基于Android的雙控智能無線燈具控制系統(tǒng)*

孔德超，楊海濤，張家坤

（北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

伴隨著科技水平的迅速發(fā)展和生活水準(zhǔn)的不斷提高，人們對生活的各個方面都提出了更高要求，智能家居慢慢進(jìn)入到千家萬戶[1]。燈具控制系統(tǒng)是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，但是傳統(tǒng)的有線燈具控制系統(tǒng)需要提前在墻內(nèi)鋪設(shè)電力線，已經(jīng)無法滿足人們對追求高質(zhì)量生活的要求。針對此問題，目前市場上出現(xiàn)了許多無線燈具控制系統(tǒng)。經(jīng)過對目前無線燈具控制系統(tǒng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，燈具控制主要運(yùn)用了ZigBee、藍(lán)牙和WiFi三類無線通信技術(shù)。但是，這三種燈具控制方式存在以下缺點：ZigBee不能穿過墻體控制相鄰房間的燈具，限制了其使用范圍；藍(lán)牙燈具控制系統(tǒng)需要把藍(lán)牙集成到燈具中[2]，如若控制多個燈具需要增加藍(lán)牙個數(shù)，增加了控制系統(tǒng)的成本；WiFi燈具控制系統(tǒng)需要依賴WiFi網(wǎng)絡(luò)[3]，存在受限于網(wǎng)絡(luò)的弊端。因此，市場上現(xiàn)存的無線燈具控制系統(tǒng)從價格、使用條件及安裝的便利性方面來說，未能解決無線燈具控制系統(tǒng)的本質(zhì)問題。

針對目前市場現(xiàn)存的無線燈具控制系統(tǒng)的弊端，結(jié)合人們對無線燈具控制系統(tǒng)的需求和Android智能手機(jī)的普及，本文設(shè)計了一種基于Android的雙控智能無線燈具控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)通過手機(jī)APP與藍(lán)牙通信，藍(lán)牙通過串口向無線中繼系統(tǒng)發(fā)送控制信息，無線中繼主控芯片STC89C51接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將解析得到的房間地址和燈具號通過編碼芯片2262和315 MHz無線模塊發(fā)送到燈具接收端實現(xiàn)燈具的控制。同時，可以通過低功耗觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)燈具的控制。本設(shè)計系統(tǒng)不僅可以通過Android手機(jī)端通過無線中繼系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的控制，還可以通過低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的控制，實現(xiàn)了對燈具系統(tǒng)的雙控。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

本文設(shè)計的基于Android的智能雙控?zé)o線燈具控制系統(tǒng)，主要由手機(jī)APP通過中繼系統(tǒng)和低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的控制。第一種控制方式由手機(jī)APP人機(jī)交互端、無線中繼控制系統(tǒng)和燈具控制系統(tǒng)三部分組成。手機(jī)APP通過藍(lán)牙協(xié)議與HC-05藍(lán)牙進(jìn)行通信，并把燈具的地址和被控?zé)艟咛柾ㄟ^藍(lán)牙傳送至無線中繼系統(tǒng)。無線中繼控制系統(tǒng)包括藍(lán)牙、STC89C51最小系統(tǒng)、2262編碼芯片及315 MHz無線發(fā)射模塊。藍(lán)牙負(fù)責(zé)將接收到的APP數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到STC89C51單片機(jī)；STC89C51單片機(jī)負(fù)責(zé)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從而得到被控?zé)艟叩牡刂泛蜔艟咛?，并控?262系列編碼芯片通過315 MHz無線模塊發(fā)射一次有效的數(shù)據(jù)信息。無線燈具接收端由解碼芯片2272、315 MHz無線接收模塊及燈具控制電路組成。315 MHz無線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過解碼芯片2272進(jìn)行解碼，并判斷解碼后的地址與燈具控制端所設(shè)地址是否匹配。若匹配，則控制燈具亮滅；若不匹配，則無任何動作。第二種控制方式是通過低功耗觸摸按鍵芯片TTP223控制2262編碼芯片無線發(fā)射編碼信號實現(xiàn)對燈具的控制。本控制系統(tǒng)不僅可以通過手機(jī)實現(xiàn)對燈具的控制，還可以通過低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的控制?？傮w系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2 手機(jī)APP控制端

