家用电器远程控制系统硬件设计

家用电器远程控制系统硬件设计

魏诗明

台州市美诗儿电器有限公司，浙江省台州市，318000

摘要：随着科技的快速发展，网络通信和电子科技的发展，给人们生活带来了越来越多的便利。通过网络技术控制目标电器，有无线控制和有线控制两种方式。无线控制最大的优点是：控制端与被控端无数据线连接，使用起来非常便利。该设计与传统的无线控制技术相比，其最大的优点是：手机作为控制端，可以在世界各地漫游时，向被控设备发送控制指令。这种无线控制系统，只要作为控制端的手机和被控端的移动通信模块能够收到基站信号就能够正常工作，控制端和被控端实际上不存在距离上的约束。

关键词：家用电器；远程控制系统；硬件设计

引言

近年来，中国经济快速发展，人民生活水平不断提高，但同时伴随着CO2排放量的增长。进入新世纪以来，中国碳排放增速显著加快，在2004年左右超过美国成为全球最大碳排放国。2020年9月22日，中国国家主席习近平在联合国大会上提出中国将在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的战略目标，意味着节能减排将是中国未来几十年经济发展的重要工作之一。此外，大多数人工智能是数据驱动的，大量的数据对开发人工智能至关重要。而在建筑和空调行业，如何获得大量且种类丰富的数据，是在此领域应用人工智能技术需要克服的一大挑战。

1计算机远程控制系统在生产中的发展概况

在整个生产过程中，计算机远程控制系统涉及很多复杂专业的知识，诸如应用较多的计算机技术、过程控制技术、自动化仪表等。计算机远程控制系统最早并不是直接应用于化工生产中，而是经过了一个漫长的发展过程。早期的计算机系统稳定性较差、应用成本高，极大限制了计算机远程控制系统在工业生产中的应用。DDC控制是计算机控制技术所取得的具有历史性意义的一项创造，虽然其前期成本不低，但是相比之前更加灵活，操作性强，大大简化了中央控制室，解放了部分人力，对于计算机控制理论的研究与实践具有极为重要的意义。随着集成电路技术的发展和成熟，计算机远程控制系统在20世纪60年代经过不断的试验和完善，成功在20世纪70年代广泛应用于工业生产中。由于行业生产过程中对于控制的准确性要求，该项技术首先应用于化工、钢铁等领域，从中进行基础层面的调度和管理。随着科学技术的不断发展，计算机远程控制系统也在不断更新换代。进入21世纪后，计算机控制系统已经成为工业生产过程中必不可少的组成部分。

2硬件模块及电路设计

2.1LD3320语音识别

现今各种智能识别技术都可以还原为一种数学公式的计算过程。语音识别技术能够把复杂的语音信息转化为数学模型，然后令计算机进行识别。比较基本的语音识别过程有特征提取、模式匹配、参考模式库这3个基本内容。LD3320语音识别芯片基于自动语音识别（Automatic Speech Recognition，ASR）技术，是基于预设关键词表的非特定人语音识别技术。其通过训练得到语音字节的微小特征，得出相同语音的特定差别。再在统计的基础上得到各种语音在数学概率意义上的特征，将算法和建立的数学模型转化为特征相同的硬件上，并且应用于嵌入式系统中。在语音识别的过程中，把所获得到的语音内容转换为语音的频谱特征，然后和预设的关键词频谱进行相应对比，得出的最匹配结果即为识别的结果。LD3320芯片基于ASR技术，集成了语音识别处理器与外部电路，包含且不限于麦克风、AD转换器、DA转换器、输出接口。LD3320语音识别芯片所能识别的关键词能够在软件编程中进行自定义，可支持MP3格式播放，主控微操作系统可将MP3格式的数据送入LD3320语音识别芯片，从芯片的相应管脚输出音频信息。产品设计开发时，可以从立体声道耳机和单声道喇叭获得音频输出。

2.2IR02红外学习模块

红外遥控发射的输入电路获得了相应的操作指令之后，由大规模集成电路进行信息编码，最后由驱动电路将编码经过红外线的二次调制之后进行发射。红外遥控接收器对红外发射器所发射的红外遥控信号执行解调操作。IRO2模块是一个通用的红外遥控学习模块，支持学习普通NEC编码的红外遥控，然后根据指令重新发送学习到的代码，将遥控复制或集成到智能设备中。它有多种控制模式，串口简码或485MODBUS，可提供给上位机软件进行开发。可以通过配套的上位机，进行红外编码的学习与管理。

