基于手機APP的智能家居遙控平臺設計

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(mǎn)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A(yíng)RM嵌入式處理器和Android技術(shù)的智能家居控制系統的設計方案。以STM32F107VCT6為控制主機主控芯片，通過(guò)以太網(wǎng)/WiFi通信接口連接家庭寬帶;通過(guò)RS485通信技術(shù)連接學(xué)習控制子機，子機可以對紅外遙控的按鍵編碼進(jìn)行學(xué)習存儲或者響應主機指令并對已儲存的編碼進(jìn)行還原和發(fā)送。最后，編寫(xiě)了基于A(yíng)ndroid系統的APP，通過(guò)APP對控制主機發(fā)出指令，就可以對家電設備進(jìn)行控制。實(shí)驗結果表明，該系統操作便捷，能夠較好地實(shí)現本地和遠程對家庭電器的集中智能控制。

引言

　　隨著(zhù)人們的生活水平大幅度提高，加之電子信息技術(shù)、計算機技術(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。智能家居系統實(shí)現了家居設備的智能化管理，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往往存在著(zhù)一些問(wèn)題，有的產(chǎn)品價(jià)格相對不高但功能單一，可操作性差，可擴展性也不好;而一些功能稍稍豐富的系統往往價(jià)格偏高、系統復雜，安裝和使用較吃力，不利于智能家居遙控系統的推廣和使用。低價(jià)高效、智能化、人性化、好擴展的智能家居遙控系統成為研究人員的理想目標。綜合考慮以上因素，本課題用ARM實(shí)現嵌入式控制主機結合學(xué)習型遙控器控制端的智能家居遙控系統^[1]，然后基于A(yíng)ndroid 平臺開(kāi)發(fā)智能手機的客戶(hù)端軟件^[2]，用戶(hù)使用手機通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )就可以實(shí)現集中智能控制家電。

1 系統設計

　　本系統由控制主機、學(xué)習控制子機及手機APP為主要構成部分，擁有學(xué)習模式和使用模式兩種模式，如圖1所示。學(xué)習模式：手機APP選擇要學(xué)習的按鍵，主機在SD卡中新建相應名字的文件夾，使用遙控器對子機發(fā)射要學(xué)習的紅外信號，子機將學(xué)習到的紅外編碼信息發(fā)送到主機儲存到對應的文件夾中。使用模式：手機APP發(fā)送遙控指令給主機，主機讀取相應文件夾內的編碼信息，發(fā)送給相應子機，子機將編碼信息還原成紅外信號發(fā)出，完成遙控動(dòng)作。手機可以通過(guò)連接家庭WiFi^[3]或者通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )^[4]訪(fǎng)問(wèn)控制主機。

　　整體布局方案如圖2所示。將控制主機與家庭路由連接，同時(shí)在每一個(gè)房間放置一個(gè)學(xué)習控制子機，學(xué)習控制子機用來(lái)學(xué)習紅外遙控載波發(fā)送給主機儲存或者接收主機發(fā)送來(lái)的控制指令并根據控制指令發(fā)出紅外信號遙控房間內的家電。本系統架構具有以下兩個(gè)優(yōu)勢：可以輕松實(shí)現家電的添加和配置，方便管理;擁有學(xué)習功能，可實(shí)現一個(gè)客戶(hù)端操控所有被控家居。

2 硬件設計

2.1 控制主機

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(shí)鐘配置功能強大，外部輸入晶振的范圍很大，自帶一個(gè)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，其MCU具有256KB FLASH、64kB RAM，同時(shí)包含各種基礎和先進(jìn)的通信接口。這些特征不僅使得家居系統的外圍擴展更為便捷，也使網(wǎng)絡(luò )通信性能更為強大。

