張 倩 ，周春陽，馮北北 ，王 蓉

(沈陽工程學(xué)院 a.自動化學(xué)院； b.工程實(shí)踐中心，遼寧 沈陽 110136)

智能電器通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 倩a，周春陽b，馮北北a，王 蓉b

(沈陽工程學(xué)院 a.自動化學(xué)院； b.工程實(shí)踐中心，遼寧 沈陽 110136)

電器產(chǎn)品是人們工作生活的必需品，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為電器智能化提供了可能。設(shè)計(jì)了一個(gè)以WiFi無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的智能電器通信系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，路由器作為無線接入點(diǎn)建立WLAN網(wǎng)絡(luò)，用戶通過智能手機(jī)可以查詢和控制電器設(shè)備的工作狀態(tài)。電器通過內(nèi)嵌的WiFi模塊接收無線信號并通過UART傳送給單片機(jī)處理，單片機(jī)負(fù)責(zé)查詢電器的狀態(tài)并執(zhí)行相關(guān)的指令。通過智能手機(jī)也可以遠(yuǎn)程檢測和控制電器設(shè)備。

智能電器；無線通信；WiFi模塊；單片機(jī)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)的一個(gè)重要標(biāo)志，改變了人們的生產(chǎn)生活方式，使傳統(tǒng)電器變得更加便捷而智能。智能電器是將微處理器、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)引入家電設(shè)備后形成的新型產(chǎn)品[1]。通信接口是智能電器的重要組成部分，用來實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)之間信息的發(fā)送和接收。穩(wěn)定的通信接口為智能電器系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了有力保障。

電器的控制方式分為有線控制和無線控制。有線控制是將控制器放置于強(qiáng)電箱內(nèi)，開關(guān)和中控主機(jī)分別通過弱電控制線路進(jìn)行控制。有線控制的優(yōu)點(diǎn)：安全、穩(wěn)定、不受干擾;有線控制的缺點(diǎn)：方案設(shè)計(jì)要求高、線路架設(shè)要求高、后期拓展改動困難。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能電器的發(fā)展，有線通信逐漸被無線通信所替代。當(dāng)前普遍使用的無線通信技術(shù)主要有RFID技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)、Z-Wave技術(shù)和WiFi技術(shù)[2，3]。WiFi通信技術(shù)是智能手機(jī)終端接入Internet的主流模式，其他類型的通信設(shè)備要接入Internet需要網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]。局域網(wǎng)絡(luò)中的無線路由多采用WiFi技術(shù)與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，不用另設(shè)網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)改造便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)搭建。智能手機(jī)可以通過局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)控制設(shè)備的工作狀態(tài)。

1 智能電器系統(tǒng)構(gòu)成

智能家電系統(tǒng)由無線路由、智能終端、智能電器三大主要部分構(gòu)成，如圖1所示。無線路由為系統(tǒng)提供WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，是局域網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)部件，若要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要與Internet連接進(jìn)行廣域網(wǎng)3G通信[5]。智能手機(jī)和平板電腦等智能終端可以在無線網(wǎng)絡(luò)下，對處于網(wǎng)絡(luò)中的智能電器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制操作。智能家電內(nèi)需要集成WiFi無線通信模塊接收控制指令，實(shí)現(xiàn)電器的非接觸型智能控制。

圖1 智能電器系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)的操作流程：首先，配置模塊要連接的路由器的名稱(SSID)、密鑰和服務(wù)器的IP地址；然后，手機(jī)等控制終端連接服務(wù)器下達(dá)操作命令；最后，控制系統(tǒng)根據(jù)指令完成相應(yīng)的動作或查詢等操作。智能手機(jī)和智能電器通常以STA站點(diǎn)形式入網(wǎng)，即作為無線網(wǎng)絡(luò)的終端使用，形成客戶端-客戶端方式通信。也可以設(shè)置電器為AP，即作為無線接入點(diǎn)形成自組網(wǎng)絡(luò)。無線WiFi模塊在使用之前需要通過串口寫入智能電器的MAC地址、網(wǎng)絡(luò)名稱、密碼和IP等配置信息。圖2為智能電器的系統(tǒng)框圖。

圖2 智能電器系統(tǒng)

2 通信接口設(shè)計(jì)

2.1 通信接口構(gòu)成

在由路由器構(gòu)建的WLAN無線網(wǎng)絡(luò)中，智能手機(jī)可以和電器中的WiFi模塊進(jìn)行通信。通信串口WiFi模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，通信接口如圖3所示。硬件構(gòu)成主要是由內(nèi)嵌的一個(gè)單片機(jī)和WiFi模塊構(gòu)成，單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)裸機(jī)驅(qū)動程序和TCP/IP協(xié)議；WiFi模塊則必須完成數(shù)據(jù)的無線接收和發(fā)送。模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧和WiFi模塊，用戶可以實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)功能。嵌入式WiFi模塊對外提供UART串口或者SPI接口，其通信標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11b/g，支持WPA/WPA2 PSK加密，支持AES和TKIP加密算法。智能終端和WiFi模塊的通信格式常用的通信協(xié)議有HTTP、TCP/IP和Socket，HTTP是應(yīng)用層協(xié)議；TPC/IP協(xié)議是傳輸層協(xié)議；Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議的中間軟件，是對TCP/IP協(xié)議的封裝和應(yīng)用抽象層[6]。面向嵌入式系統(tǒng)的通信協(xié)議多采用Socket協(xié)議。

圖3 通信接口

2.2 Socket通信協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)

采用Socket通信協(xié)議客戶端的通信過程：①建立通信；②查詢連接；③發(fā)送數(shù)據(jù)；④接收數(shù)據(jù)；⑤關(guān)閉連接。Android手機(jī)建立連接指令為new Socket(HOST, PORT)， 關(guān)閉連接指令為socket.close()， 發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用getOutputStream()方法，接收數(shù)據(jù)調(diào)用getInputStream()方法。

