基于Android和WIFI通信的智能家居系統(tǒng)設計

賈 陽 靜，　鄒 念 育，　雷 冬 鳴，　李　 望，　吉　 奈，　郭　 旭，　李　 萍

( 大連工業(yè)大學 光子學研究所, 遼寧 大連　116034 )

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基于Android和WIFI通信的智能家居系統(tǒng)設計

賈 陽 靜，鄒 念 育，雷 冬 鳴，李 望，吉 奈，郭 旭，李 萍

( 大連工業(yè)大學 光子學研究所, 遼寧 大連116034 )

摘要:針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)存在的操作復雜、可移動性差、升級維護成本高等缺點，提出了一種基于Android的智能家居系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案。采用了具有Android操作系統(tǒng)的智能手機或平板電腦作為家居控制終端，以CC3000-WG1300為核心的智能開關和STM32F103ARM處理器作為家居控制器，通過無線路由器，搭建整個智能家居系統(tǒng)平臺。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，智能手機或平板電腦實現(xiàn)了對家居中家用電器的本地控制。

關鍵詞:智能家居；Android；ARM處理器；WIFI

0引言

科技的不斷進步，尤其是無線通信技術(shù)、計算機處理技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得智能家居已經(jīng)開始逐步進入普通家庭之中，其功能也從單一的防盜報警系統(tǒng)向包括信息家電、網(wǎng)絡家電、智能安防、網(wǎng)絡通信以及智能視頻監(jiān)控等領域發(fā)展。

在對智能家居系統(tǒng)進行設計時，首要考慮的是對家居控制終端的設計。國內(nèi)外已提出了眾多的解決方案，大體上可分為3類：(1)基于鍵盤、紅外遙控器的家居控制終端硬件解決方案[1-2]，該方案需對控制終端的軟硬件進行設計，過程復雜，維護成本高；(2)選擇家庭或辦公電腦作為家居控制終端，可通過電腦對家居中的設備進行本地或遠程控制的方案[3]，該方案終端不可移動，給用戶帶來不便；(3)采用手機或平板電腦作為家居控制終端，通過藍牙、WIFI、GSM等方式實現(xiàn)對家居系統(tǒng)的控制[4-6]。但目前采用這種控制終端的智能家居系統(tǒng)還不是很多，而且大部分操作界面不友好，用戶體驗欠佳。

本文是在分析了現(xiàn)有智能家居發(fā)展模式的基礎上，以Android智能手機作為家居控制終端的開發(fā)平臺，利用WIFI模塊、ARM處理器等設備，通過WIFI無線通信方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的連接和數(shù)據(jù)的傳輸， 最終實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的本地控制。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程

智能家居系統(tǒng)主要由移動終端設備、傳輸設備、智能開關和控制單元4部分組成，其中移動終端設備是普遍在使用的智能手機或平板電腦；傳輸設備為無線路由器；智能開關主要由WIFI模塊、CPU主控模塊、AC-DC電源模塊和可控硅開關模塊組成；控制單元即為家用照明設備。

移動終端設備主要使用的是Android操作系統(tǒng)，WIFI模塊主要以CC3000-WG1300M為核心器件，用于接收無線路由器傳送的信息，CPU主控模塊主要包含32位的STM32F103-48 ARM處理器，通過SPI串行外部接口與WIFI模塊連接，讀取WIFI模塊轉(zhuǎn)換后的信息；AC-DC電源模塊用于給WIFI模塊、CPU主控模塊、可控硅開關模塊提供電源；可控硅開關模塊用于控制燈的狀態(tài)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖如圖1所示，AC-DC電源模塊上電后，給WIFI模塊、CPU主控模塊、可控硅開關模塊供電；準備就緒后，用戶即可根據(jù)自己的需要在智能手機(或平板電腦)上進行操作，發(fā)送命令并通過無線路由器傳輸， WIFI模塊接收來自無線路由器傳送的信息，并進行相應的轉(zhuǎn)換后，通過SPI串行外部接口傳送給CPU主控模塊，CPU主控模塊做相應的處理將命令給可控硅開關模塊，可控硅開關模塊識別命令后執(zhí)行相應的動作來控制燈或電視機等用電設備的狀態(tài)；另一方面，用戶也可以通過按鍵操作方式來直接實現(xiàn)用電設備的開與閉。

