基于物聯(lián)網(wǎng)的家電遠程控制系統(tǒng)設(shè)計

黃藝聰

（賽客（廈門）醫(yī)療器械有限公司，福建廈門，361026）

0 引言

伴隨科技水平不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展給智能家居帶來了諸多便利?；跓o線WIFI技術(shù)實現(xiàn)遠距離智能控制已成為當(dāng)前智能家居發(fā)展的主要技術(shù)手段。無線WIFI技術(shù)與家居電器設(shè)備控制相結(jié)合，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能家電控制是當(dāng)前的研究熱點。本文以無線WIFI為媒介，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究家電遠程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)家居智能設(shè)備遠距離控制，有利于實現(xiàn)節(jié)能的同時提升生活品質(zhì)和效率。

本設(shè)計主要包括系統(tǒng)硬件、云服務(wù)器與控制端等三大功能部分。WIFI 作為系統(tǒng)硬件接入互聯(lián)網(wǎng)的工具，與云服務(wù)器進行通訊，安卓手機作為控制端。硬件選用STM32F103C8T6型單片機作為驅(qū)動。在手機上安裝特定APP，即可通過手機接入互聯(lián)網(wǎng)，與服務(wù)器進行交互。云服務(wù)器核心信息中繼樞紐，是實現(xiàn)遠程控制的重要一環(huán)。獲取控制端數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)至主機，硬件解析服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)生成控制指令，實現(xiàn)對相應(yīng)電器工作過程的控制。

1 系統(tǒng)控制方案確定

■1.1 主控芯片選擇

方案一：選用 STC89C52RC 芯片。STC89C52RC 每次可以處理8位數(shù)據(jù)，編程簡單，非常適合初學(xué)者入門使用。方案二：選用STM32F103C8T6芯片。該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，擁有64K程序存儲空間，數(shù)據(jù)處理速度快，穩(wěn)定性高。

綜上對比，方案一功能簡單、開發(fā)方便，但運行處理速度較慢，方案二穩(wěn)定性更高，在家電遠程控制系統(tǒng)中，與WIFI模塊的通信中，對運行速度和穩(wěn)定性提出了很高的要求，所以，方案二更貼合該套系統(tǒng)的實際需求。

■1.2 無線通信模塊選擇

對比無線通信方案，方案一：選用Zigbee芯片，使用Zigbee無線技術(shù)組成一個設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，通過外設(shè)網(wǎng)關(guān)與手機進行通信；方案二：使用ESP8266系列無線WIFI芯片，通過WIFI直接進入互聯(lián)網(wǎng)，與服務(wù)器進行通訊。無線通信模塊是除主控芯片外最重要的部分，決定了系統(tǒng)性能。Zigbee可接入節(jié)點高達6萬多，但Zigbee穿墻能力較弱、傳輸速率慢，且在使用時需配備Zigbee網(wǎng)關(guān)支持才可與智能手機進行通信。WIFI在傳輸速率上具有較大優(yōu)勢，且穿墻性能較強、覆蓋范圍廣，可實現(xiàn)100-300米區(qū)域覆蓋，開發(fā)使用方便，能夠直接接入互聯(lián)網(wǎng)，并且可以在局域網(wǎng)內(nèi)與智能手機進行直接的點對點通信，其主要缺點是功耗大，網(wǎng)絡(luò)容量小，目前已知家庭WIFI路由器最大接入數(shù)量是64個節(jié)點，一般家庭用戶的接入點為10個左右。

結(jié)合系統(tǒng)實際應(yīng)用對比，方案二傳輸速率快、覆蓋范圍廣、穿墻性能好、使用方便，成本低廉。WIFI技術(shù)應(yīng)用普遍且自身可成為中心節(jié)點，也可作為結(jié)構(gòu)節(jié)點或直接接入互聯(lián)網(wǎng)，實際應(yīng)用中方案二的優(yōu)勢突出，選用WIFI作為無線通信模塊。芯片選擇ESP8266系列的ESP-12F超低功耗芯片用以彌補WIFI功耗大等缺點。

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由控制器、無線 WIFI模塊、溫濕度模塊、電磁繼電模塊和顯示模塊等組成?？刂破髯x取溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線模塊。無線模塊接入互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器鏈接后傳輸溫濕度數(shù)據(jù)、電磁繼電器通斷數(shù)據(jù)，服務(wù)器繼續(xù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至智能手機控制端，手機通過 APP 即可訂閱服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶在 APP 上發(fā)送指令數(shù)據(jù)時，也是通過服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)，發(fā)送至無線 WIFI芯片，通過串口傳遞給控制器進行數(shù)據(jù)的處理，進而控制電磁繼電器的通斷，達到控制家電的效果。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

