智能插座在智能家居機器人上的應(yīng)用設(shè)計

陳義譜，李月強

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京　100192）

智能插座在智能家居機器人上的應(yīng)用設(shè)計

陳義譜，李月強

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192）

0　引言

智能家居機器人是嵌入式的主要應(yīng)用之一，它以普通家庭環(huán)境為平臺，利用先進的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等，將各種家用電子設(shè)備進行集中控制和監(jiān)測，從而創(chuàng)造出高效、舒適、安全、便利的室內(nèi)居住環(huán)境。

現(xiàn)在，市場上實現(xiàn)智能家居的方法很多，在這當(dāng)中不乏一些優(yōu)秀方案，但是在這些方案當(dāng)中，很多都使用觸摸屏或電腦來實現(xiàn)設(shè)備的控制，這將大大增加不必要使用成本。當(dāng)今社會，無線路由器及智能手機、平板電腦等手持設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛的普及，因此該系統(tǒng)利用Wi-Fi通過智能手機、平板電腦實現(xiàn)Web對智能家居機器人和家庭用電終端的控制，以此降低相關(guān)設(shè)備的成本。智能插座根據(jù)家用機器人采集到的溫濕度等信息的控制開閉，并將電器設(shè)備的使用情況反饋給用戶客戶端。

該系統(tǒng)將家用機器人與智能插座結(jié)合起來，將極大豐富家用機器人的功能，用戶只需要一個客戶端軟件，就能實現(xiàn)對機器人和相關(guān)用電設(shè)備的同時控制，既控制方便又節(jié)省成本。在無特殊要求時，只需在機器人的程序中設(shè)定好各個智能插座開斷的時間點，即可實現(xiàn)多個用電設(shè)備定時定點的協(xié)調(diào)工作。這樣，就是家用機器人的功能更加豐富，更加智能化。

1　系統(tǒng)框架

整個系統(tǒng)分為4個部分（圖1），即受控終端、路由器、服務(wù)終端和控制終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。在系統(tǒng)的4個部分之間，將控制終端與服務(wù)終端通過Wi-Fi連接，即可實現(xiàn)控制的可移動性，也避免了線路連接的復(fù)雜性。

控制終端即智能手機或平板電腦等手持終端?？刂平K端通過Wi-Fi實現(xiàn)與服務(wù)終端的連接，使用瀏覽器就能在Web層面對服務(wù)終端發(fā)送數(shù)據(jù)和添加命令。服務(wù)終端是整個系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)對受控終端傳遞命令的樞紐，實現(xiàn)對控制終端命令的處理，對受控終端信號的采集和發(fā)送。受控終端最終控制的是則是日常生活中的電器部分，本系統(tǒng)中主要涉及的控制對象是Wi-Fi智能插座。無線路由提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將機器人主控制器與控制終端整合到一個網(wǎng)絡(luò)中，綜合控制。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件設(shè)計

硬件部分設(shè)計的實現(xiàn)主要是一個能夠搭建Web服務(wù)器的機器人主控制模塊、若干用于通信的UARTWi-Fi模塊以及一個Wi-Fi智能插座。它們共同構(gòu)成一個能夠接收遠程控制指令或者根據(jù)采集相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過Web服務(wù)器解析、處理再控制智能插座的智能家居系統(tǒng)。

2.1機器人主控制器Beaglebone Black

本系統(tǒng)中，搭建Web服務(wù)器的主控制器選用BeagleBone Black開發(fā)部，它是一款基于AM3358處理器的開發(fā)套件。該處理器擁有高達1GHz的ARM Cortex-A8內(nèi)核。其擴展接口包括網(wǎng)口、USB Host、USB OTG、TF卡接口、串口、JTAG接口、HDMI接口、eMMC、ADC、I2C、SPI、PWM和LCD接口等。這些接口能夠?qū)崿F(xiàn)對機器人的控制以及與相關(guān)外部設(shè)備的通訊。

在本系統(tǒng)中，BeagleBone Black利用兩個串口連接Wi-Fi模塊來分別實現(xiàn)接受控制指令和發(fā)送控制智能插座的命令，采用若干ADC接口連接傳感器采集室內(nèi)的溫濕度等數(shù)據(jù)。此外，開發(fā)板的P1口焊接一個5V/ 1A移動直流電源來實現(xiàn)供電。

2.2UART-WiFi模塊

本系統(tǒng)中，無線通信部分采用的TLN13UA06模塊是第三代嵌入式UART-Wi-Fi模塊。該模塊是基于UART接口的符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

在這里，該模塊用于機器人控制器的Web服務(wù)器與智能插座的通信。將一個Wi-Fi模塊設(shè)置成AP模式，連接在BeagleBone Black開發(fā)板的串口上，而智能插座內(nèi)部的Wi-Fi模塊則設(shè)置成STA模式。在PC上完成相應(yīng)的密鑰配置后，就能實現(xiàn)兩者的無線通信。

