基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)

李潤寧+楊建豪+光金正+方國好

摘 要： 本設計以STM32為控制核心，手機APP為人機交互界面、互聯(lián)網作為信號傳輸媒介、STM32接收端進行紅外信號轉換、家中電器設備作為執(zhí)行機構，通過該系統(tǒng)用戶可以通過手機APP遠程控制家中NEC紅外電器設備，突破紅外遙控的距離限制，該控制系統(tǒng)創(chuàng)造性地將網絡信號轉化成紅外信號，無需電器設備的升級換代，即可實現(xiàn)互聯(lián)網遠程控制紅外電器設備，通過手機APP控制具有控制方便，操作簡單等特點，互聯(lián)網傳輸控制指令具有傳輸距離遠，數(shù)據(jù)安全快速等優(yōu)勢，將網絡信號轉化成紅外信號可以最大限度地降低家居智能化成本 。

關鍵詞： 智能家居；紅外控制；網絡通訊

中圖分類號：TP242.6

文獻標志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）02-0131-04

Abstract：The paper proposes this design， which takes the STM32 as the core， a mobile phone APP for human-computer interaction interface， Internet as a signal transmission medium， STM32 receiver as infrared signal conversion， and home electrical equipment as actuator. Through the system， user can applies the phone APP to realize remote control of home NEC infrared appliances equipment， so break through the infrared remote control distance limit.In the control system， network signal is creatively converted into the infrared signal， without electrical equipment upgrading， it can be achieved that applying Internet effectively provides remote control of infrared electrical equipment. The advantages of the system are as follows： the introduction of the mobile phone APP is easy to control and operate etc.， the Internet transferring control instruction has such features as long transmission distance， fast and secure data， and the function that the network signal is converted into intelligent infrared signals can maximumly reduce household costs.

Keywords：smart home； infrared control； Internet communication

0 引 言

隨著網絡和嵌入式技術的發(fā)展，智能家居得到了有利興起契機，并已然成為物聯(lián)網的重要功能方向之一。但是，目前的智能家居系統(tǒng)主要用在一些高檔社區(qū)，卻并未進入普通家庭。究其原因，分析可得2條主要制約因素，一是現(xiàn)有技術對傳統(tǒng)設備的難以兼容，設備必須升級換代接入互聯(lián)網才能實現(xiàn)智能化控制，二是系統(tǒng)操作復雜，不易推廣。目前智能家居領域迫切需要研發(fā)推出一定意義上優(yōu)質實用的智能家居控制系統(tǒng)解決方案，不僅能夠呈現(xiàn)出較高穩(wěn)定性，而且成本低廉，操作方便。為此，本文即設計提出了一種基于智能手機的智能家居控制系統(tǒng)，以手機APP作為智能家居控制終端，以互聯(lián)網為媒介，以STM32嵌入式系統(tǒng)為接收端，STM32接收端可將APP的網絡信號轉換成紅外信號發(fā)送出去，因此能夠兼容目前市面上的絕大多數(shù)的NEC紅外設備，最大限度地降低用戶構建智能家居使用成本。用戶通過手機就能夠隨時隨地查看家居的實時狀態(tài)并進行操控管理，實現(xiàn)了對家居用電的無條件自由在線管控，減少了家居能源的消耗成本，該智能家居控制系統(tǒng)操作簡單，具有極強的兼容性軟件設計。

1 控制系統(tǒng)設計概述

基于紅外控制的智能家居網絡系統(tǒng)包括手機APP客戶端，網絡服務器和STM32接收端。用戶通過智能手機APP的交互界面發(fā)送控制指令至網絡服務器，網絡服務器則將接收到的控制指令轉發(fā)到家中的STM32接收設備，STM32接收端在將來自服務器的網絡指令解析和處理之后即以紅外信號發(fā)送到家中電氣設備，輕松實現(xiàn)用戶對電氣設備的遠程控制。研究可得控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設計

STM接收端主要以STM32嵌入式控制芯片作為主控制器，外接各種傳感器模塊，通訊模塊而共同構建組成。這里，則給出接收端的結構設計框圖具體如圖2所示。

2.1 控制器

近年來，各種款型微處理器陸續(xù)進入實踐選擇范疇，其中的ARM 系列芯片即已成為應用廣泛且位居潮流頂端的處理器之一。 本文采用的是意法半導體（ST）公司生產的 STM32F407芯片，該芯片采用ARM Cortex-M4內核，主頻高達168 MHz，配備了14個定時器，144個接口，具有低功耗、低調試成本、 處理速度快、集成度高等眾多優(yōu)點。 作為 ARM 系列的優(yōu)秀一員，鑒于其強大功能、及出眾性價比等品質表現(xiàn)，即使得其在本次研發(fā)中高度吻合并滿足了圍繞核心關鍵系統(tǒng)所生成的重點設計要求和實際應用。

