作。功能码也叫指令码，它代表了相应的控

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制功能，接收机中的微控制器可根据功能码的数值完成各种功能操作。

系统反码与功能反码是系统码与功能码的反码，反码的加入是为了能

在接收端校对传输过程中是否产生差错。为了提高抗干扰性能与降低

电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz（周期为26.3ms）

的载波信号进行脉幅调制（PAM），再经缓冲放大后送到红外发光

管，将遥控信号发射出去。

由于遥控器的二进制编码脉冲有一定的宽度，而且它的高低电平

均不断的交替变化，因此容易让我们想到一种容易且方便的方法，脉

宽测量。虽然它的二进制脉冲的高低电平的宽度有所不同，但它们大

都是毫秒级的，因而，采用单片机的定时器来测量它的脉冲宽度，然

后存储，还原是完全可以实现的。实际证明这种思路是可行的，而且

电路简单，容易实现。

应关系并且存储到外部储蓄器24C256中等待发送调用。

图3.5-1 红外学习遥控接收电路设计

图3.5-2 红外学习遥控发送电路设计

3.1.5电源电路设计

1． 5V开关电源稳压器电路

由于本控制系统单元电路较多对且对5V电源的要求比较高，其

中TC35模块的突发耗电电流峰值可达2.5A,故外加的稳压器件必须

达到足以提供TC35与其他电路额定电流的条件。在本系统中,采用

了开关电源芯片LM2576完成从12V到5V的转换,作为对TC35

终端与其他5V单元的供电。必须特别注意的是,如图3.3-1由

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LM2576芯片完成开关电源转换需要大功率的电感(100uH)与电容,

以提高储能的能力,达到单元电路的耗电需求。LM2576为5.0V3A

开关电源稳压器。

图3.3-1 5V开关电源稳压器电路

2 其他电源稳压器电路

本系统的设计还涉及到传感器信号采集与信号放大，其中放大器

等部分需要用到±12V电源，因此根据设计要求增加了7812/7912

三端稳压IC提供的±12V电源，如图3.3-2由220V的交流电经交

流变压器T降压，变成12V交流电，低压交流电再经过全桥整流变

成脉动直流17V左右为三端稳压提供电源，脉动直流电经4700u电

解电容与0.1u瓷片电容滤波，送到稳压块输入端，进行稳压，然后

由三端稳压输出端输出±12V直流电压，±12V直流电再由2200u

与0.1u电容进行滤波，输出比较稳定的±12V直流电压，给模块供

电源。

图3.3-2 ±12V电源稳压器电路

3.2 硬件平台选用及资源配置

硬件平台选用2011 ATMEL AVR 校园设计大赛提供的

EVK1105，它具有光照传感器，而且是基于AT32UC3A0512的一

款开发板与实验平台，具有较高的主频率，且带有一个彩色液晶屏，

而且带有wifi接口与usb，网络接口，符合本设计的相关要求

3.3系统软件架构

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软件架构主要选用了操作系统，操作系统初步方案选定为

uC-OS II 或者Free RTOS，然后在上面编写相应的程序，通过操

作系统，使得整体的硬件资源集成在一起，实现统一的调度，另外在

该系统中选用GUI图形界面，使得显示可以更加的人性化，并且根

据实际情况可以增加触摸屏等功能。

系统软件架构图

3.4 系统软件流程

程序运行流程图

3.4 系统预计实现结果

实现一个可以通过手机进行远程控制家里电器，可以自动根据环

境的温湿度与光照度自动调整室内的环境，此外还带有手动智能调节

室内LED灯光照度的强弱，具有简单的防盗与气体泄漏报警功能，

可以在电脑端监测与控制家里的电器，带有网络功能一个智能家居系

统

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