基于手機APP的智能家居遙控平臺設(shè)計

高帆+戴瑞+厲雪+于淼

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)計方案。以STM32F107VCT6為控制主機主控芯片，通過以太網(wǎng)/WiFi通信接口連接家庭寬帶；通過R5485通信技術(shù)連接學(xué)習(xí)控制子機，子機可以對紅外遙控的按鍵編碼進行學(xué)習(xí)存儲或者響應(yīng)主機指令并對已儲存的編碼進行還原和發(fā)送。最后，編寫了基于Android系統(tǒng)的APP，通過APP對控制主機發(fā)出指令，就可以對家電設(shè)備進行控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作便捷，能夠較好地實現(xiàn)本地和遠程對家庭電器的集中智能控制。

關(guān)鍵詞：智能家居；學(xué)習(xí)式遙控器；手機APP

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.010

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(tǒng)實現(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實現(xiàn)嵌入式控制主機結(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)智能手機的客戶端軟件[2]，用戶使用手機通過無線網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)集中智能控制家電。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)由控制主機、學(xué)習(xí)控制子機及手機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APP選擇要學(xué)習(xí)的按鍵，主機在SD卡中新建相應(yīng)名字的文件夾，使用遙控器對子機發(fā)射要學(xué)習(xí)的紅外信號，子機將學(xué)習(xí)到的紅外編碼信息發(fā)送到主機儲存到對應(yīng)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(yīng)文件夾內(nèi)的編碼信息，發(fā)送給相應(yīng)子機，子機將編碼信息還原成紅外信號發(fā)出，完成遙控動作。手機可以通過連接家庭WiFi[3]或者通過移動網(wǎng)絡(luò)[4]方問控制主機。

整體布局方案如圖2所示。將控制主機與家庭路由連接，同時在每一個房間放置一個學(xué)習(xí)控制子機，學(xué)習(xí)控制子機用來學(xué)習(xí)紅外遙控載波發(fā)送給主機儲存或者接收主機發(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：可以輕松實現(xiàn)家電的添加和配置，方便管理：擁有學(xué)習(xí)功能，可實現(xiàn)一個客戶端操控所有被控家居。

2 硬件設(shè)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。該芯片時鐘配置功能強大，外部輸入晶振的范圍很大，自帶一個RTC實時時鐘模塊，其MCU具有256KB FLASH、64kB RAM，同時包含各種基礎(chǔ)和先進的通信接口。這些特征不僅使得家居系統(tǒng)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，具有強大的存儲能力和片上處理能力?？刂浦鳈C通過RS485總線與各房間內(nèi)的學(xué)習(xí)控制子機連接，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，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

2.2.1 控制器模塊

子機的核心控制器模塊主要由STC1 5F60S2芯片、鎖存器74LS373、62256拓展存儲器、晶振等組成I5）。STC1 5F60S2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，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(shè)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(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行通信。endprint

如圖4，一個家庭只存在一個管理員賬戶，初次打開手機APP進入用戶注冊界面，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，首先進行房屋布局設(shè)置，用戶可根據(jù)家庭實際布局設(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APP與控制主機發(fā)生通信，主機根據(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，主機根據(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，收到學(xué)習(xí)命令的的學(xué)習(xí)控制子機對遙控器紅外編碼進行學(xué)習(xí)并將學(xué)習(xí)到的編碼信息發(fā)送給主機存儲到相應(yīng)文件夾中。以此完成學(xué)習(xí)過程，主機對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，主機根據(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，該子機使用接收到的數(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)計與實現(xiàn)智能家居遙控系統(tǒng)的過程，對系統(tǒng)的整體設(shè)計、軟硬件設(shè)計都進行了細致的分析，并對各模塊的功能實現(xiàn)與通信進行了說明。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。

參考文獻：

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[8]呂紅海基于Android的智能家居無線控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]電子科技大學(xué)，2012endprint