基于智能手機服務(wù)菜單的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計

陳崇輝 鄧筠

摘 要： 針對手機語音通話中聽錄音來確定遠(yuǎn)程控制服務(wù)對象，設(shè)計一種基于智能手機控制服務(wù)菜單的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，提出Android智能手機可視化菜單遠(yuǎn)程控制燈光的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計并分析系統(tǒng)硬件電路組成及工作原理，論述軟件程序工作流程，重點研究并提出新的可視化控制服務(wù)菜單的操作方法。實驗調(diào)試結(jié)果顯示，通過操作智能手機運行的可視化控制服務(wù)菜單APP，系統(tǒng)能夠可靠地、準(zhǔn)確地接收遠(yuǎn)程控制指令，點亮或熄滅燈泡，實現(xiàn)設(shè)計效果。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程控制； 服務(wù)菜單； 控制服務(wù)； 雙音多頻； 過零檢測

中圖分類號： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0082?04

Design of remote control system based on smart phone service menu

CHEN Chonghui， DENG Jun

（School of Electrical Engineering， Guangzhou College of South China University of Technology， Guangzhou 510800， China）

Abstract： Since the remote control service object is determined by listening recording in the phone voice calls， a remote control system based on smart phone control service menu was designed. The system structure of visual menu remote control lighting for Android smart phone is proposed. The system hardware circuit and working principle are designed and analyzed. The workflow of software program is discussed. The new operating method of the visual control service menu is proposed and emphatically researched. The experimental debugging results show that the system can receive the remote control commands reliably and accurately， and light or extinguish the bulb by operating the visual control service menu APP of smart phone. The design effect was realized.

Keywords： remote control； service menu； control service； DTMF； zero crossing detection

0 引 言

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠讓身在異地的人對燈光或其他電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，已經(jīng)有非常多的成熟設(shè)計以及產(chǎn)品面世，也有大量的論文進(jìn)行了論述。目前的遠(yuǎn)程控制方式主要有基于因特網(wǎng)的計算機或手機的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制[1?2]，但網(wǎng)絡(luò)存在一定的時延，實時性較差，控制效果不盡人意；第二種方式是通過手機短信進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3?5]，但短信的時延有時更加難以保證，實時性更差；第三種方式是通過手機建立實時語音電話[6]，實時性較好，但要聽錄音電話，按1控制什么，按2控制什么，要集中注意力去聽，否則聽完還找不到要控制的數(shù)字與對象。針對這些問題，本文通過建立實時語音電話，把控制服務(wù)語音錄音設(shè)計成為一個控制服務(wù)菜單，一旦手機與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)成功建立語音電話，手機就自動彈出控制服務(wù)菜單，要控制什么都是可視化的操作即可完成，非常直觀與實用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文綜合運用單片機技術(shù)、GSM通信技術(shù)和智能手機APP技術(shù)，設(shè)計了基于手機服務(wù)菜單的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由智能手機和控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能手機運行自行設(shè)計的手機控制服務(wù)菜單APP，而控制系統(tǒng)以單片機MCU為控制核心，控制GSM模塊與手機建立語音電話，語音輸出端經(jīng)過DTMF解碼電路還原出手機端所按的數(shù)字，單片機輸出高低電平控制繼電器的動作，從而實現(xiàn)燈光或其他電器設(shè)備的遠(yuǎn)程開關(guān)控制，同時設(shè)計了反饋檢測電路，對受控?zé)艄饨涣麟娫催M(jìn)行實時檢測，同時對受控?zé)艄馐欠癜l(fā)光進(jìn)行實時檢測，并通過某個頻率的聲音反饋回手機APP界面實時顯示，從而得知控制指令觸發(fā)之后是否成功驅(qū)動了控制對象。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機及GSM模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用SIMCom公司SIM900A模塊作為語音電話的無線通信模塊，負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與用戶手機建立語音電話，從而在智能手機端APP服務(wù)菜單實現(xiàn)直觀的遠(yuǎn)程控制功能。系統(tǒng)單片機MCU選用IAP15W4K58S4高性能8051單片機芯片，其集成4組全雙工異步串行通信口（UART）[7]，而SIM900A模塊的通信端口為USART方式，兩者兼容，因此單片機MCU通過串行口通信對其發(fā)送AT指令即可控制SIM900A模塊，建立語音電話的步驟及涉及到的關(guān)鍵AT指令如表1所示[8]。

