基于WIFI通信技術(shù)和Android設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和 WIFI 技術(shù)的不斷進(jìn)步，使 WIFI 成為目前應(yīng)用最普遍的無(wú)線通信方式之一，居民已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi) WIFI 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，利用 WIFI 進(jìn)行家居的智能控制也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，智能家居系統(tǒng)的工作方式就是利用手機(jī)、平板等終端來(lái)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，經(jīng)過(guò)各種基于信號(hào)接收和發(fā)送功能的傳感器來(lái)控制家用電器設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程無(wú)線控制． 本文介紹的 是基于 WIFI 技術(shù)，通過(guò) ESP8266 模塊把 STM32 連接到外網(wǎng)，然后由手機(jī)的 APP 發(fā)送控制指令， ESP8266 串口WIFI 模塊接收到指令后，再向 STM32 發(fā)送信號(hào)，STM32 經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)的處理，通過(guò)繼電器或紅外遙控等方式對(duì)相應(yīng)的電器設(shè)備發(fā)出功能指令，控制電器設(shè)備的通斷或進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成一個(gè)無(wú)線智能控制通信網(wǎng)絡(luò)．

1系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成如圖 1 所示，主要由智能控制終端（ 手機(jī)或 IPAD） 、WIFI 通信、中央處理單元 MCU、信號(hào)采集模塊、各類家用電器等幾部分構(gòu)成． 本系統(tǒng)是通過(guò) ESP8266 串口WIFI 模塊將 STM32 中央處理單元連接到外網(wǎng)，而手機(jī)上的 APP 基于 TCP / IP 通信協(xié)議，通過(guò)其 WIFI 功能與 ESP8266 串口 WIFI 模塊建立通信，其中 ESP8266 串口 WIFI 模塊作為服務(wù)器端 + 路由器（ SEＲVEＲ + AP） ． 首先由手機(jī)上的 APP 發(fā)出控制指令，串口 WIFI 模塊 ESP8266 接收手機(jī) APP 發(fā)送的控制指令并對(duì)其進(jìn)行解析，再向 STM32 中央處理單元發(fā)送信號(hào)，由 MCU 去控制各類家用電器開(kāi)啟、調(diào)節(jié)或關(guān)閉，各類家電的運(yùn)行狀態(tài)將通過(guò) WIFI 模塊上傳到云服務(wù)器，實(shí)時(shí)在手機(jī)上顯示各類家電的最新狀態(tài)． 信號(hào)采集模塊用來(lái)獲取家用電器設(shè)備所處環(huán)境的溫濕度、光強(qiáng)、紅外及煙霧參數(shù)，這些參數(shù)經(jīng) MCU 處理也能通過(guò)串口 WIFI 模塊上傳到云服務(wù)器，在手機(jī)上能夠?qū)崟r(shí)了解家里各類環(huán)境信息，以便提前對(duì)家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制．

圖 1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖

1. 1 ESP8266 串口 WIFI 模塊

本系統(tǒng)使用型號(hào)為 ESP8266 串口 WIFI 模塊，是一款超低功耗的 UAＲT － WIFI 透?jìng)髂K，擁有高性能無(wú)線 SOC，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，能以低成本提供最大的實(shí)用性，可將智能家居中所要控制的設(shè)備全部接入 WIFI 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)功能． 該模塊是一個(gè)完整且自成體系的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方案，能獨(dú)自運(yùn)行，也能當(dāng)作從機(jī)搭載于其它主機(jī)的MCU 上運(yùn)行，支持無(wú)線802. 11 通信協(xié)議以及內(nèi)置TCP / IP 通信協(xié)議，可以支持 TCP Client 多路連接． 模塊具有 AP / STA / AP + STA 三種工作模式． 無(wú)線模塊的作用是讓控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)連接，完成無(wú)線信號(hào)與串口信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用 AP + STA 組網(wǎng)模式，目的是為了讓系統(tǒng)既可以通過(guò)手機(jī)直連也可以通過(guò)無(wú)線路由器連接達(dá)到對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程控制．

1. 2 中央處理器 MCU

本系統(tǒng)的 MCU 采用 STM32F103VE 芯片，是 ST 公司一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器，功耗超低． 使用 AＲM Cortex － M3 處理器內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá) 72 MHz，1.25 DMIPS / MHz． 能夠支持 CAN、I2C、SPI、USB、SDIO、UAＲT / USAＲT 等通訊協(xié)議，其外圍設(shè)備包括 DMA、PWM 、PDＲ、POＲ、 PVD、WDT、溫度傳感器等80 個(gè)可設(shè)置的GPIO，有512 Kb 的程序儲(chǔ)存容量和64 K 的ＲAM 容量，還內(nèi)含 3 通道 16 × 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換和 1 μs 的雙 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換，故此處理器可滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求． 系統(tǒng)的部分主控電路如圖 2 所示．