■2.1 核心控制模塊

控制采用的STM32F103C8T6 芯片是STM32入門首選芯片之一。單片機核心板（MCU）原理圖如圖2所示。其中包括復(fù)位電路、電源濾波電路和時鐘電路，系統(tǒng)采用3.3V電源供電。但部分外部電路供電電壓高于3.3V，采用電源穩(wěn)壓電路實現(xiàn)，穩(wěn)壓電路原理圖如圖3所示，將穩(wěn)壓電源作為MCU供電電源。

圖2 STM32核心板電路原理圖

圖3 穩(wěn)壓電路原理圖

■2.2 溫濕度傳感模塊

選用DHT11 數(shù)字式溫濕度傳感器作為溫濕度信息采集模塊。DHT11 具有響應(yīng)快、抗干擾能力強、性價比高等市場優(yōu)勢。DHT11供電范圍為DC 3.3~5.5V，超出此范圍會損壞傳感器。若低于此范圍傳感器將會讀取到錯誤溫濕度數(shù)據(jù)而導(dǎo)致不工作。設(shè)計時DATA引腳直接與單片機相連，并在DATA引腳處連接1個10kΩ上拉電阻，以保證信號穩(wěn)定性。DHT11采用單總線數(shù)據(jù)協(xié)議，通過DATA引腳與控制器進行通信，每次發(fā)送40位數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行校驗。DHT11電路原理圖如圖4所示。

圖4 DHT11電路原理圖

■2.3 無線控制模塊

無線模塊采用安信可科技基于樂鑫 ESP8266 核心開發(fā)的ESP-12F串口轉(zhuǎn)無線模塊。ESP-12F模塊提供了2種啟動模式，在本系統(tǒng)中作為從機使用，使用 FLASH 啟動模式，使用RXD、TXD引腳用于串口通信，GPIO 0、GPIO 2、GPIO 15 用于確定模塊啟動方式，該模塊電路原理如圖5所示。

圖5 無線模塊電路原理圖

其中，VCC 接外部3.3 V穩(wěn)壓電源，GND接電源地。GPIO15串聯(lián)1個下拉電阻接電源地，用于拉低 I/O電平信號，GPIO 0和 GPIO 2引腳懸空，默認為高電平，模塊上電后從 FLASH 模式啟動。TXD和RXD與MCU的RXD和TXD對接，通過串口進行數(shù)據(jù)收發(fā)。CH_PD 使能端串聯(lián)1個上拉電阻，拉高使能端電平信號，使模塊工作。REST 引腳接入復(fù)位電路，在系統(tǒng)上電時自動復(fù)位。

■2.4 繼電控制模塊

本系統(tǒng)采用5V電磁繼電器，設(shè)計時使用EL357N 光電晶體管光耦合器、SS8050 NPN型三極管、IN4148整流二極管，電路原理圖如圖6所示。因電磁繼電器工作電流遠高于MCU 等器件，需要對驅(qū)動電流進行放大。SS8050三極管主要起放大電流和開關(guān)作用。在該模塊部分電路設(shè)計中，接線端口“2”號為公共端，與“1”號相接為常開電路，與“3”號相接為常閉電路，為用戶提供更多的家電控制選擇。

圖6 繼電控制模塊電路原理圖

■2.5 其他電路模塊

較之液晶顯示，OLED分辨率較高，亮度和響應(yīng)速度性能更佳?？捎行э@示中文字符，符合國內(nèi)用戶需求。該顯示模塊可直接與 MCU 相連，原理圖如圖7所示。其工作電壓為 3.3 - 5V。具有 DC、CS 等 7 個功能引腳。

圖7 鋸齒波仿真波形

圖7 顯示模塊電路原理圖

系統(tǒng)設(shè)置有源蜂鳴器作為聲音報警系統(tǒng)，電路設(shè)計如圖8所示。為了使蜂鳴器聲音盡可能大，采用SS8050 NPN型三極管集電極對蜂鳴器驅(qū)動。

圖8 蜂鳴報警電路原理圖

3 軟件程序設(shè)計

設(shè)計時采用 Keil MDK作為系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)工具，可為 ARM7/9、Cortex-M 提供開發(fā)、固件燒寫和在線仿真，操作界面簡單，功能十分豐富，需進行MCU輸入輸出GPIO口分配。

■3.1 溫濕度傳感驅(qū)動

分析DHT11溫濕度傳感器工作時序圖，總體通信流程步驟如下：

步驟一：DHT11 上電后，會有一段不穩(wěn)定時間，需要等待 1 秒才能繼續(xù)操作，然后對環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進行檢測并記錄。DATA保持高電平輸入狀態(tài)，檢測外部信號。

步驟二：MCU的 I/O 輸出低電平。18毫秒后將 MCU的 I/O改變?yōu)檩斎霠顟B(tài)，通過上拉電阻拉高MCU的I/O 電平信號，等待DHT11作出響應(yīng)。

步驟三： DATA 檢測到低電平信號時，延時輸出 80 微秒的低電平響應(yīng)信號，然后輸出 80 微秒的高電平信號通知 MCU 準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