2.2 按鍵音解碼電路

通過智能手機服務(wù)菜單傳遞過來的數(shù)字按鍵音的解碼需要DTMF解碼電路實現(xiàn)，由MT8870解碼芯片組成的DTMF電路通過對雙音多頻信號的解碼還原成二進(jìn)制數(shù)字信號，MT8870電路原理圖如圖2所示。

圖2中DTMF連接SIM900A模塊的語音輸出端，經(jīng)過芯片內(nèi)部的濾波、放大、高低音頻分離以及譯碼等運算處理后，從Q4～Q1輸出8421碼作為單片機MCU的數(shù)據(jù)輸入端口，為了使系統(tǒng)獲取有效數(shù)據(jù)，MT8870的STD引腳只有在獲取有效雙音多頻信號后，才會輸出高低電平的變化，從而觸發(fā)單片機的外部中斷，識別4位二進(jìn)制代碼，還原手機端所按的數(shù)字按鍵。

2.3 控制及反饋檢測電路

控制電路采用繼電器或者固態(tài)繼電器來實現(xiàn)弱電對強電的控制，由于是遠(yuǎn)程控制，所以控制對象有沒有相應(yīng)的動作效果無從得知。通過設(shè)計相應(yīng)的反饋檢測電路實現(xiàn)動作執(zhí)行的效果監(jiān)控，以一路燈光控制為例，控制及反饋檢測電路原理圖如圖3所示。圖中一路是通過光耦合器檢測燈泡兩端是否有交流供電電壓，另一路是通過光敏傳感器檢測燈泡是否發(fā)光，并傳輸回手機服務(wù)菜單實時顯示，從而遠(yuǎn)程獲取燈泡收到指令后實時的控制情況。

當(dāng)P10為高電平時，V2截止，繼電器J1釋放，燈泡LAMP兩端沒有電壓，因此光耦合器U3處于截止?fàn)顟B(tài)，CHECK1輸出高電平，同時燈泡熄滅狀態(tài)，光敏傳感器RG沒有接收到光照，三極管V3處于導(dǎo)通狀態(tài)，CHECK2輸出低電平；反之當(dāng)P10為低電平時，V2導(dǎo)通，繼電器J1閉合，燈泡LAMP兩端有交流220 V電壓，該電壓經(jīng)過VD8半波整流，R10，R11，R13分壓而導(dǎo)致光耦合器U3處于導(dǎo)通狀態(tài)，CHECK1輸出低電平，同時燈泡發(fā)光，光敏傳感器RG接收到光照，三極管V3處于截止?fàn)顟B(tài)，CHECK2輸出高電平。此時如果燈泡本身壞了，能夠檢測到燈泡兩端的電壓，但無法檢測到燈泡發(fā)出光照，因此通過設(shè)計反饋檢測電路能夠?qū)崟r了解遠(yuǎn)程控制的實際動作效果，提高了遠(yuǎn)程控制的可靠性。

2.4 過零檢測電路

過零檢測電路由V1及外圍元件構(gòu)成，如圖4所示。輸入交流220 V電壓經(jīng)過變壓器T1降壓后，輸出低壓交流信號，經(jīng)過VD5和VD6整流形成100 Hz脈動直流信號，電阻R5和R6分壓后經(jīng)過電容C5濾波，減去高頻成分，進(jìn)入晶體三極管V1的基極。

當(dāng)輸入信號為0時，三極管V1截止，其集電極在上拉電阻R7作用下輸出高電平；當(dāng)V1基極輸入電壓大于0.7 V時，V1導(dǎo)通，其集電極輸出低電平。所以在輸入信號的零點附近時，會形成脈沖信號。該脈沖信號與交流50 Hz信號同步，并進(jìn)入單片機MCU產(chǎn)生中斷，檢測電壓的零點，從而減小控制部分開關(guān)器件在電路中打開和關(guān)斷時產(chǎn)生的浪涌電流，有效降低浪涌電流對電路器件的沖擊，延長器件的使用壽命[9]。

