基于手機(jī)APP的智能家居遙控平臺設(shè)計(jì)

作者/ 高帆 戴瑞 厲雪 于淼 淮陰工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院(江蘇 淮安 223003)

摘要：為滿足人們對日漸繁多的家庭電器的智能化管理需要，本文提出了一種基于ARM嵌入式處理器和Android技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。以STM32F107VCT6為控制主機(jī)主控芯片，通過以太網(wǎng)/WiFi通信接口連接家庭寬帶;通過RS485通信技術(shù)連接學(xué)習(xí)控制子機(jī)，子機(jī)可以對紅外遙控的按鍵編碼進(jìn)行學(xué)習(xí)存儲或者響應(yīng)主機(jī)指令并對已儲存的編碼進(jìn)行還原和發(fā)送。最后，編寫了基于Android系統(tǒng)的APP，通過APP對控制主機(jī)發(fā)出指令，就可以對家電設(shè)備進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作便捷，能夠較好地實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程對家庭電器的集中智能控制。

引言

　　隨著人們的生活水平大幅度提高，加之電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛崛起，人們對日常家居環(huán)境有了更高的需求和渴望。智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家居設(shè)備的智能化管理，使原本繁瑣、笨拙的家居管理方式逐漸變得智能化、人性化。但目前市面上智能家居系統(tǒng)往往存在著一些問題，有的產(chǎn)品價格相對不高但功能單一，可操作性差，可擴(kuò)展性也不好;而一些功能稍稍豐富的系統(tǒng)往往價格偏高、系統(tǒng)復(fù)雜，安裝和使用較吃力，不利于智能家居遙控系統(tǒng)的推廣和使用。低價高效、智能化、人性化、好擴(kuò)展的智能家居遙控系統(tǒng)成為研究人員的理想目標(biāo)。綜合考慮以上因素，本課題用ARM實(shí)現(xiàn)嵌入式控制主機(jī)結(jié)合學(xué)習(xí)型遙控器控制端的智能家居遙控系統(tǒng)^[1]，然后基于Android 平臺開發(fā)智能手機(jī)的客戶端軟件^[2]，用戶使用手機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)集中智能控制家電。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)由控制主機(jī)、學(xué)習(xí)控制子機(jī)及手機(jī)APP為主要構(gòu)成部分，擁有學(xué)習(xí)模式和使用模式兩種模式，如圖1所示。學(xué)習(xí)模式：手機(jī)APP選擇要學(xué)習(xí)的按鍵，主機(jī)在SD卡中新建相應(yīng)名字的文件夾，使用遙控器對子機(jī)發(fā)射要學(xué)習(xí)的紅外信號，子機(jī)將學(xué)習(xí)到的紅外編碼信息發(fā)送到主機(jī)儲存到對應(yīng)的文件夾中。使用模式：手機(jī)APP發(fā)送遙控指令給主機(jī)，主機(jī)讀取相應(yīng)文件夾內(nèi)的編碼信息，發(fā)送給相應(yīng)子機(jī)，子機(jī)將編碼信息還原成紅外信號發(fā)出，完成遙控動作。手機(jī)可以通過連接家庭WiFi^[3]或者通過移動網(wǎng)絡(luò)^[4]訪問控制主機(jī)。

　　整體布局方案如圖2所示。將控制主機(jī)與家庭路由連接，同時在每一個房間放置一個學(xué)習(xí)控制子機(jī)，學(xué)習(xí)控制子機(jī)用來學(xué)習(xí)紅外遙控載波發(fā)送給主機(jī)儲存或者接收主機(jī)發(fā)送來的控制指令并根據(jù)控制指令發(fā)出紅外信號遙控房間內(nèi)的家電。本系統(tǒng)架構(gòu)具有以下兩個優(yōu)勢：可以輕松實(shí)現(xiàn)家電的添加和配置，方便管理;擁有學(xué)習(xí)功能，可實(shí)現(xiàn)一個客戶端操控所有被控家居。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制主機(jī)

2.1.1 主控模塊

　　本文采用成本低、性能高的STM32F107VCT6作為主控芯片，具有以太網(wǎng)和USB功能。該芯片時鐘配置功能強(qiáng)大，外部輸入晶振的范圍很大，自帶一個RTC實(shí)時時鐘模塊，其MCU具有256KB FLASH、64kB RAM，同時包含各種基礎(chǔ)和先進(jìn)的通信接口。這些特征不僅使得家居系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展更為便捷，也使網(wǎng)絡(luò)通信性能更為強(qiáng)大。

2.1.2 通信模塊

　　整個通信模塊可以分為系統(tǒng)外部網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，外部網(wǎng)絡(luò)是指通過路由器連接到外部Internet，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主要為本地RS485通信總線?？刂浦鳈C(jī)采用WiFi或者有線方式連接家庭路由。WiFi模塊采用成熟的ESP8266網(wǎng)絡(luò)解決方案，具有強(qiáng)大的存儲能力和片上處理能力。控制主機(jī)通過RS485總線與各房間內(nèi)的學(xué)習(xí)控制子機(jī)連接，RS485總線網(wǎng)絡(luò)具有組建成本低、分布范圍廣、可靠性穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而且有線方式保密性好，不易被盜用。