圖1　智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖

2系統(tǒng)硬件平臺設計

智能家居系統(tǒng)硬件電路主要由WIFI模塊、ARM處理器、存儲單元、電源模塊、JTAG接口等組成。

2.1WIFI模塊

WIFI模塊采用CC3000-WG1300芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，是一款自成一體的無線解決方案，內(nèi)置無線網(wǎng)絡協(xié)議IEEE802.11協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口或TTL電平數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)換，降低了設計的難度，同時大大提高了主控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力。該芯片的主要特性：采用802.11b/g無線訪問Internet標準；支持WEP加密；支持WAP/WAP2等高級加密與安全機制[7]，如圖2所示。由圖2可知R5、R7、R9、R46、R47、R48、R49電阻均為0，但有著不同的用途，其中電阻R5、R7、R9為隔離作用，而電路中電阻R46、R47、R48、R49是為了在PCB板上調(diào)試方便所設計。

2.2ARM處理器

ARM處理器主要以STM32F103為核心芯片，STM32F103屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體(ST)公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128 kB的Flash和20 kB的SRAM)，有豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設[8]。其最小化電路如圖3所示。

2.3EEPROM存儲器

EEPROM是帶電可擦寫可編程只讀存儲器，是用戶可更改的只讀存儲器，其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重寫。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。電路圖如圖4所示。

2.4電源模塊

電源模塊采用了USB-MINI接口，該接口防誤差性能出眾，體積也比較小巧，普遍被用戶使用。另外還使用了LM1117低壓差電壓調(diào)節(jié)器，LM1117提供電流限制和熱保護。它與國家半導體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列，它有可調(diào)電壓的版本，通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.25～13.80 V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出(1.80、2.50、2.85、3.30和5.00 V)的型號。本系統(tǒng)采用該電壓調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)3.30 V的固定電壓輸出，電路如圖5所示。

圖2　WIFI模塊CC3000-WG1300電路

圖4　EEPROM電路

圖5　電源模塊電路

2.5JTAG接口

JTAG接口是由測試訪問端口TAP控制器、旁路寄存器、指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器以及與JTAG兼容的ARM架構(gòu)處理器組成。處理器的每個引腳都有一個移位寄存單元將JTAG電路預處理器和邏輯電路聯(lián)系起來，同時隔離了處理器內(nèi)核邏輯電路與芯片引腳，所有的邊界掃描單元構(gòu)成了邊界掃描寄存器BSR，該寄存器電路僅在進行JTAG測試時有效，在處理器內(nèi)核正常工作時無效。其接口電路如圖6所示。

圖6　JTAG接口電路

3軟件設計

系統(tǒng)選擇具有Android操作系統(tǒng)的智能手機或平板電腦作為移動終端平臺，在開發(fā)平臺上進行代碼的編寫。軟件設計的流程圖如圖7所示。初始化服務在上電時自動開始執(zhí)行，完成CPU和板級的初始化。

初始化之后，首先，CPU主控模塊讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)，來確定將要執(zhí)行的動作，即：是否開關燈，并將所要執(zhí)行的動作通過WIFI模塊連接到無線路由器獲取IP地址，獲取地址后，CPU主控模塊開始檢測是否收到手機端數(shù)據(jù)包，若收到數(shù)據(jù)包后就把當前燈的狀態(tài)發(fā)送給手機，并執(zhí)行開關動作以及設置開關定時來應答此數(shù)據(jù)包，當定時時間到時，執(zhí)行定時動作。若沒有收到數(shù)據(jù)包，直接查看可控硅開關定時是否到，定時沒有到需要繼續(xù)查看是否收到手機端數(shù)據(jù)包，等待執(zhí)行開關動作。