2.1.2 通信模塊

　　整個(gè)通信模塊可以分為系統外部網(wǎng)絡(luò )和系統內部網(wǎng)絡(luò )，外部網(wǎng)絡(luò )是指通過(guò)路由器連接到外部Internet，內部網(wǎng)絡(luò )主要為本地RS485通信總線(xiàn)?？刂浦鳈C采用WiFi或者有線(xiàn)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，具有強大的存儲能力和片上處理能力?？刂浦鳈C通過(guò)RS485總線(xiàn)與各房間內的學(xué)習控制子機連接，RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有組建成本低、分布范圍廣、可靠性穩定性好等特點(diǎn)，而且有線(xiàn)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，主機具有SD卡接口電路。SD卡傳輸效率高、安全性好、價(jià)格低、穩定性好、簡(jiǎn)單易學(xué)、技術(shù)成熟。SD卡中存儲三種文件：①用戶(hù)信息文件，包括APP用戶(hù)名、密碼、權限信息等;②家電系統結構文件;③編碼文件組，包括與學(xué)習功能控鍵相關(guān)的文件名及存儲的載波頻率和編碼信息等內容。

2.2 學(xué)習控制子機

2.2.1 控制器模塊

　　子機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字節的SRAM、兩組超高速異步串行通信端口、內部高精度R/C時(shí)鐘，并且無(wú)需仿真器、編程器等，應用簡(jiǎn)單、成本低。

2.2.2 通信接口模塊

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

2.2.3 紅外學(xué)習模塊

　　紅外學(xué)習模塊可以實(shí)現紅外編碼的學(xué)習^[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(cháng)為940nm的紅外光信號接收能力強，且拒絕接收其他波長(cháng)的光信號，能夠排除其他信號帶來(lái)的干擾。紅外接收二極管接收紅外信號通過(guò)三極管放大傳送到單片機端口^[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(wú)紅暴，以增加使用壽命，且易與晶體管集成電路相匹配，結構較穩定堅固，可靠性高體積小，使用方便?；驹硎菃纹瑱C端口輸出信號通過(guò)三極管控制紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外信號。

3 手機APP軟件設計

　　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，是建立其他應用協(xié)議的基礎。通過(guò)創(chuàng )建Socket對象[8]，就可以通過(guò)打開(kāi)輸入輸出流來(lái)進(jìn)行通信。

　　如圖4，一個(gè)家庭只存在一個(gè)管理員賬戶(hù)，初次打開(kāi)手機APP進(jìn)入用戶(hù)注冊界面，注冊后再次登錄APP，管理員賬戶(hù)程序首頁(yè)具有設置、學(xué)習、控制三個(gè)功能按鈕，其普通賬戶(hù)只有控制功能。

　　如圖5，使用設置功能時(shí)，首先進(jìn)行房屋布局設置，用戶(hù)可根據家庭實(shí)際布局設置樓層、房間編號以及相應房間內的電器編號，同時(shí)用戶(hù)可以根據自己需求設置自己所需要的遙控器按鍵界面，手機APP與控制主機發(fā)生通信，主機根據用戶(hù)設置建立相應系統結構文件，以存儲該用戶(hù)的APP界面結構和信息。

　　使用學(xué)習功能時(shí)，在A(yíng)PP上選中指定樓層、房間的電器的需要學(xué)習的按鍵，APP將指令發(fā)送給控制主機，主機根據指令建立相應文件名的文件，以存儲將要學(xué)習到紅外信號數據。之后通過(guò)串口發(fā)送學(xué)習指令給相應房間的學(xué)習控制子機，收到學(xué)習命令的的學(xué)習控制子機對遙控器紅外編碼進(jìn)行學(xué)習并將學(xué)習到的編碼信息發(fā)送給主機存儲到相應文件夾中。以此完成學(xué)習過(guò)程，主機對APP發(fā)送學(xué)習成功回饋信息。

　　使用控制功能時(shí)，在A(yíng)PP遙控界面按下某一按鍵，APP發(fā)送指令給控制主機，主機根據指令讀取相應文件中的紅外編碼信息發(fā)送給指定房間的學(xué)習控制子機，該子機使用接收到的數據還原紅外信號控制家電的相應功能。

4 結論

　　本文介紹了基于A(yíng)ndroid平臺設計與實(shí)現智能家居遙控系統的過(guò)程，對系統的整體設計、軟硬件設計都進(jìn)行了細致的分析，并對各模塊的功能實(shí)現與通信進(jìn)行了說(shuō)明。系統的核心是STM32芯片，成本低、性能高，結合技術(shù)成熟、成本低廉的RS485本地通信，以手機APP程序實(shí)現編碼學(xué)習、存儲、遙控。整個(gè)系統成本較低、技術(shù)成熟、性能穩定，適宜普通家庭的使用，具有一定的使用價(jià)值。

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