2.3家用电器蓝牙控制模块

本系统采用继电器模块控制家用电器。随着科技发展，智能继电器模块的应用越来越广泛，在智能家居系统中采用智能继电器，通过弱电来控制强电，通过强电实现智能家居系统内各类电器（如电视、空调、洗衣机、灯具等）的控制。通过给STM32芯片连接两个复合管驱动器ULN2803，可以实现驱动继电器、电机的功能，从而完成对智能家居系统内各种家用电器的开启与关停。

本系统采用市场主流WiFi芯片ESP8266作为WiFi控制模块，完成智能家居系统内传感器、家居设备数据的无线传输。ESP8266芯片由安可信（Ai-Thinker）公司生产，集成32位处理器、标准数字外设接口等模块，具有性能稳定、成本低、功耗低、模块集成度高等优点。ESP8266 WiFi模块目前被广泛应用于物联网行业，丰富的案例库能为智能家居系统设计提供较高价值参考。WiFi控制模块能够通过串口USART接收STM32内部数据，发送至云平台。

2.4移动通信网模块

移动通信模块基于TC35i新版西门子工业移动通信网手机模块，可同时支持手机收发中文信息和接收短波信息功能。电源范围为直流3.3V～4.8V,拥有2.5万A的峰值功率，可实现直接双向传输的语音短信数据和语音视频数据信号，使用接口连接器和天线连接器实现SIM卡读卡器口和天线的自动连接。基本技术参数SIM电压等级一般为3V/1.8V,TC35i的数据接口(CMOS电平)通过一个AT命令接口就可同时进行双向传输指令信号和数据。波特率为300b/s～115kb/s等，自动恢复时钟波特率一般为1.2kb/s～115kb/s。支持Text格式指令和PDU格式指令的SMS(Short Message Service,短消息)传输。

2.5印刷电路设计

印制电路板总体设计。尽量把所有器件放在一块面积大小为10cm*10cm的板子上，这样打样出来的板子最为便宜。由于是手工焊接，很容易产生虚焊的问题，在焊接完成以后还要进行进一步的测量。引起虚焊现象的重要因素有：使用了品质差的焊锡、没有使用足量的助焊剂或助焊剂质量不好、事先没有将印制电路板的焊接处清理干净，焊锡没有焊牢、电烙铁的温度不够或太高，印制电路板表面已经被氧化、没有正确把控住适当的焊接时间，元器件焊接得不紧、元件的引脚有氧化现象。

3系统软件设计

3.1系统软件流程

设计用STC12C5A60S2MCU的串口1和TC35i模块进行通信。MCU使用AT命令获取从TC35i模块最新接收到的SMS。读取短信后将Unicode编码送入字库芯片转码，再送入显示屏中显示；已经预先设定好的编号则直接显示在显示屏上。

3.2显示模块LCD12864驱动设计

该设计采用显示模块LCD12864来显示短信内容。PSB引脚为低电平时定义为串行通信，高电平时定义为并行工作模式。串行速度相对较慢，所占用的I/O端口相对较少，但使用串行通信无法进行读操作，并且无法检测到忙信号。由于该设计对波特率没有很高的要求，LCD12864驱动程序使用串行工作模式，PSB定义为低电平。连续发送一个完整的数据字节，需同时从一个高位字节发送一次到低位并且一次发送一位。同样，在传输时钟过程中，每个时钟位在同步时钟的上升沿和下降沿方向发送。LCDWR_SID是LCD12864的串行数据线，而LCDE_CLK是LCD12864的串行同步时钟线。

3.3移动通信网模块设计

移动通信模块使用的是TC35i模块，它和单片机通过串口连接，主要功能是在微控制器和用户移动电话之间建立数据通信桥。用户能够通过其手机向微控制器发送命令在显示屏显示相应的文本信息，并且单个芯片可以检测并控制要通过GSM模块返回到用户的手机的设备数据。单片机与GSM模块连接，AT指令UART发送。如果UART从GSM收到返回的“OK”,则连接成功否则不成功。在确保连接建立后，将GSM调制解调器设置为文本模式，以文本模式读取SMS,否则将显示为二进制模式。因此，将字符串“AT+CMGF=1”发送到GSM模块，GSM模块将SMS设置为文本模式下的索引1处。因为最新的SMS总是存储在索引1中，所以发送的数据是“at+CMGF=1”,其中1是消息的索引号。接下来，为了读取消息并发送它以显示字符串“AT+CMGR=1”被发送到GSM。这个字符串被发送到读取索引号1的消息，因为它是GSM中的SIM接收到的最新SMS。