2.1.3 信息存儲模塊

　　存儲方式選擇SD卡存儲，主機(jī)具有SD卡接口電路。SD卡傳輸效率高、安全性好、價格低、穩(wěn)定性好、簡單易學(xué)、技術(shù)成熟。SD卡中存儲三種文件：①用戶信息文件，包括APP用戶名、密碼、權(quán)限信息等;②家電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)文件;③編碼文件組，包括與學(xué)習(xí)功能控鍵相關(guān)的文件名及存儲的載波頻率和編碼信息等內(nèi)容。

2.2 學(xué)習(xí)控制子機(jī)

2.2.1 控制器模塊

　　子機(jī)的核心控制器模塊主要由STC15F60S2芯片、鎖存器74LS373、62256拓展存儲器、晶振等組成^[5]。STC15F60S2芯片具有2048字節(jié)的SRAM、兩組超高速異步串行通信端口、內(nèi)部高精度R/C時鐘，并且無需仿真器、編程器等，應(yīng)用簡單、成本低。

2.2.2 通信接口模塊

　　子機(jī)的通信接口主要由九針串口電路組成，可與485總線連接。其特點(diǎn)是低功耗關(guān)斷模式可以減小功耗，高集成度片內(nèi)最低只需要4個電容即可工作。

2.2.3 紅外學(xué)習(xí)模塊

　　紅外學(xué)習(xí)模塊可以實(shí)現(xiàn)紅外編碼的學(xué)習(xí)^[6]，其主要由紅外接收二極管、LED發(fā)光二極管、74LS06反相器、電阻等組成。紅外接收二極管對于紅外發(fā)光二極管發(fā)射出的波長為940nm的紅外光信號接收能力強(qiáng)，且拒絕接收其他波長的光信號，能夠排除其他信號帶來的干擾。紅外接收二極管接收紅外信號通過三極管放大傳送到單片機(jī)端口^[7]。

2.2.4 紅外發(fā)射模塊

　　紅外發(fā)射模塊主要由紅外發(fā)光二極管、8550三極管、LED發(fā)光二極管、74LS06反相器、電阻等組成。紅外發(fā)光二極管無紅暴，以增加使用壽命，且易與晶體管集成電路相匹配，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定堅(jiān)固，可靠性高體積小，使用方便?；驹硎菃纹瑱C(jī)端口輸出信號通過三極管控制紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外信號。

3 手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)

　　Android在網(wǎng)絡(luò)編程方面提供了非常好的支持。Socket編程是比較底層的網(wǎng)絡(luò)編程方式，是建立其他應(yīng)用協(xié)議的基礎(chǔ)。通過創(chuàng)建Socket對象[8]，就可以通過打開輸入輸出流來進(jìn)行通信。

　　如圖4，一個家庭只存在一個管理員賬戶，初次打開手機(jī)APP進(jìn)入用戶注冊界面，注冊后再次登錄APP，管理員賬戶程序首頁具有設(shè)置、學(xué)習(xí)、控制三個功能按鈕，其普通賬戶只有控制功能。

　　如圖5，使用設(shè)置功能時，首先進(jìn)行房屋布局設(shè)置，用戶可根據(jù)家庭實(shí)際布局設(shè)置樓層、房間編號以及相應(yīng)房間內(nèi)的電器編號，同時用戶可以根據(jù)自己需求設(shè)置自己所需要的遙控器按鍵界面，手機(jī)APP與控制主機(jī)發(fā)生通信，主機(jī)根據(jù)用戶設(shè)置建立相應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)文件，以存儲該用戶的APP界面結(jié)構(gòu)和信息。

　　使用學(xué)習(xí)功能時，在APP上選中指定樓層、房間的電器的需要學(xué)習(xí)的按鍵，APP將指令發(fā)送給控制主機(jī)，主機(jī)根據(jù)指令建立相應(yīng)文件名的文件，以存儲將要學(xué)習(xí)到紅外信號數(shù)據(jù)。之后通過串口發(fā)送學(xué)習(xí)指令給相應(yīng)房間的學(xué)習(xí)控制子機(jī)，收到學(xué)習(xí)命令的的學(xué)習(xí)控制子機(jī)對遙控器紅外編碼進(jìn)行學(xué)習(xí)并將學(xué)習(xí)到的編碼信息發(fā)送給主機(jī)存儲到相應(yīng)文件夾中。以此完成學(xué)習(xí)過程，主機(jī)對APP發(fā)送學(xué)習(xí)成功回饋信息。

　　使用控制功能時，在APP遙控界面按下某一按鍵，APP發(fā)送指令給控制主機(jī)，主機(jī)根據(jù)指令讀取相應(yīng)文件中的紅外編碼信息發(fā)送給指定房間的學(xué)習(xí)控制子機(jī)，該子機(jī)使用接收到的數(shù)據(jù)還原紅外信號控制家電的相應(yīng)功能。

4 結(jié)論

　　本文介紹了基于Android平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智能家居遙控系統(tǒng)的過程，對系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)都進(jìn)行了細(xì)致的分析，并對各模塊的功能實(shí)現(xiàn)與通信進(jìn)行了說明。系統(tǒng)的核心是STM32芯片，成本低、性能高，結(jié)合技術(shù)成熟、成本低廉的RS485本地通信，以手機(jī)APP程序?qū)崿F(xiàn)編碼學(xué)習(xí)、存儲、遙控。整個系統(tǒng)成本較低、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，適宜普通家庭的使用，具有一定的使用價值。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第43頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。