圖 2部分主控電路圖

1. 3 信號(hào)采集模塊

1. 3. 1 溫濕度檢測(cè)

溫濕度檢測(cè)采用DHT11 溫濕檢測(cè)傳感器，DHT11 能夠直接輸出已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，應(yīng)用專門的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)，使得傳感器可靠性高和穩(wěn)定性長(zhǎng)，內(nèi)部有一個(gè)電阻式感濕元 件和一個(gè) NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能 MCU 相連接，每個(gè) DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在 OTP 內(nèi)存中，運(yùn)行時(shí)傳感器會(huì)調(diào)用這些校準(zhǔn)參數(shù)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)． 體積小、功耗低，使其成為溫濕度采集應(yīng)用的最佳選擇之一．

1. 3. 2 煙霧檢測(cè)

煙霧檢測(cè)選用 MQ － 2 傳感器，用來(lái)監(jiān)視家用電器發(fā)生火災(zāi)的具體情況． MQ － 2 采用二氧化 錫半導(dǎo)體氣敏材料，表面離子式 N 型半導(dǎo)體． MQ － 2 型傳感器對(duì)各種煙霧類型具有很高的靈敏度， 能夠靈敏地檢測(cè)出由天然氣或液化石油氣等氣體而產(chǎn)生的煙霧，還具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定 性． 使用時(shí)需要注意的是： 在使用之前必須加熱一段時(shí)間，否則其輸出的電阻和電壓不準(zhǔn)確．

1. 3. 3 光敏檢測(cè)

系統(tǒng)由于需要對(duì)環(huán)境的光線強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)等用電設(shè)備進(jìn)行自適應(yīng)控制． 光敏檢測(cè)采用 YL － 38 光敏電阻模塊，用來(lái)檢測(cè)家庭環(huán)境的亮度和光強(qiáng)，其檢測(cè)信號(hào)通過(guò) MCU 內(nèi)部的高精度 ADC 采樣后進(jìn)行 A / D 轉(zhuǎn)換，再與程序預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，得到準(zhǔn)確的環(huán)境光線強(qiáng)度等級(jí)，根據(jù)光線強(qiáng)度等級(jí)對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)控制．

1.4 MCU 及 ESP8266 的供電電源

系統(tǒng)的 MCU 及 ESP8266 供電電源電路如圖 3 所示，首先把 220 V 交流市電通過(guò)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，得到輸出為 12 V 的直流電，然后再通過(guò)降壓芯片 MP1470 及外圍電路將 12 V 的電壓降為 5 V 電壓輸出，再把 5 V 的電壓通過(guò) LM117 芯片及外圍電路將電壓降到 3. 3 V，從而獲得 MCU及其它模塊所需要的 5 V 和 3. 3 V 直流電壓． MP1470 芯片的輸入工作電壓范圍在 4. 7 ～ 16 V 之間， 輸出電流最高可達(dá) 2 A，工作頻率 500 kHz，工作溫度范圍為 － 20 ℃ ～ + 125 ℃ ． LM117 芯片的輸出電壓范圍在 1. 2 ～ 47 V 可調(diào)，工作溫度范圍為 － 55 ℃ ～ + 150 ℃ ，輸出電流最高可達(dá) 1. 5 A．

圖 3電源模塊

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居智能控制的基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)控制的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了智能家居控制系統(tǒng)框架如圖 4 所示． 本系統(tǒng)軟件主要由手機(jī) APP 控制系統(tǒng)和智能家居控制終端軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，其中智能家居控制終端軟件包括了 WIFI 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、 MCU 控制系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)．

圖 4 系統(tǒng)軟件總體框圖

2.1 手機(jī) APP 控制系統(tǒng)

手機(jī) APP 智能家居控制系統(tǒng)是基于 Android 操作系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的，采用 Java 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)． 手機(jī) APP 控制系統(tǒng)包括用用戶界面、Ht － tpclient網(wǎng)絡(luò)通信、SQlite 數(shù)據(jù)庫(kù)等，APP 控制軟件分由系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備管理、房間管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示．