本系統(tǒng)使用的移動終端設(shè)備是Android智能手機(jī)，APP開發(fā)使用AndroidStudio開發(fā)平臺，通過建立良好的人機(jī)交互界面給用戶帶來更好的體驗[4]。首次登陸APP需要根據(jù)用戶自身的需求增加房間，單擊進(jìn)入增加的房間為每個房間增加燈具。由于一個地址（房間）可以控制4個燈具，所以每個地址可以控制4個燈具。每個房間可以自己手動設(shè)定地址，設(shè)定的地址通過Android提供的SharedPreferences進(jìn)行持久化保存，且房間地址根據(jù)需求可以進(jìn)行更改。APP界面設(shè)計如圖2所示。

圖2 APP設(shè)計界面

進(jìn)入房間設(shè)定好參數(shù)后，執(zhí)行打開藍(lán)牙、搜索藍(lán)牙及連接藍(lán)牙等操作。成功連接藍(lán)牙后，可以與無限中繼系統(tǒng)進(jìn)行通信，并對燈具進(jìn)行控制。APP工作流程如圖3所示。

圖3 APP工作流程

若軟件正常運(yùn)行，需要在Android的配置文件下添加藍(lán)牙使用權(quán)限聲明，否則無法正常使用藍(lán)牙。添加藍(lán)牙權(quán)限如下：

＜uses-permission android∶name=”android.permission.BLUETOOTH”/＞

＜uses-permission android∶name=”android.permission.BLUETOOTH_ADMIN”/＞

在Android開發(fā)中，只需調(diào)用Android本身提供的藍(lán)牙API函數(shù)，即可和藍(lán)牙建立無線數(shù)據(jù)通信[5-6]。一般Android系統(tǒng)與藍(lán)牙建立通信流程，如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙建立通信流程

3 無線中繼系統(tǒng)

無線中繼系統(tǒng)由三部分組成：藍(lán)牙模塊、STC89C51單片機(jī)控制模塊和無線發(fā)射系統(tǒng)。藍(lán)牙模塊用于接收手機(jī)APP發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給STC89C51單片機(jī)；STC89C51單片機(jī)將接收的數(shù)據(jù)解析出房間地址和房間燈具號控制無線發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；無線編碼芯片及315 MHz無線發(fā)射模塊用于將單片機(jī)解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送到對應(yīng)地址的燈具接收端。無線中繼系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 無線中繼系統(tǒng)

3.1 藍(lán)牙及單片機(jī)系統(tǒng)

本無線中繼系統(tǒng)使用HC-05藍(lán)牙串口通信模塊，通過單片機(jī)串口或者使用PC機(jī)上位機(jī)串口軟件，用AT指令設(shè)置其藍(lán)牙名稱、密碼、波特率及工作方式等。本系統(tǒng)使用藍(lán)牙的波特率為9 600 b/s，工作模式為從機(jī)模式。STC89C51單片機(jī)負(fù)責(zé)解析藍(lán)牙接收的數(shù)據(jù)。由于本無線中繼系統(tǒng)能夠控制256個地址，且每個地址可以控制4個燈具，因此可控制1 024組燈具。通過手機(jī)APP發(fā)送的數(shù)據(jù)共有4位數(shù)字，其中前3位是燈具地址，最后1位代表被控?zé)艟咛?。因此，?位數(shù)據(jù)取出作為燈具的地址送入單片機(jī)的P0口，用于控制無線發(fā)射的地址；將數(shù)據(jù)的最后1位取出送入單片機(jī)的P2口的低4位，用于選擇控制指定的燈具號。原理如圖6所示。

3.2 無線發(fā)射系統(tǒng)

無線發(fā)射系統(tǒng)包含編碼芯片2262和315 MHz無線發(fā)射模塊。2262系列編碼芯片是一款CMOS工藝的低價位、低功耗的通用無線編碼芯片[7-8]，被廣泛應(yīng)用于低成本無線通信控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊采用的是工作頻率為315 MHz的調(diào)幅方式，通過增加天線可以增加整個發(fā)射系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送的距離范圍。為了整個無線發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計的緊湊性和美觀性，本設(shè)計通過在PCB板上通過鋪設(shè)銅線代替天線。無線發(fā)射系統(tǒng)原理如圖7所示。

