基于Android的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鐘靜宇 李進(jìn) 樊英明

【摘要】本文主要研究了一種基于Android的智能家居控制系統(tǒng)，采用帶有無(wú)線通信模塊ESP8266的單片機(jī)與手機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，使用溫濕度傳感器、光敏電阻、雨滴傳感器等采集當(dāng)前環(huán)境的溫濕度、光照度和雨水情況，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端，手機(jī)APP顯示當(dāng)前家居環(huán)境的溫濕度、雨水、光照度等數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而控制家居環(huán)境中的各家用設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】智能家居;ESP8266;Android;

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居產(chǎn)業(yè)已經(jīng)讓位于新的發(fā)展。越來(lái)越多的公司和學(xué)者投入了足夠的精力與熱情來(lái)研究和開(kāi)發(fā)智能家居的新技術(shù)產(chǎn)品。一個(gè)擁有智能家居系統(tǒng)的家庭被稱(chēng)為智能家居。智能家居是智能住宅社區(qū)和智慧城市的重要實(shí)踐點(diǎn)，在智慧城市發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。為此，本文主要研究了智能家居的綜合控制方法，并開(kāi)發(fā)了一套基于Android的智能控制系統(tǒng)，通過(guò)集成控制系統(tǒng)來(lái)控制這些住宅設(shè)備和顯示數(shù)據(jù)信息。這些家用電器主要指使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備和收集信息，如燈光和數(shù)據(jù)信息的顯示等。

1. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目是能夠通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程采集家居狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備運(yùn)行，本系統(tǒng)中遠(yuǎn)程采集的信息包括光照度、溫濕度、雨水情況，采用LED燈的遠(yuǎn)程控制模擬家居設(shè)備控制，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)中MCU控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制、組網(wǎng)及信息處理，光照采集模塊電阻、溫濕度檢測(cè)模塊、雨滴檢測(cè)模塊分別采集家居環(huán)境的光照度、溫濕度、雨水情況信息，采用對(duì)LED燈的遠(yuǎn)程控制模擬家居設(shè)備控制;互聯(lián)網(wǎng)通信模塊用于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的處理和收發(fā)。

2. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU控制模塊設(shè)計(jì)

MCU的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，在芯片選取上因?yàn)槲覀兪褂玫浇M網(wǎng)、數(shù)據(jù)的發(fā)送，屬于局域網(wǎng)的無(wú)線通訊，所以在選擇上我們使用了TI公司推出的CC2530芯片，因此它是一款通用性極強(qiáng)的芯片高級(jí)計(jì)量智能能源、家庭與適用于包括消費(fèi)類(lèi)電子、照明、工業(yè)控制與監(jiān)控、保健與醫(yī)療等在內(nèi)的許多市場(chǎng)。CC2530引腳如圖2所示。

2.2 光照檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用光敏電阻作為光照檢測(cè)元件，其具有靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及阻值一致性好等特點(diǎn)。在高溫以及潮濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性。光敏電阻對(duì)光線十分敏感，其在無(wú)光照時(shí)呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5MΩ，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下。光照檢測(cè)電路如圖3所示。

圖中RA1一端與3.3V連接，另一端與CC2530的PA00連接;RA2為光敏電阻，其一端與地連接另一端與CC2530的PA00連接，由于其阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而發(fā)生變化，故輸入PA00的電壓也將相應(yīng)發(fā)生變化，系統(tǒng)就可以根據(jù)PA00端的輸入電壓判斷家居環(huán)境的光照強(qiáng)度。

2.3 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器檢測(cè)家居環(huán)境的溫濕度，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)，其采用單線制串行接口，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。溫濕度檢測(cè)電路如圖4所示。

電路中，R3為上拉電阻，其一端與3.3V電源連接，另一端與CC2530的PA07相連，溫DHT11將溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)單總線以串行通信方式傳輸至CC2530。

