賈 陽(yáng) 靜，　鄒 念 育，　雷 冬 鳴，　李　 望，　吉　 奈，　郭　 旭，　李　 萍

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連　116034 )

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基于Android和WIFI通信的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈 陽(yáng) 靜，鄒 念 育，雷 冬 鳴，李 望，吉 奈，郭 旭，李 萍

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連116034 )

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)存在的操作復(fù)雜、可移動(dòng)性差、升級(jí)維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，提出了一種基于Android的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。采用了具有Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)或平板電腦作為家居控制終端，以CC3000-WG1300為核心的智能開(kāi)關(guān)和STM32F103ARM處理器作為家居控制器，通過(guò)無(wú)線路由器，搭建整個(gè)智能家居系統(tǒng)平臺(tái)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，智能手機(jī)或平板電腦實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居中家用電器的本地控制。

關(guān)鍵詞:智能家居；Android；ARM處理器；WIFI

0引言

科技的不斷進(jìn)步，尤其是無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得智能家居已經(jīng)開(kāi)始逐步進(jìn)入普通家庭之中，其功能也從單一的防盜報(bào)警系統(tǒng)向包括信息家電、網(wǎng)絡(luò)家電、智能安防、網(wǎng)絡(luò)通信以及智能視頻監(jiān)控等領(lǐng)域發(fā)展。

在對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首要考慮的是對(duì)家居控制終端的設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外已提出了眾多的解決方案，大體上可分為3類：(1)基于鍵盤(pán)、紅外遙控器的家居控制終端硬件解決方案[1-2]，該方案需對(duì)控制終端的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，過(guò)程復(fù)雜，維護(hù)成本高；(2)選擇家庭或辦公電腦作為家居控制終端，可通過(guò)電腦對(duì)家居中的設(shè)備進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程控制的方案[3]，該方案終端不可移動(dòng)，給用戶帶來(lái)不便；(3)采用手機(jī)或平板電腦作為家居控制終端，通過(guò)藍(lán)牙、WIFI、GSM等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)的控制[4-6]。但目前采用這種控制終端的智能家居系統(tǒng)還不是很多，而且大部分操作界面不友好，用戶體驗(yàn)欠佳。

本文是在分析了現(xiàn)有智能家居發(fā)展模式的基礎(chǔ)上，以Android智能手機(jī)作為家居控制終端的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用WIFI模塊、ARM處理器等設(shè)備，通過(guò)WIFI無(wú)線通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連接和數(shù)據(jù)的傳輸， 最終實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的本地控制。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程

智能家居系統(tǒng)主要由移動(dòng)終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、智能開(kāi)關(guān)和控制單元4部分組成，其中移動(dòng)終端設(shè)備是普遍在使用的智能手機(jī)或平板電腦；傳輸設(shè)備為無(wú)線路由器；智能開(kāi)關(guān)主要由WIFI模塊、CPU主控模塊、AC-DC電源模塊和可控硅開(kāi)關(guān)模塊組成；控制單元即為家用照明設(shè)備。

移動(dòng)終端設(shè)備主要使用的是Android操作系統(tǒng)，WIFI模塊主要以CC3000-WG1300M為核心器件，用于接收無(wú)線路由器傳送的信息，CPU主控模塊主要包含32位的STM32F103-48 ARM處理器，通過(guò)SPI串行外部接口與WIFI模塊連接，讀取WIFI模塊轉(zhuǎn)換后的信息；AC-DC電源模塊用于給WIFI模塊、CPU主控模塊、可控硅開(kāi)關(guān)模塊提供電源；可控硅開(kāi)關(guān)模塊用于控制燈的狀態(tài)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖如圖1所示，AC-DC電源模塊上電后，給WIFI模塊、CPU主控模塊、可控硅開(kāi)關(guān)模塊供電；準(zhǔn)備就緒后，用戶即可根據(jù)自己的需要在智能手機(jī)(或平板電腦)上進(jìn)行操作，發(fā)送命令并通過(guò)無(wú)線路由器傳輸， WIFI模塊接收來(lái)自無(wú)線路由器傳送的信息，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，通過(guò)SPI串行外部接口傳送給CPU主控模塊，CPU主控模塊做相應(yīng)的處理將命令給可控硅開(kāi)關(guān)模塊，可控硅開(kāi)關(guān)模塊識(shí)別命令后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)控制燈或電視機(jī)等用電設(shè)備的狀態(tài)；另一方面，用戶也可以通過(guò)按鍵操作方式來(lái)直接實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的開(kāi)與閉。

