基于Android平臺與SMS的智能家居能量管理系統(tǒng)※

紀(jì)盼瑩，李帥

（1.中南民族大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，武漢430074；2.華中科技大學(xué)）

引 言

智能電網(wǎng)是電力行業(yè)比較時髦并且很有發(fā)展前景的行業(yè)，作為智能電網(wǎng)中非常重要的家庭用電單元，其用電智能化程度是智能電網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)?；贏ndroid平臺與SMS技術(shù)的智能家居能量管理系統(tǒng)著眼于智能家居能量管理，試圖把人們?nèi)粘Ｉ钪械囊恍┏Ｓ迷O(shè)備進(jìn)行簡單的改造來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家用電器、了解家庭用電情況的功能，從而實現(xiàn)家居用電的智能化。

相對于總線、以太網(wǎng)以及電力線等有線通信方式以及WiFi、ZigBee等無線通信方式來說，基于SMS與TR24無線通信模塊的方案實現(xiàn)起來比較簡單，成本較低，而且可靠性也比較高。

1 總體設(shè)計框圖

該系統(tǒng)可分為以下三個部分：基于Android平臺的手機客戶端；以STC12C5A60S2單片機為主控單元、用于實現(xiàn)與手機客戶端以及智能插座通信的智能電表部分；以STC89C52RC單片機為主控單元，用于實現(xiàn)與智能電表通信并控制電器開關(guān)的智能插座部分。智能家居總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能家居總體結(jié)構(gòu)圖

其中，基于Android平臺的手機客戶端用于發(fā)送對智能電表的控制指令或者接收智能電表反饋回來的信息。智能電表通過SIM300模塊實現(xiàn)與手機客戶端的通信，接收來自手機客戶端的控制指令，并經(jīng)過處理后將此控制指令通過TR24無線傳輸模塊發(fā)送到相關(guān)智能插座；智能電表也可以通過TR24無線傳輸模塊接收來自智能插座反饋回來的信息，并經(jīng)過處理后通過SIM300模塊送至手機客戶端。智能插座通過TR24無線傳輸模塊實現(xiàn)和智能電表的通信，對相關(guān)電器進(jìn)行控制，或?qū)χ車鸂顩r（溫度等）進(jìn)行監(jiān)測。

2 硬件設(shè)計

2.1 智能電表總體結(jié)構(gòu)

智能電表主要的作用是實現(xiàn)與手機客戶端的遠(yuǎn)程通信以及與各個智能插座近距離無線通信。目前實現(xiàn)的功能只是對家用電器的控制，以后會進(jìn)一步加入對家居的監(jiān)測（包括溫度、用電功率等），不斷擴充智能電表的職能。通過SIM300模塊實現(xiàn)與手機客戶端的通信，通過TR24無線傳輸模塊實現(xiàn)與智能插座的通信。智能電表的總體結(jié)構(gòu)略——編者注。

2.2 智能電表電路設(shè)計

2.2.1 控制器電路設(shè)計

智能電表控制器采用STC12C5A60S2單片機，此系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘／機器周期（1T）的單片機，是高速／低功耗／超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換（250kbps）?？刂破麟娐穲D如圖2所示。

圖2 控制器電路圖（智能電表）

2.2.2 SIM300模塊電路設(shè)計

SIM300模塊是小體積即插即用模塊中完善的四頻GSM／GPRS，解決方案使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，這使得具備GSM／GPRS 850／900／1800／1900MHz功能的SIM300以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM300模塊電路略——編者注。

2.2.3 供電、顯示等電路設(shè)計

智能電表供電單元由常用的220V轉(zhuǎn)9V的充電器和線性穩(wěn)壓器MIC29302、78M05構(gòu)成，其電路圖如圖3所示。

圖3 穩(wěn)壓電路圖

顯示屏采用Nokia 5110液晶顯示屏，可以方便地顯示任何英文、數(shù)字、中文和圖形等信息，而且價格很便宜。電路接口如圖4所示。

圖4 顯示屏電路圖

為了能和PC機通信，以實現(xiàn)單片機程序的燒入等功能，采用MAX3232芯片來構(gòu)成收發(fā)器，收發(fā)器電路略——編者注。

STC12C5A60S2單片機提供了兩組串口，可以用單片機串口配置電路進(jìn)行選擇配置，此圖略——編者注。

2.2.4 TR24無線收發(fā)模塊電路設(shè)計

無線收發(fā)模塊選用TR24，該模塊頻率范圍為2400（1／2M可選）～2485MHz，工作電壓為2.1～3.6V，可編程輸出功率為－15／－5／0／5dBm，調(diào)制方式為GFSK／FSK。

TR24無線收發(fā)模塊電路圖略——編者注。

3 智能插座總體結(jié)構(gòu)

智能插座主要的作用是實現(xiàn)與智能電表的近距離通信以及控制插座上各個電器的運行狀況。通過TR24無線傳輸模塊實現(xiàn)與智能電表的通信。智能插座的總體結(jié)構(gòu)圖略——編者注。

3.1 智能插座電路設(shè)計

3.1.1 控制器電路設(shè)計

智能插座控制器采用STC89C52RC單片機，此為宏晶科技推出的新一代高速／低功耗／超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘／機器周期和6時鐘／機器周期可以任意選擇。用戶應(yīng)用程序空間為8KB?？刂破麟娐穲D略——編者注。