A1～A8為無線編碼芯片的地址控制端已連接單片機(jī)的P0口，OSC1和OSC2用于連接振蕩電阻本設(shè)計系統(tǒng)選用的電阻為1.2 MΩ。D0～D3為編碼芯片的數(shù)據(jù)口連接至單片機(jī)P2口的低4位，用于控制燈具號。通過控制TE引腳的低電平時間，控制無線編碼芯片有效發(fā)射編碼信號的次數(shù)。本無線控制系統(tǒng)要求每次接收到數(shù)據(jù)時只發(fā)射一次有效數(shù)據(jù)，故需要精確控制TE引腳的低電平時間，以避免產(chǎn)生誤操作。經(jīng)過實際測試，TE管腳低電平時間控制在15 ms，可以控制無線發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一次有效信號。

圖6 藍(lán)牙及單片機(jī)原理

圖7 無線發(fā)射系統(tǒng)原理

4 低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)

本系統(tǒng)由低功耗觸摸按鍵芯片TTP223、2262編碼芯片和315 MHz發(fā)射模塊組成。編碼芯片2262和315 MHz模塊組成發(fā)射系統(tǒng)，實現(xiàn)對編碼信號的發(fā)送。本系統(tǒng)由2塊CR2032紐扣電池供電。當(dāng)沒有檢測到觸摸動作時，本系統(tǒng)只有低功耗觸摸鍵芯片TTP223耗電，耗電電流極低，僅有12.6 μA。當(dāng)檢測到觸摸動作時，TTP223輸出端口輸出高電平驅(qū)動整個無線發(fā)射系統(tǒng)工作，并發(fā)射一次有效編碼信號控制燈具的亮滅。工作時，整個系統(tǒng)耗電電流為257.5 μA。經(jīng)計算，2塊CR2032紐扣電池完全滿足一年的使用要求。低功耗無線發(fā)射系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)原理

5 無線燈具接收系統(tǒng)

本無線接收系統(tǒng)用于接收來自無線中繼系統(tǒng)發(fā)射的編碼信號，將接收到的編碼信號通過2272系列解碼芯片進(jìn)行解碼[9-10]。將解碼得到的地址與本接收端地址進(jìn)行匹配，如若兩者地址一致，則控制燈具進(jìn)行亮滅，否則無任何動作。燈具接收系統(tǒng)電路如圖9所示。

圖9 燈具接收系統(tǒng)原理

無線燈具接收端通過簡單的限流、整流及穩(wěn)壓電路為無線接收系統(tǒng)供電，降低了使用變壓器降壓的成本。無線接收端地址可以根據(jù)用戶需求通過撥碼開關(guān)S1設(shè)置。同一地址下，可以通過撥碼開關(guān)S2選擇D0～D3任意一個數(shù)據(jù)口控制燈具的亮滅。無線燈具接收端設(shè)定的地址與APP客戶端和低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)設(shè)定的地址相同，才能實現(xiàn)對燈具的雙控。

6 結(jié) 語

本文針對目前市場上存在的無線開關(guān)用戶體驗差、成本高及安裝不便的弊端，提出了一種基于Android的雙控智能無線開關(guān)控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)不僅可以通過手機(jī)APP端實現(xiàn)對燈具的控制，還可以通過低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射端實現(xiàn)對燈具的控制。本無線燈具控制系統(tǒng)相比市場上現(xiàn)存的其他無線燈具控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：本系統(tǒng)采用藍(lán)牙與手機(jī)通信解決了WiFi網(wǎng)絡(luò)的限制；手機(jī)APP端和無線燈具接收端可以由用戶自由設(shè)置被控?zé)艟叩牡刂窐O大地方便了用戶的使用；本系統(tǒng)的無線中繼系統(tǒng)可以控制燈具的數(shù)目多達(dá)1 024組，因此用戶可以通過手機(jī)APP和一個無線中繼系統(tǒng)輕松控制1 024組燈具，極大地降低了使用成本；本無線中繼系統(tǒng)采用315 MHz與燈具控制系統(tǒng)通信，解決了ZigBee不能穿墻控制燈具的弊端。