圖 5 APP 控制軟件模塊

APP 控制軟件模塊的設(shè)計(jì)可以使用戶在手機(jī)上操作和管理家居各種設(shè)備． 系統(tǒng)設(shè)置模塊可以完成系統(tǒng)的基本設(shè)置，如系統(tǒng)的報(bào)警、定時(shí)、密碼和系統(tǒng)連接等設(shè)置; 設(shè)備管理模塊是用來(lái)管理所有家電設(shè)備和照明設(shè)備，用戶可以直接控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)等狀態(tài); 房間管理模塊是用來(lái)設(shè)置各個(gè)家電設(shè)備和照明設(shè)備所分布的不同區(qū)域，比如廚房、臥室、書(shū)房、衛(wèi)生間等，把不同的用電設(shè)備添加到設(shè)置房間中，會(huì)使得對(duì)設(shè)備操作管理更加方便快捷; 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊是為了給用戶提供良好的居住條件對(duì)居住環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，還具有煙霧檢測(cè)功能，可以預(yù)防火災(zāi)發(fā)生; 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊是整個(gè) APP 系統(tǒng)的中央處理數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)此數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的智能化控制和管理． 依據(jù)APP 控制軟件模塊的設(shè)計(jì)，其部分界面如圖 6 ～ 7 所示．

圖 6控制主界面

圖 7電燈管理界面

2. 2 手機(jī) APP 與智能家居控制系統(tǒng)之間的通信

手機(jī) APP 與智能家居控制系統(tǒng)之間的通信采用 AP + STA 組網(wǎng)模式，先由手機(jī)與 ESP8266 串口模塊進(jìn)行 WIFI 配置，按住 ESP8266 串口模塊的配置按鈕使其進(jìn)行配置模式，此時(shí) WIFI 模塊自帶的 MCU 會(huì)將模塊設(shè)置為 AP 模式，把 SSID 設(shè)為Smart Light，密碼無(wú)，手機(jī)連接上該 WIFI 后，由 APP 輸入路由器的 SSID 及密碼． 然后通過(guò) APP 用 UDP 廣播發(fā)出帶有 SSID 及密碼的數(shù)據(jù)，MCU 收到數(shù)據(jù)后將ESP8266 串口模塊設(shè)置為 STA 模式，連接路由器．

系統(tǒng)的UDP 內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)采用的是一臺(tái)內(nèi)網(wǎng)機(jī)器連接外網(wǎng)通信的方式，即只需要內(nèi)網(wǎng)主動(dòng)發(fā)起連接就行，由內(nèi)網(wǎng)機(jī)器連接到外網(wǎng)服務(wù)器． 當(dāng)內(nèi)網(wǎng)機(jī)器發(fā)送的請(qǐng)求被外網(wǎng)服務(wù)器獲取后，服務(wù)器會(huì)將內(nèi)網(wǎng)機(jī)器的IP 地址轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼牡刂罚⒎峙渑R時(shí)端口進(jìn)行通信． 由手機(jī)APP 控制智能家居設(shè)備的過(guò)程，其實(shí)是手機(jī)通過(guò)服務(wù)器與智能家居設(shè)備相連，智能家居設(shè)備的 MCU 是讀取服務(wù)器的 IP 和 Port，同時(shí) MCU 對(duì)服務(wù)器的 IP和Port 進(jìn)行回復(fù)，然后由服務(wù)器將信息回饋到手機(jī)，從而建立起通信控制．

2. 3 智能家居控制終端軟件系統(tǒng)

智能家居控制終端軟件系統(tǒng)核心是 WIFI 網(wǎng)絡(luò)控制和 MCU 控制系統(tǒng)，加上環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)等幾個(gè)軟件子系統(tǒng)構(gòu)成終端軟件系統(tǒng)． 其中 WIFI 網(wǎng)絡(luò)控制和 MCU控制系統(tǒng)是智能家居控制終端的核心，系統(tǒng)主程序流程如圖 8 所示．

圖 8 智能家居控制終端主程序流程圖

本系統(tǒng)是借助WIFI 無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 Android 手機(jī)和家居的互通互聯(lián)，用戶只需通過(guò)手機(jī) APP 即可對(duì)家里的所有用電設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，至于文中提到的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)的軟件控制流程由于篇輻有限，本文將只介紹環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智能家電系統(tǒng)控制流程，兩個(gè)系統(tǒng)流程如圖 9 和圖 10 所示．

圖 9 環(huán)境監(jiān)測(cè)流程圖 圖 10 家電控制流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文是基于 WIFI 通信技術(shù)和當(dāng)前應(yīng)用最廣的 Android 操作系統(tǒng)作為控制平臺(tái)研究設(shè)計(jì)了一套智能家居控制系統(tǒng)． 借助 WIFI 通信實(shí)現(xiàn)智能控制指令的有效傳輸，而基于 Android 操作系統(tǒng)，提高了智能家居控制的人性化而且容易推廣，具有較大的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)前景． 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，控制簡(jiǎn)單方便、工作穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快，取得良好的效果，該研究的技術(shù)具有重要的意義．