圖1　智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖

2系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)硬件電路主要由WIFI模塊、ARM處理器、存儲(chǔ)單元、電源模塊、JTAG接口等組成。

2.1WIFI模塊

WIFI模塊采用CC3000-WG1300芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，是一款自成一體的無(wú)線解決方案，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口或TTL電平數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，降低了設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)大大提高了主控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力。該芯片的主要特性：采用802.11b/g無(wú)線訪問(wèn)Internet標(biāo)準(zhǔn)；支持WEP加密；支持WAP/WAP2等高級(jí)加密與安全機(jī)制[7]，如圖2所示。由圖2可知R5、R7、R9、R46、R47、R48、R49電阻均為0，但有著不同的用途，其中電阻R5、R7、R9為隔離作用，而電路中電阻R46、R47、R48、R49是為了在PCB板上調(diào)試方便所設(shè)計(jì)。

2.2ARM處理器

ARM處理器主要以STM32F103為核心芯片，STM32F103屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體(ST)公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128 kB的Flash和20 kB的SRAM)，有豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)[8]。其最小化電路如圖3所示。

2.3EEPROM存儲(chǔ)器

EEPROM是帶電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器，是用戶可更改的只讀存儲(chǔ)器，其可通過(guò)高于普通電壓的作用來(lái)擦除和重寫(xiě)。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計(jì)算機(jī)中取出即可修改。電路圖如圖4所示。

2.4電源模塊

電源模塊采用了USB-MINI接口，該接口防誤差性能出眾，體積也比較小巧，普遍被用戶使用。另外還使用了LM1117低壓差電壓調(diào)節(jié)器，LM1117提供電流限制和熱保護(hù)。它與國(guó)家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列，它有可調(diào)電壓的版本，通過(guò)2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.25～13.80 V輸出電壓范圍。另外還有5個(gè)固定電壓輸出(1.80、2.50、2.85、3.30和5.00 V)的型號(hào)。本系統(tǒng)采用該電壓調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)3.30 V的固定電壓輸出，電路如圖5所示。

圖2　WIFI模塊CC3000-WG1300電路

圖4　EEPROM電路

圖5　電源模塊電路

2.5JTAG接口

JTAG接口是由測(cè)試訪問(wèn)端口TAP控制器、旁路寄存器、指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器以及與JTAG兼容的ARM架構(gòu)處理器組成。處理器的每個(gè)引腳都有一個(gè)移位寄存單元將JTAG電路預(yù)處理器和邏輯電路聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)隔離了處理器內(nèi)核邏輯電路與芯片引腳，所有的邊界掃描單元構(gòu)成了邊界掃描寄存器BSR，該寄存器電路僅在進(jìn)行JTAG測(cè)試時(shí)有效，在處理器內(nèi)核正常工作時(shí)無(wú)效。其接口電路如圖6所示。

圖6　JTAG接口電路

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇具有Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)或平板電腦作為移動(dòng)終端平臺(tái)，在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行代碼的編寫(xiě)。軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖7所示。初始化服務(wù)在上電時(shí)自動(dòng)開(kāi)始執(zhí)行，完成CPU和板級(jí)的初始化。

初始化之后，首先，CPU主控模塊讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)，來(lái)確定將要執(zhí)行的動(dòng)作，即：是否開(kāi)關(guān)燈，并將所要執(zhí)行的動(dòng)作通過(guò)WIFI模塊連接到無(wú)線路由器獲取IP地址，獲取地址后，CPU主控模塊開(kāi)始檢測(cè)是否收到手機(jī)端數(shù)據(jù)包，若收到數(shù)據(jù)包后就把當(dāng)前燈的狀態(tài)發(fā)送給手機(jī)，并執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及設(shè)置開(kāi)關(guān)定時(shí)來(lái)應(yīng)答此數(shù)據(jù)包，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，執(zhí)行定時(shí)動(dòng)作。若沒(méi)有收到數(shù)據(jù)包，直接查看可控硅開(kāi)關(guān)定時(shí)是否到，定時(shí)沒(méi)有到需要繼續(xù)查看是否收到手機(jī)端數(shù)據(jù)包，等待執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