另一方面，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，按鍵也可實現(xiàn)控制燈的開與閉，當按一下按鍵時，相當于執(zhí)行一個中斷，由于該中斷優(yōu)先級別較高，因此可直接驅(qū)使CPU主控模塊發(fā)送命令給可控硅開關，來執(zhí)行開關燈動作，并執(zhí)行WIFI配置動作來配置WIFI模塊，需要設備重啟則執(zhí)行設備重啟動作，流程圖如圖8所示。

圖7　軟件設計流程圖

圖8　按鍵操作流程圖

4實驗結(jié)果驗證與分析

將設計好的硬件電路在PCB板上進行設計，搭建整個智能家居系統(tǒng)實驗平臺，把設計好的移動終端程序和服務器程序分別安裝和移植到Android 智能手機和ARM處理器上，在實驗室環(huán)境下進行了全面的實驗和調(diào)試。系統(tǒng)所采用的手機是具有Android操作系統(tǒng)的三星手機；智能開關是由杜米科技有限公司生產(chǎn)的，該開關既可以由WIFI進行控制，也可以由用戶手動控制；用電設備由紅綠黃3種不同顏色的普通白熾燈組成。首先，用戶在三星智能手機運行實現(xiàn)燈亮滅的軟件，界面上會顯示3個燈的初始狀態(tài)都是滅的，用戶在該界面通過修改該軟件界面控制燈狀態(tài)的圖標，來實現(xiàn)燈的亮與滅；其次，打開無線路由器，為實驗做準備。本實驗是通過修改軟件界面控制黃紅綠三個燈的狀態(tài)，即：點亮黃、綠兩盞白熾燈，紅燈保持不變，調(diào)試結(jié)果如圖9所示。

圖9　調(diào)試結(jié)果

由調(diào)試結(jié)果表明，所設計的智能家居系統(tǒng)運行穩(wěn)定，用戶可在50 m左右的范圍內(nèi)通過操作智能手機，來實現(xiàn)燈泡的點亮與關閉。用戶也可以直接對智能開關進行操作，實現(xiàn)燈泡的開與閉。用戶可通過Android手機發(fā)送命令控制家居中的相應設備，同時Android手機可實時顯示家居中用電設備的狀態(tài)，即使不在家中，也可以實現(xiàn)相應的控制。

5結(jié)語

本文提出的基于Android操作系統(tǒng)的智能手機和無線通信方式的智能家居系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了對家用電器的本地控制。該系統(tǒng)以無線WIFI智能控制為基礎，布線不再煩瑣，具有更好的可擴展性和移植性，節(jié)約了成本，具有廣闊的應用前景。為了進一步實現(xiàn)對家用設備更遠距離的控制，將致力于對操作系統(tǒng)和控制器進行設計，并探索與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，打造更加舒適的家居生活。

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Design of smart home system based on Android platform and WIFI communication

JIAYangjing,ZOUNianyu,LEIDongming,LIWang,JINai,GUOXu,LIPing

( Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:A new design and implementation scheme of smart home were proposed based on Android mobile platform to overcome the limitation in operation, mobility and maintainability. The intelligent mobile phone or tablet computer with Android operational system were used as a control terminal to build up a whole smart home system platform through the wireless router, which takes smart switch with CC3000-WG1300 as the core and STM32F103ARM processor as smart home controller. The results showed that the system could run steadily and the intelligent mobile phones or tablet computer could realize local control for domestic appliances in families.

Key words:smart home; Android; ARM processor; WIFI

作者簡介:賈陽靜(1990-)，女，碩士研究生；通信作者：李 萍(1969-)，女，副教授，E-mail:liping@dlpu.edu.cn.

基金項目:遼寧省普通高等教育本科教改立項(2012130)；遼寧省普通高等教育本科重點支持專業(yè)建設項目(2012108).

收稿日期:2014-06-09.

中圖分類號:TN47

文獻標志碼:A

文章編號:1674-1404(2016)01-0067-05