2.3智能插座

用戶通過人機界面或無線通訊模塊設(shè)置斷開的電源條件，可以設(shè)置定時斷開電器的電源，在設(shè)定的時間段內(nèi)斷開電源?？刂破魍ㄟ^電能采集模塊對電器的電能進行采集、整流變壓，然后對繼電器進行操作以控制電源的開關(guān)。本次設(shè)計中的智能插座主要由交流變直流電源模塊、主控制器芯片、Wi-Fi模塊、繼電器等構(gòu)成。

本系統(tǒng)中，智能插座的工作原理如下：首先TLN13UA06接收來自Web服務(wù)器的指令，經(jīng)UART接口傳遞至微控制器，再由微控制器分析處理后調(diào)用相關(guān)程序來控制繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷，進而控制插座的開、關(guān)。智能插座的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2　智能插座結(jié)構(gòu)

3　軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，軟件部分的設(shè)計包括智能插座的控制程序比較簡單，只需要響應(yīng)Web服務(wù)器的指令完成對相應(yīng)GPIO口的控制。主要的難點在于Web服務(wù)器的搭建，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠程訪問。由于服務(wù)器是在開發(fā)板中搭建，所以采用的是Linux系統(tǒng)下的嵌入式Web服務(wù)器。

圖3　智能插座的控制程序流程圖

（1）需要在機器人主控制器上完成Linux系統(tǒng)的移植，本系統(tǒng)選用的內(nèi)核是3.8.13版本。先從官網(wǎng)下載內(nèi)核源碼，再依次完成系統(tǒng)根目錄下的Makefile文件的修改、執(zhí)行make menuconfig進入內(nèi)核配置界面對串口驅(qū)動、ADC接口驅(qū)動等硬件結(jié)構(gòu)的基本配置并進行編譯。之后將生成的zImage內(nèi)核鏡像文件燒寫到開發(fā)板中。

（2）移植Web服務(wù)器。本系統(tǒng)選用的是boa服務(wù)器，版本為boa-0.94.13。先在虛擬機上完成boa程序的編譯、生成Makefile文件并修改文件配置；再用交叉編譯器arm-linux-gcc 4.1.2編譯boa程序，最后將相關(guān)文件復(fù)制到開發(fā)板上。

完成上述工作后，再在開發(fā)板上構(gòu)建Web服務(wù)器環(huán)境。

圖4 Web服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)圖

Web服務(wù)器環(huán)境構(gòu)建：

Web服務(wù)環(huán)境的構(gòu)建，除了需要完成相關(guān)的硬件設(shè)計外還需要進行軟件構(gòu)件設(shè)計。主要是三個部分：Web服務(wù)器環(huán)境構(gòu)建、應(yīng)用網(wǎng)頁設(shè)計、CGI接口程序設(shè)計。圖4就是Web服務(wù)器的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)。

3.1Web服務(wù)環(huán)境構(gòu)建

本系統(tǒng)使用的是boa服務(wù)器，是一個單任務(wù)的Web服務(wù)器，只能一次完成用戶的請求，但是能通過CGI程序fork出一個進程來執(zhí)行相應(yīng)的客戶請求。要完成Web的環(huán)境搭建，需先在PC的虛擬機上進行BOA程序的編譯和配置文件的修改，并設(shè)置相關(guān)目錄，再移植到開發(fā)板上即可。本系統(tǒng)使用ServerSocket創(chuàng)建TCP服務(wù)端，部分代碼如下：

3.2應(yīng)用頁面設(shè)計

在Web服務(wù)環(huán)境搭建好后，根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計相應(yīng)Web頁面。本系統(tǒng)中，機器人的Web服務(wù)器通過CGI程序來獲取用戶的請求、查詢條件，使用HTML方式描述結(jié)果并直接回送到客戶端的瀏覽器上，此過程中瀏覽器將用戶輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將數(shù)據(jù)送到CGI程序。在執(zhí)行CGI程序后，會訪問數(shù)據(jù)庫的記錄，最后輸出HTML形式的結(jié)果文件，經(jīng)Web服務(wù)器送回瀏覽器顯示給終端。下面給出了顯示插座狀態(tài)信息的代碼（省略了顯示格式的代碼）：

3.3CGI接口程序設(shè)計

要實現(xiàn)對智能插座的控制，需要設(shè)計CGI程序，CGI接口程序采用C語言進行編寫，包括三個部分：標(biāo)準(zhǔn)輸入、環(huán)境變量、標(biāo)準(zhǔn)輸出。本系統(tǒng)中，CGI接口程序由設(shè)備狀態(tài)查詢程序和設(shè)備參數(shù)設(shè)置程序組成。CGI程序與Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳遞利用環(huán)境變量來完成。下面是控制智能插座CGI的相關(guān)程序：

這里主要的工作是獲取并解析Web服務(wù)器提交過來的數(shù)據(jù)，然后傳遞給智能插座，最后調(diào)用智能插座的IOCTL函數(shù)控制繼電器的閉合或者斷開。在這個過程中，通過給按鈕賦予不同的值，再通過QUERY_ STRING向shell腳本傳輸命令。

此外，為方便手機遠程控制，本系統(tǒng)開發(fā)了一個Android環(huán)境下的簡單瀏覽器，其包含兩個組件：一個用于輸入URL的文本框；一個用于加載并顯示URL對應(yīng)網(wǎng)頁的WebView。在這里，URL組件的定義如下：