3.1.2 TR24無線收發(fā)模塊電路設(shè)計

智能插座端TR24無線收發(fā)模塊電路圖5所示。

3.1.3 接口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

通過PL2303芯片實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到PC機與STC89C52RC單片機通信的目的。PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232－USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉(zhuǎn)換，能夠方便嵌入到各種設(shè)備。該接口轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖5 TR24無線收發(fā)模塊電路圖（智能插座端）

3.1.4 供電電路設(shè)計

智能插座供電電路將220V交流市電通過變壓器變成交流15V，然后由二極管1N4007組成的整流橋變成直流，再由芯片78M05穩(wěn)壓到5V。供電電路如圖7所示。

4 軟件設(shè)計

4.1 智能電表控制器軟件設(shè)計

智能電表控制器軟件設(shè)計可分為兩層：底層和上層。底層是整個軟件控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，主要包括LCD模塊、定時器模塊、SIM300模塊、串口模塊等的驅(qū)動。上層通過調(diào)用底層提供的接口，完成界面顯示、無線通信、串口通信等功能。智能電表控制器的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。其控制流程圖如圖9所示。

圖6 PL2303接口轉(zhuǎn)換電路圖

圖7 供電電路圖

圖8 智能電表控制示意圖

4.2 智能插座控制器軟件設(shè)計

智能插座控制器只需要檢測與TR24的IRQ引腳連接的I／O口是否產(chǎn)生中斷，然后進(jìn)行相關(guān)控制。主要代碼都是關(guān)于TR24驅(qū)動的，這些內(nèi)容都可以在相關(guān)芯片手冊上查閱得到，這里不再贅述。

4.3 手機客戶端軟件設(shè)計

智能手機市場中，Android操作系統(tǒng)占很大比例，使用人數(shù)眾多。Android平臺以其開放性的優(yōu)勢吸引了越來越多的開發(fā)者，隨著用戶和應(yīng)用的日益增多，Android平臺也漸漸走向成熟。

圖9 智能電表控制流程圖

4.3.1 設(shè)計概況

系統(tǒng)主要包含了主界面模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電器控制模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、截取和處理消息包模塊、短信發(fā)送模塊、時間獲取及顯示模塊共7個子模塊。系統(tǒng)設(shè)計模塊圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)設(shè)計模塊圖

主界面模塊：此為軟件啟動后默認(rèn)進(jìn)入的界面，此界面可分別進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置模塊和電器控制模塊。

系統(tǒng)設(shè)置模塊：在此模塊下可選擇要控制的智能插座和電器，點擊保存即可退回到主界面。

電器控制模塊：在此模塊下可對所選電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并且可以顯示所選電器目前的開關(guān)狀態(tài)。

數(shù)據(jù)存儲模塊：采用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫，對軟件各狀態(tài)變量進(jìn)行存儲。

截取和處理消息包模塊：采用廣播接收的方式對消息包進(jìn)行處理，利用BroadcastReceiver類及其onReceive函數(shù)，實時監(jiān)測消息的到達(dá)及其內(nèi)容，進(jìn)而更新數(shù)據(jù)庫并且調(diào)用其他相關(guān)活動。

短信發(fā)送模塊：建立了相關(guān)的類和函數(shù)，通過調(diào)用安卓系統(tǒng)的接口函數(shù)進(jìn)行短信發(fā)送工作。

時間獲取及顯示模塊：通過調(diào)用java.util.Date Date函數(shù)來獲取時間，并做一定的處理，然后顯示到手機屏幕上。

4.3.2 界面展示

客戶端圖標(biāo)如圖11所示，命名為“SmartHomeSystem”，圖標(biāo)圖片為一個給自己充電的燈泡機器人，寓意為家用電器的智能化控制。

主控界面如圖12所示，可選擇電器控制、系統(tǒng)設(shè)置兩個子界面進(jìn)行相關(guān)操作的設(shè)置。按home鍵可以使程序后臺運行。

圖11 客戶端圖標(biāo)

圖12 主界面

系統(tǒng)設(shè)置界面、電器控制界面略——編者注。

結(jié) 語

智能家居目前逐漸成為社會上的研究熱點，本系統(tǒng)通過普及度非常高的安卓手機及家用電表實現(xiàn)遠(yuǎn)程電器控制的智能化，這使得這項技術(shù)能夠非常簡單快捷地走進(jìn)千家萬戶。并且，本系統(tǒng)不需要對家用電器進(jìn)行太多的改造，使得使用者能在不更換已有家用電器的情況下采用本系統(tǒng)，大大節(jié)省了成本。遠(yuǎn)程控制、友好的手機客戶端將使用戶能夠非常便捷地使用本系統(tǒng)。

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［1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分［M] .5版.北京：高等教育出版社，2005.

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［3] 陳堅，康勇.電力電子學(xué)［M] .3版.北京：高等教育出版社，2011.

［4] 孫靜.基于以太網(wǎng)智能家居控制器的研究與實現(xiàn)［D] .西安：西安科技大學(xué)，2006：3－4.

［5] 王颋，吳兆云等.基于電力線載波的智能家居控制系統(tǒng)研究［J] .單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（2）：70－73.