步驟四：由 DHT11 的 DATA 引腳輸出 40 位數(shù)據(jù)。在檢測過程中，可以先將 MCU 的 I/O 電平拉低50微妙，延時40微妙后，再檢測 DATA 的電平信號。

步驟五： DATA 輸出 40 位數(shù)據(jù)后，會輸出50 微秒低電平信號，然后更改為輸入模式，等待外部信號。MCU在接收完40位數(shù)據(jù)后，需要進行數(shù)據(jù)校驗，通過校驗才為正確的數(shù)值。

■3.2 無線WIFI模塊驅(qū)動

設(shè)計時，使用AT指令控制ESP-12F模塊工作在透傳模式。在使用ESP-12F模塊前，需要給模塊燒寫固件。本系統(tǒng)使用機智云服務(wù)器進行設(shè)計，選用機智云提供的 GAgent 固件版本。機智云在固件里嵌入了符合自身平臺開發(fā)的協(xié)議，在云端會下發(fā)已經(jīng)封裝好的指令函數(shù)庫，開發(fā)者在開發(fā)時通過串口調(diào)試設(shè)置模塊透傳模式和服務(wù)器鏈接地址，在程序開發(fā)中調(diào)用其API接口。

數(shù)據(jù)賦值給結(jié)構(gòu)體后，在主函數(shù)最后會執(zhí)行g(shù)izwits Handle 函數(shù)，通過該接口可以完成設(shè)備數(shù)據(jù)的變化上傳，即程序循環(huán)一次就上傳一次數(shù)據(jù)。在設(shè)備上電并接入網(wǎng)絡(luò)后，會每隔 1 小時自動獲取一次網(wǎng)絡(luò)時間，進行網(wǎng)絡(luò)對時。在程序中，通過調(diào)用機智云的 NTP 協(xié)議接口gizwitsGetNTP函數(shù)實現(xiàn)自動對時功能。

■3.3 繼電控制模塊驅(qū)動

電磁繼電器模塊通過 EL357N 光電耦合器 DC-DC 轉(zhuǎn)換后，可直接使用低電平控制電磁繼電器工作。電磁繼電器狀態(tài)變更，并上傳變更數(shù)據(jù)：

在云端數(shù)據(jù)定義中，電磁繼電器閉合為 1，斷開為 0，MCU 程序中電磁繼電器閉合為 0，斷開為 1，所以需要進行 0=> 1 ，1=> 0 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

■3.4 云端服務(wù)器設(shè)置

服務(wù)器作為用戶與硬件設(shè)備的橋梁，對服務(wù)器選擇影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性與易用性。因現(xiàn)有資源限制且自建服務(wù)器成本高昂，使用機智云服務(wù)器平臺。該平臺提供從定義產(chǎn)品、設(shè)備端開發(fā)調(diào)試、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)品測試等“一站式”服務(wù)的能力。建立項目后即可在項目內(nèi)建立虛擬傳感器設(shè)備，并設(shè)置需要使用的變量。云服務(wù)器搭建完畢后，采用 MQTT 協(xié)議實現(xiàn)與服務(wù)器的通信。開發(fā)過程中，需要根據(jù) MQTT 協(xié)議在 ESP8266 模塊中設(shè)置與云端的通信方式。在設(shè)置以及后續(xù)開發(fā)過程中，需要用到一個重要的Product Key產(chǎn)品密鑰。該密鑰是全網(wǎng)唯一的身份辨識碼，通過該密鑰進行身份識別，識別通過才能與云端進行通信。

針對硬件電路進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，測試硬件數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。硬件測試部分不接入云端服務(wù)器，只考量系統(tǒng)中的離線控制功能，WIFI模塊在整機調(diào)試時加入。經(jīng)調(diào)試表明時鐘計時準(zhǔn)確，OLED模塊顯示正常；溫濕度檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；蜂鳴器在溫濕度超出閾值時報警；電磁繼電器定時開關(guān)功能正常；獨立按鍵功能正常。

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為智能家居控制的重要手段。本設(shè)計主要實現(xiàn)家電遠程控制系統(tǒng)設(shè)計，基于單片機及ESP-12F無線 WIFI 模塊開發(fā)，通過安卓 APP 接入云服務(wù)器發(fā)送指令進行控制。實現(xiàn)從客戶端下發(fā)控制指令，通過無線 WIFI 模塊將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，進而控制電磁繼電器的通斷，并從溫濕度檢測模塊獲取溫濕度數(shù)據(jù)，通過WIFI無線模塊傳輸給客戶端，達到家電遠程控制的需求。調(diào)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程家電開關(guān)及節(jié)能控制，具有一定的使用價值和意義。但因條件所限，本設(shè)計主要依賴云平臺驅(qū)動服務(wù)，從 WIFI模塊固件到 MCU 驅(qū)動程序庫，再到作為通信橋梁的服務(wù)器，都是由機智云平臺提供，顯著降低了系統(tǒng)后期開發(fā)平臺的可移植性，有待進一步加強。