4计算机远程控制系统的设计

生产过程的计算机远程控制系统随着科学技术的发展、应用对象的不同也在时刻发生变化，因此，没有一个计算机远程控制系统的标准模板。相对于西方一些发达国家的化工产业，我国化工工业也有着自身的发展模式和特点，每一家化工企业的控制过程都不尽相同。化工行业计算机远程控制系统从设计到实际应用都是一个不断矫正和完善的过程，涉及到工作计划的制订实施、计算机及仪表的选型，以及生产过程中每一个具体环节，诸如订货、验收、人员的安排及调度、原材料的验收和投产等。

4.1安全可靠

在实际生产过程中，很多化工生产现场环境都比较恶劣，各种外界干扰及不可控因素较多。对于控制计算机的安全可靠性有较高的要求。因为一旦计算机出现问题，整个控制系统都会失控，甚至直接瘫痪，造成产品质量不合格或人员伤亡事故。在任何行业的生产过程中，安全都是最为重要的，需要始终将其放在首位。首先，要高度重视工控机的性能，选择防振动、防尘、耐高温高压、抗电磁干扰等性能较强的型号和设备，从第一道环节对各类安全生产隐患进行把控。其次，要同时注意协同各项安全保护措施，对于异常数据的出现能够第一时间发出报警，配备不间断电源等。最后，要设置后备装置，以防生产过程中因为设备故障而影响生产。

4.2操作、维护及维修方便

操作方便主要是指系统操作、理解简单。过于复杂的计算机远程控制系统即便再先进，在国内也难以被大规模推广。复杂的操作过程会增加出错的概率，且很多化工企业的操作工综合素质较低，学习存在较大难度。维修主要分为软件和硬件两个方面，硬件上采用标准化的功能模板结构，便于维修人员排查问题，及时抢修。软件上需按规定配备检测和诊断程序，同时要兼有相应的容错程序，以便出现故障时能确保系统安全稳定运行。

4.3实时性强，通用性好

实时性是工业控制系统中最重要的原则之一。它要能在事件发生后第一时间做出反应，根据事故的严重程度，对优先级别较高的问题立刻进行控制和追踪，确保及时解决。通用性则侧重在实际应用过程中，要对存在的共性进行归集，特别是生产结构、模式等相似的工业类型，要考虑系统的通用性，以便后期根据各种不同的情况随时进行更新和改造。诸如计算机控制系统的输入输出信号统一为0~10mADC或者4~20mADC，这样的设置不仅能够满足正常生产运行，还能够适配大部分生产类型，具有较高的通用性。

5智能家居的发展趋势

目前，新兴技术逐渐融入到智能家居行业中，智能家居行业逐渐朝着智能化、融合化、绿色化的方向演进。未来的智能家居将打造成研发设计、生产制造、销售服务的全链路的行业标准，引领智能家居行业走向规范化发展的道路，提升整体行业的发展质量。具体从以下几方面展开：（1）控制方式智能化，家中的智能电器相互连通融合，数据共享，多种控制方式相结合，视觉和传感交互在智能设备的应用中将成为新兴的技术点。智能家居设备的发展趋势将是多模态交互。（2）技术标准的统一性，在智能家居的持续快速的发展中，新的技术标准、通信协议等也在不断涌现，为了营造良好的市场环境，有必要制定统一的标准，协议融合。（3）增强用户的体验感，现在的智能家居出现伪智能，名义上是一个智能单品，但是操作使用起来，并不是很便捷，功能设计的不够完美，设备操作步骤繁琐，导致用户体验效果不佳。

结语

在新时代的背景下，智能家居行业将智能科技融入居民生活，逐步的在提升行业的发展质量和效率，优化市场竞争的格局，营造全新的智慧物联家居空间，推进行业的可持续发展，创造更加美好的生活居住场景。现场总线控制系统作为计算机控制系统网络化背景下的产物，是顺应智能现场仪表而发展起来的一种开放式数字通信系统，成功将数字通信网络进行了全方位的延伸和扩展，能够加强不同行业间的横向联系，提高人们的整体生活水平，最终促进整个社会持续、健康、可持续发展。

参考文献

[1]刘硕，赵彦博，杜佳林，肖玉婷，岳梦歌.基于蓝牙的物联网智能家居系统设计[J].通信与信息技术，2020,(02):72-73+61.

[2]杨泽宇，曹伟，林丽.基于WiFi的可视化自动浇灌控制系统[J].信息与电脑(理论版),2021,33(21):13-15.