3 控制系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

為了提高控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實時控制操作的安全性，首先判斷手機模塊來電號碼是否是預(yù)存的合法號碼，如果不是，不予接收；如果是，則接聽語音電話，將收到的數(shù)字按鍵聲音代碼送入DTMF解碼，經(jīng)過單片機處理并還原出所按數(shù)字并輸出控制信號。比如打開一個燈泡，則輸出低電平信號，驅(qū)動繼電器閉合，燈泡接通交流電壓并發(fā)光，此時，反饋檢測電路實時檢測燈泡兩端的電壓和發(fā)光情況，并通過某個頻率的聲音信號反饋回智能手機APP進(jìn)行處理顯示，從而實時得知此次打開燈泡指令的執(zhí)行情況。關(guān)閉一個燈泡的過程類似，除了發(fā)出相應(yīng)的指令，輸出相應(yīng)的控制信號外，還需要實時檢測控制對象的操作結(jié)果。控制指令完成后，則掛斷語音電話，完成一次遠(yuǎn)程控制操作。

4 手機服務(wù)菜單APP設(shè)計

在智能手機電話的呼出流程中，輸完對方號碼后，最后需要按下?lián)芴栨I，才能將電話撥打出去，此時遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)自動識別來電號碼并接通語音電話，這兩個界面都是InCallScreen。控制服務(wù)菜單APP通過InCallScreen.java中的call_card控件，在后臺檢測到所撥打的號碼以及通話時間，隨即激活成為當(dāng)前控制服務(wù)進(jìn)程。控制服務(wù)菜單APP設(shè)計效果如圖6所示。

控制服務(wù)菜單界面通過調(diào)用incall_touch_ui控件，實現(xiàn)可視化的控制服務(wù)菜單列表，提供通話掛斷按鈕incomingCallWidget、免提按鈕audioButton、麥克風(fēng)靜音按鈕muteButton、呼叫保持按鈕holdButton等；通過調(diào)用dtmf_twelve_key_dialer_stub控件，顯示DTMF撥號控制鍵盤按鈕，該控件為DTMF控件，也就是0～9以及*和#的撥號鍵盤對應(yīng)的功能實現(xiàn)[10]。撥號按鍵的音量大小以及按鍵音的長短對DTMF編碼傳輸?shù)某晒β视幸欢ǖ挠绊懀ㄟ^對DTMFTwelveKeyDialer.java中的startDialerSession控件進(jìn)行設(shè)置的方法可改變撥號按鍵音量大??；通過對手機觸摸屏按壓操作可調(diào)整按鍵音的長短，從而提高語音通話過程中數(shù)字按鍵DTMF編碼的可靠傳輸。

5 系統(tǒng)測試

5.1 過零檢測脈沖信號測試

交流電壓信號是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波波形信號，經(jīng)過橋式整流變成脈沖直流電壓信號，示波器實測波形如圖7（a）所示，圖中頻率為100.10 Hz，是交流電壓頻率的2倍；輸入交流信號的零點左右會形成窄脈沖信號，示波器實測波形如圖7（b）所示，圖中頻率為100.05 Hz。數(shù)據(jù)測試中所使用的設(shè)備為固緯GDS?1152A數(shù)字存儲示波器，波形為示波器直接存儲原圖。

5.2 遠(yuǎn)程控制功能測試

通過智能手機撥打遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的號碼，建立語音電話，此時按下數(shù)字按鍵，即可控制相應(yīng)燈泡的點亮和熄滅。如圖8所示為一個燈泡點亮效果圖。

經(jīng)過多次手機數(shù)字按鍵控制測試，對于智能手機的電容式觸摸屏的操作，按下數(shù)字按鍵時，需要稍微按住按鍵并持續(xù)一點時間，而不應(yīng)過于急促，保證手機數(shù)字的雙音多頻編碼信號能夠可靠傳輸，提高遠(yuǎn)程控制的可靠性，實現(xiàn)設(shè)計效果。

6 結(jié) 語

本文針對實時語音電話可視化服務(wù)菜單遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，提出Android智能手機服務(wù)菜單和遠(yuǎn)程控制燈光的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別對系統(tǒng)硬件電路原理、軟件流程和控制服務(wù)菜單APP進(jìn)行設(shè)計和說明。實驗證明基于智能手機服務(wù)菜單的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，在智能手機與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)成功建立語音電話后，通過可視化的菜單操作控制，能夠直觀方便地對燈光等電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

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