作者/ 高帆 戴瑞 厲雪 于淼 淮陰工學院 電子信息工程學院(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RS485通信技術(shù)連接學習控制子機，子機可以對紅外遙控的按鍵編碼進行學習存儲或者響應(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。

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。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)合學習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、學習控制子機及手機APP為主要構(gòu)成部分，擁有學習模式和使用模式兩種模式，如圖1所示。學習模式：手機APP選擇要學習的按鍵，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)射要學習的紅外信號，子機將學習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]訪問控制主機。

　　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習控制子機，學習控制子機用來學習紅外遙控載波發(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;擁有學習功能，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)的學習控制子機連接，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、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(nèi)容。

2.2 學習控制子機

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(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 紅外學習模塊

　　紅外學習模塊可以實現(xiàn)紅外編碼的學習^[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。

　　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、學習、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。

　　使用學習功能時，在APP上選中指定樓層、房間的電器的需要學習的按鍵，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，以存儲將要學習到紅外信號數(shù)據(jù)。之后通過串口發(fā)送學習指令給相應(yīng)房間的學習控制子機，收到學習命令的的學習控制子機對遙控器紅外編碼進行學習并將學習到的編碼信息發(fā)送給主機存儲到相應(yīng)文件夾中。以此完成學習過程，主機對APP發(fā)送學習成功回饋信息。

　　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)送給指定房間的學習控制子機，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)編碼學習、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：

　　[1]蔣立兵. 基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].北京郵電大學,2011.

　　[2]孫潤.基于WiFi智能家居的網(wǎng)關(guān)設(shè)計[D].西安工業(yè)大學,2015.

　　[3]嚴立. 基于Wi-Fi的智能家居中控器的設(shè)計和實現(xiàn)[D].電子科技大學,2015.

　　[4]林粵偉,宋丹.基于Android手持設(shè)備的智能家居遙控系統(tǒng)研制[J].電子產(chǎn)品世界,2015,06:37-39.

　　[5]王永華,周衛(wèi),詹宜巨,等.一種通用學習型紅外遙控器設(shè)計與實現(xiàn)[J].廣東自動化與信息工程,2005,02:18-19.

　　[6]劉霞,侯義斌,黃樟欽,等.學習型紅外控制系統(tǒng)在環(huán)繞智能中的應(yīng)用[J].計算機工程與設(shè)計,2007,01:193-196.

　　[7]周祖榮,馮步云.基于單片機簡便學習型紅外萬用遙控器的設(shè)計[J].信息通信,2013,10:64-65.

　　[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,2012.

　　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。