2.2 網絡模塊

網絡模塊選擇ATK-ESP8266模塊，這是ALIENTEK設計提供的一款高性能的UART-WIFI（串口-無線）模塊。該模塊獲得了FCCCE認證，通過采用串口與MCU通信，內置TCP/IP協(xié)議棧，能夠實現(xiàn)串口與WIFI之間的轉換。借助ATK-ESP8266模塊，串口設備僅僅需要根據(jù)模塊通信協(xié)議，進行串口配置，即可通過網絡（ WIFI）傳輸自身的數(shù)據(jù)。同時，模塊還支持串口轉WIFI STA、串口轉AP和WIFI STA+WIFI AP等多種處理模式。至此，研究可得ESP8266網絡模塊電路如圖3所示，而網絡模塊與STM32芯片的硬件連接則如圖4所示。

2.3 NEC紅外模塊

紅外模塊選擇NEC紅外發(fā)射模塊，該模塊內置硬件NEC協(xié)議可以節(jié)省單片機資源，提升控制系統(tǒng)的運行速度。單片機通過串口和紅外模塊相連，紅外 NEC模塊將單片機的指令以紅外信號發(fā)射給電器設備。本次系統(tǒng)研發(fā)實現(xiàn)中，NEC紅外模塊電路設計如圖5所示。同時，還進一步設計提供了紅外模塊和STM32芯片硬件連接如圖6所示。

3 軟件設計

3.1 APP設計

Android的APP客戶端控制系統(tǒng)的研究關鍵可重點分為用戶界面UI、Socket通信、SQLite數(shù)據(jù)庫的設計。Android應用程序由多個組件構成，其中包括activities、services、content providers、broadcast receivers等組件，每個組件在應用程序中執(zhí)行不同的任務。APP操作界面如圖7所示。

3.2 基于Socket通信

在網絡編程方面，Android設置了良好支持。對于TCP傳輸，Android提供Socket和SetverSocket類。對于UDP傳輸，提供DatagramSocket和DatagramPackage類。Socket編程是底層的網絡編程方式，是建立與其他應用協(xié)議的基礎。通過建立Socket對象，就可以指定打開輸入輸出流來開展有效通信?？蛻舳撕头掌髦g通信的實現(xiàn)一般需要9個基本步驟，具體如下：

1）建立Serversocket類對象，初始化服務器，等待客戶端發(fā)出連接請求；

2）建立Socket類對象，初始化客戶端，同時向服務器發(fā)出連接請求；

3）服務器響應客戶端請求并且搭建服務器與客戶端的連接；

4）客戶端發(fā)出命令和數(shù)據(jù)給服務器；

5）服務器響應客戶端請求；

6）服務器返回并處理客戶端的結果；

7）客戶端接收服務器返回的結果；

8）重復4）至7）步，直至客戶端結束對話；

9）中斷連接，結束通信。

3.3 SQLite數(shù)據(jù)庫

由于智能家居各種信息數(shù)據(jù)量較小，時期較短，無需更大的數(shù)據(jù)庫，所以本應用程序使用了Android平臺內置的SQLite數(shù)據(jù)庫。SQLite可以減少應用程序管理數(shù)據(jù)的開銷，對于SQLite的操作，Android還定制研發(fā)了SQLiteDambase類和SQLiteOpenHelper類。其中，SQLiteOpenHelper類提供2個方法—onCreat（）和onUpgrade（）對SQLite數(shù)據(jù)庫進行創(chuàng)建和更新，此外又提供有getWritableDatabase（）方法來獲得數(shù)據(jù)庫對象。SQLiteDatabase類則提供一些方法，可以用于創(chuàng)建、刪除、處理SQL指令、連同統(tǒng)籌規(guī)劃常規(guī)數(shù)據(jù)庫的機制管理，如execSQL（）可以執(zhí)行SQL語句，insert（）可以插入表項，update（）可以更新表項等。而數(shù)據(jù)庫將主要用于存儲如下信息，分別是：設備號、家用電器設備類型、各個設備的信息狀態(tài)。

3.4 STM32接收端軟件設計

軟件設計的思想是，單片機通過ESP8266網絡模塊對TCP/IP協(xié)議族的ARP、IP、ICMP、TCP、UDP、DHCP協(xié)議依次實現(xiàn)指定配置。在TCP-CLIENT模式下，STM32接收端主動向遠端服務器發(fā)出連接請求，遠端服務器相應的監(jiān)聽程序在運行時，則建立連接。連接建立后，接收端與遠程服務器可以進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸，在與手機APP轉入通訊鏈接之后，將APP的網絡信號以紅外信號的形式發(fā)出。軟件設計流程如圖8所示。

4 結束語

將開發(fā)完成的APP安裝在手機上，經多次測試，可以通[CM（26]過Internet上的服務器實現(xiàn)家居電器設備的遠程控制。通過

[CM）][LL]本系統(tǒng)研發(fā)設計家居電器設備的集中控制，得到當前家居設備運行最新狀況。采用智能手機軟件控制+接收端信號轉化控制，和當前其他的幾種終端控制方式相比優(yōu)勢明顯。采用的手機軟件具有通用性，利于移植；市場的應用價值高，易于推廣。本系統(tǒng)所需硬件簡單易用、穩(wěn)定可靠，智能家居成本大大降低。

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