安裝該瀏覽器后，就可以在裝有Android系統(tǒng)的終端上訪問Web服務(wù)器，監(jiān)控用電設(shè)備的使用情況。

4　功能測試

本系統(tǒng)主要考慮終端的瀏覽器對機器人的控制以及機器人控制器對智能插座的控制，由于各個模塊的通信均是在Wi-Fi環(huán)境下實現(xiàn)，需要測試系統(tǒng)各個部分之間雙向連接和數(shù)據(jù)交換。功能測試包括兩方面內(nèi)容：

控制命令從用戶處發(fā)出，經(jīng)過路由器送到Web服務(wù)器再到智能插座，并控制智能插座的繼電器通斷；

在收到查詢命令時，讀取智能插座的狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從智能插座出發(fā)，送達Web服務(wù)器，處理后經(jīng)路由器將結(jié)果返回給用戶，用戶可以在終端的Web瀏覽器上查看。

本系統(tǒng)以Beaglebone開發(fā)板和一個智能插座為基礎(chǔ)，另配置必要的模塊，進行功能驗證。在Wi-Fi環(huán)境下，通過上位機瀏覽器訪問Web服務(wù)器，向智能插座發(fā)送控制命令，同時接收智能插座傳來的數(shù)據(jù)。經(jīng)實驗驗證，各模塊之間的通信、控制插座通斷、檢測用電設(shè)備工作狀態(tài)的功能都能實現(xiàn)。沒有人的指令的情況下，機器人能依據(jù)檢測到的溫度、亮度等室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，再結(jié)合語言設(shè)定好的時間點，對家用環(huán)境下的多個電氣設(shè)備進行良好的協(xié)調(diào)控制。

實際測試的結(jié)果可以說明本系統(tǒng)方案具有可行性。

5　結(jié)語

本系統(tǒng)從安全、節(jié)省電能的角度出發(fā)，采用Beaglebone Black開發(fā)板作為主控制器，通過Wi-Fi模塊與智能插座通訊，實現(xiàn)遠程控制插座的開啟和斷開。經(jīng)實際試驗證明，該系統(tǒng)試驗效果良好，操作簡單，使用方便，比單獨的智能插座和家用機器人效率更高、更加節(jié)能，能夠為用戶提供安全、實時、可靠的服務(wù)?？梢灶A(yù)見多功能的家用機器應(yīng)用的前景十分廣泛。

同時，本系統(tǒng)將智能家用機器人與智能插座結(jié)合起來，完善了家用機器人的功能，具有智能節(jié)能和遠程開關(guān)功能。經(jīng)過測試，系統(tǒng)顯示出了良好的控制效果，不僅使家用電器的待機功率大幅減少；智能機器人的加入，使得部分家用電器實現(xiàn)無人化控制，居住環(huán)境就變得更加舒適、更加智能化，在智能家居方面具有很好的社會效益和廣泛的市場價值。

［1］劉平.Android手機訪問服務(wù)器的一種數(shù)據(jù)交互方法［J］.電子設(shè)計工程，2010，09:96-98+102.

［2］張新星.基于Android手機的智能插座設(shè)計［D］.浙江大學(xué)，2014.

［3］張錕.基于Android手機的智能遙控器設(shè)計［J］.網(wǎng)友世界，2012，09:39-41.

［4］成玉梅.基于ATMEGA8單片機的智能定時節(jié)能插座的設(shè)計［J］.新課程研究（中旬刊），2013，04:136-138.

［5］馬梅，徐言飛，王鵬，朱杰.基于STM32的智能省電無隱患插座設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2014，23:68-71.

［6］曾磊，張海峰，侯維巖.基于WiFi的無線測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電測與儀表，2011，07:81-83+96.

［7］高聚銀.基于云平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

AM3358；TLN13UA06；Home Robot；Smart Socket；Wi-Fi

Application of Smart Socket in the Intelligent Home Robot

CHEN Yi-pu，LI Yue-qiang

（School of Instrument Science and Opto Electronics Engineering，Beijing Information Science&Technology University，Beijing，100192）

1007-1423（2015）34-0056-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.015

陳義譜（1988-），男，湖北荊州人，碩士研究生，研究方向為ARM嵌入式

2015-11-03

2015-11-26

隨著智能應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，智能家居機器人也成為一種新的趨勢。然而，由于成本、操作復(fù)雜，多功能智能化的家用機器人也僅僅在某些豪宅中出現(xiàn)。因此，設(shè)計一套功能多樣化、操作簡單的智能家居系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要是將目前比較實用的智能插座與家用機器人結(jié)合起來。

AM3358；TLN13UA06家用機器人；智能插座；Wi-Fi

李月強（1968-），男，北京人，副教授，研究方向為光電檢測技術(shù)

With the development of intelligent application technology，the intelligent home robot has become a new trend.However，due to the cost of operating complex，multi-functional intelligent home robot is only in some luxury.Therefore，designs a set of multiple functions，simple operation of the smart home system.This system is mainly to combine the practical application of intelligent socket with the home robot.