另一方面，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，按鍵也可實(shí)現(xiàn)控制燈的開(kāi)與閉，當(dāng)按一下按鍵時(shí)，相當(dāng)于執(zhí)行一個(gè)中斷，由于該中斷優(yōu)先級(jí)別較高，因此可直接驅(qū)使CPU主控模塊發(fā)送命令給可控硅開(kāi)關(guān)，來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)燈動(dòng)作，并執(zhí)行WIFI配置動(dòng)作來(lái)配置WIFI模塊，需要設(shè)備重啟則執(zhí)行設(shè)備重啟動(dòng)作，流程圖如圖8所示。

圖7　軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖8　按鍵操作流程圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證與分析

將設(shè)計(jì)好的硬件電路在PCB板上進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭建整個(gè)智能家居系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，把設(shè)計(jì)好的移動(dòng)終端程序和服務(wù)器程序分別安裝和移植到Android 智能手機(jī)和ARM處理器上，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。系統(tǒng)所采用的手機(jī)是具有Android操作系統(tǒng)的三星手機(jī)；智能開(kāi)關(guān)是由杜米科技有限公司生產(chǎn)的，該開(kāi)關(guān)既可以由WIFI進(jìn)行控制，也可以由用戶手動(dòng)控制；用電設(shè)備由紅綠黃3種不同顏色的普通白熾燈組成。首先，用戶在三星智能手機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)燈亮滅的軟件，界面上會(huì)顯示3個(gè)燈的初始狀態(tài)都是滅的，用戶在該界面通過(guò)修改該軟件界面控制燈狀態(tài)的圖標(biāo)，來(lái)實(shí)現(xiàn)燈的亮與滅；其次，打開(kāi)無(wú)線路由器，為實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)修改軟件界面控制黃紅綠三個(gè)燈的狀態(tài)，即：點(diǎn)亮黃、綠兩盞白熾燈，紅燈保持不變，調(diào)試結(jié)果如圖9所示。

圖9　調(diào)試結(jié)果

由調(diào)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，用戶可在50 m左右的范圍內(nèi)通過(guò)操作智能手機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)燈泡的點(diǎn)亮與關(guān)閉。用戶也可以直接對(duì)智能開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)燈泡的開(kāi)與閉。用戶可通過(guò)Android手機(jī)發(fā)送命令控制家居中的相應(yīng)設(shè)備，同時(shí)Android手機(jī)可實(shí)時(shí)顯示家居中用電設(shè)備的狀態(tài)，即使不在家中，也可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)和無(wú)線通信方式的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家用電器的本地控制。該系統(tǒng)以無(wú)線WIFI智能控制為基礎(chǔ)，布線不再煩瑣，具有更好的可擴(kuò)展性和移植性，節(jié)約了成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)家用設(shè)備更遠(yuǎn)距離的控制，將致力于對(duì)操作系統(tǒng)和控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并探索與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，打造更加舒適的家居生活。

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Design of smart home system based on Android platform and WIFI communication

JIAYangjing,ZOUNianyu,LEIDongming,LIWang,JINai,GUOXu,LIPing

( Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:A new design and implementation scheme of smart home were proposed based on Android mobile platform to overcome the limitation in operation, mobility and maintainability. The intelligent mobile phone or tablet computer with Android operational system were used as a control terminal to build up a whole smart home system platform through the wireless router, which takes smart switch with CC3000-WG1300 as the core and STM32F103ARM processor as smart home controller. The results showed that the system could run steadily and the intelligent mobile phones or tablet computer could realize local control for domestic appliances in families.

Key words:smart home; Android; ARM processor; WIFI

作者簡(jiǎn)介:賈陽(yáng)靜(1990-)，女，碩士研究生；通信作者：李 萍(1969-)，女，副教授，E-mail:liping@dlpu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:遼寧省普通高等教育本科教改立項(xiàng)(2012130)；遼寧省普通高等教育本科重點(diǎn)支持專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(2012108).

收稿日期:2014-06-09.

中圖分類號(hào):TN47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1674-1404(2016)01-0067-05