服務(wù)器的通信過程可概述為：

1)建立服務(wù)器端的Socket，偵聽網(wǎng)絡(luò)中的連接請求;

2)當(dāng)檢測到連接請求時(shí)，向客戶端發(fā)送收到連接請求的信息并建立連接;

3)完成通信后關(guān)閉Socket連接。

圖4為客戶端和服務(wù)器的通信流程，圖中的bind()和listen()方法用來綁定并監(jiān)聽Socket和端口號，accept()用來接收來自客戶端的連接請求。當(dāng)點(diǎn)擊智能手機(jī)界面上的功能按鍵，后臺會將數(shù)據(jù)以Socket格式發(fā)送給WiFi模塊，發(fā)送指令被電器控制系統(tǒng)接收后，便會執(zhí)行檢測、開啟、關(guān)斷、調(diào)節(jié)等響應(yīng)動作，并可根據(jù)需要將執(zhí)行結(jié)果返回給智能手機(jī)。

圖4 客戶端和服務(wù)器的通信流程

2.3 單片機(jī)通信接口設(shè)計(jì)

1)硬件設(shè)計(jì)

通信接口和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)及其外圍電路設(shè)計(jì)，把單片機(jī)、無線模塊、繼電器等模塊有機(jī)的結(jié)合在一起。WiFi模塊的TX和RX與其串口相連，負(fù)責(zé)信息指令的接收和發(fā)送；WiFi模塊和單片機(jī)的通信采用串口模式(UART)，串口波特率可達(dá)115 200 bps，執(zhí)行命令由普通I/O口輸出，可控制執(zhí)行部件響應(yīng)動作指令；配以光照、溫度等傳感器裝置送入單片機(jī)自帶ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換接口，可以檢測環(huán)境狀態(tài)并作出相應(yīng)動作，使電器更加智能。圖5是單片機(jī)控制繼電器的硬件連接示意圖，WiFi模塊的UART_TX和UART_RX與單片機(jī)串口的RXD和TXD相連，完成UART口雙向通訊功能；繼電器K與普通I/O口相連，通過繼電器電路可以實(shí)現(xiàn)對智能電器的開關(guān)控制。當(dāng)模塊收到合上指令時(shí)，輸出高電平，繼電器的線圈有電流流過，繼電器的觸點(diǎn)吸合，給負(fù)載供電；當(dāng)模塊收到斷開指令時(shí)，端口輸出低電平，執(zhí)行斷電操作。設(shè)計(jì)了傳感器的AD轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)了可以根據(jù)環(huán)境狀態(tài)的檢測結(jié)果控制繼電器的動作。

圖5 單片機(jī)硬件連接

2)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行硬件初始化，WiFi模塊的初始化在函數(shù)Config()中完成，在函數(shù)中完成波特率、初始化接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的中斷類型等設(shè)置。模塊開啟后，尋找并連接網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)據(jù)連接，由單片機(jī)封裝數(shù)據(jù)后通過WiFi 模塊發(fā)送給智能手機(jī)。接收數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)程序不斷地對WiFi模塊進(jìn)行掃描查詢，查詢數(shù)據(jù)緩沖區(qū)BUF中是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)查詢到模塊接收到手機(jī)用戶發(fā)送操作或者查詢指令時(shí)，根據(jù)Socket協(xié)議格式提取相關(guān)信息，對指令進(jìn)行處理并執(zhí)行相關(guān)動作，并通過UART串口返回?cái)?shù)據(jù)到手機(jī)端。接收手機(jī)端數(shù)據(jù)需要使用外部中斷來完成，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院蛯?shí)時(shí)性，接收8位為一幀有效數(shù)據(jù)。單片機(jī)主程序流程如圖6所示。單片機(jī)設(shè)置了監(jiān)測環(huán)境光照功能，由光敏傳感器經(jīng)過ADC芯片轉(zhuǎn)化后送到單片機(jī)，數(shù)據(jù)與閾值電壓比較，當(dāng)超過閾值時(shí)關(guān)斷電器設(shè)備。

圖6 單片機(jī)主程序流程

3 結(jié) 論

該智能電器通信系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)的平臺下，在傳統(tǒng)電器上接入無線WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)了智能終端對智能家電的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制功能，單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)的對接收到的指令進(jìn)行處理和響應(yīng)，滿足了設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)安全、可靠、性能穩(wěn)定。為大規(guī)模智能電器遠(yuǎn)程的監(jiān)管與控制提供了可能。

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(責(zé)任編輯 魏靜敏 校對 張 凱)

Design and Realization of Intelligent Electrical Communication System

ZHANG Qiana,ZHOU Chun-yangb,FENG Bei-beia,WANG Rongb

(a.College of Automation;b.Engineering practice center,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang110136,Liaoning Province)

Electrical appliances are necessitiesin daily life,and the development of Internet of things makes the appliances intelligentization possible.In this paper,a wireless communication system based on WiFi wireless network was designed.In the system,a WLAN network was established with the router as a wireless access point.The user can inquire and control the working state of the electrical equipment through the smart phone.The electrical device receives the wireless signal through the embedded WiFi module and sends to the microcontroller through the UART.The microcontroller is used to the electrical status query and the implementation of relevant instructions.The system can realize the remote detecting and controlling of the electrical appliances with smart phone.

Smart appliances;Wireless communications;WiFi module;Single-chip

2016-09-28

沈陽工程學(xué)院青年基金項(xiàng)目(LGQN-1506)

張 倩(1987-)，女，遼寧海城人，助理工程師，碩士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.014

TP23

A

1673-1603(2016)04-0353-04