2.4 雨滴檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用高品質(zhì)FR-04雨滴傳感器檢測(cè)家居環(huán)境是否有雨水情況，該傳感器采用雙面材料，超大面積5.0*4.0CM感應(yīng)板，并用鍍鎳處理表面，抗氧化，導(dǎo)電性好，壽命長(zhǎng);比較器單線數(shù)字輸出，信號(hào)干凈，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。

電路中，雨滴傳感器4腳和1腳分別與電源VCC和地相連，3腳為數(shù)字輸出腳，與CC2530的PA01相連。當(dāng)感應(yīng)板上沒(méi)有水滴時(shí)，3腳輸出為高電平，當(dāng)檢測(cè)到有水滴時(shí)，3腳輸出為低電平。

2.5 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中MCU與手機(jī)間的各通信信息（包括各檢測(cè)模塊檢測(cè)的家居狀態(tài)信息和手機(jī)端發(fā)出的遠(yuǎn)程控制命令）是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信從傳輸。本設(shè)計(jì)中。采用ESP8266完成這一功能，該芯片是一款超低功耗的UART-WiFi 透?jìng)髂K，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶(hù)的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

ESP8266支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式。

STA模式：ESP8266模塊通過(guò)路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)或電腦通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

AP 模式：ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦直接與模塊通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無(wú)線控制。

STA+AP 模式：兩種模式的共存模式，即可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，方便操作。

本設(shè)計(jì)采用STA+AP模式完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)。

電路中，ESP8266采用3.3V電源供電，其6腳、7腳分別通過(guò)電阻R1、R2與電源VOUT相連，8腳直接與電源VOUT相連;其1腳、3腳與GND相連;5腳為數(shù)據(jù)發(fā)送，與USB接口的3腳相連，4腳為數(shù)據(jù)接收與USB接口的4腳相連，USB接口與CC2530的相應(yīng)通信接口相連。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的手機(jī)APP是基于Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，采用手機(jī)APP可完成智能家居環(huán)境的狀態(tài)信息顯示和控制命令的發(fā)放，其界面顯示信息包括本地的IP地址和端口號(hào)，家居終端獲目標(biāo)設(shè)備的IP地址與端口號(hào)，家居環(huán)境當(dāng)前狀態(tài)信息（溫度、濕度、光照強(qiáng)度、雨滴狀況），界面控制信息包括各LED燈（用于模擬各受控智能家居）開(kāi)關(guān)狀態(tài)。APP界面如圖7所示。

3.2 Android程序設(shè)計(jì)

軟件運(yùn)行后，首先執(zhí)行連接路由器的程序，然后進(jìn)入wifi接收通信數(shù)據(jù)程序，如果沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)設(shè)置則轉(zhuǎn)入?yún)?shù)設(shè)置程序，如果已經(jīng)設(shè)置了則轉(zhuǎn)入wifi發(fā)送數(shù)程序，然后再判斷是否要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，重復(fù)上述流程。流程圖如圖8所示。

4. 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種低成本，高效能基于Andriod的物聯(lián)網(wǎng)模式的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但功耗低而且成本也低，方便操作開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)，通過(guò)ESP8266模塊與手機(jī)互連通信，手機(jī)APP發(fā)送控制指令控制用于模擬家居設(shè)備的LED燈，并顯示當(dāng)前家居環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]婁偉，施國(guó)英，吳德軍等.基于ARM和TCP/IPLean的智能家居控制器的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010（07）：1484‐1487.

[2]吳波.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)研究[D].江蘇大學(xué)，2012.

[3]常用AT命令手冊(cè)[DB/OL].

[4]張毅，趙子顧.基于nRF24AP1的智能家居設(shè)計(jì)方案[j].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（06）：48‐50.

[5]劉余，孟小華 嵌入式智能家居終端通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010（08）：1689‐1692

[6]邱寄帆主編.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2015

作者簡(jiǎn)介：鐘靜宇 山東煙臺(tái)人，17級(jí)在校大專(zhuān)學(xué)生;李進(jìn) 山西人，副教授，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。