劉洋， 楊保亮， 楊守良, 項(xiàng)靖媛
重慶文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，重慶 402160
摘要：各式各樣高科技產(chǎn)品顛覆了人類(lèi)傳統(tǒng)的生活方式，結(jié)合嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型智能家居給了人們一種舒適、安全、高效的居住環(huán)境。本文提出了一種以嵌入式處理器為核心，以Android平臺(tái)為控制終端，以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為媒介的新型智能家居系統(tǒng)。以L(fǎng)inux和ARM處理器4412構(gòu)成服務(wù)器可以對(duì)Android平臺(tái)的各種命令進(jìn)行解析，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)智能家居的各種對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)踐證明，該方案設(shè)計(jì)合理，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和理論研究?jī)r(jià)值。
關(guān)鍵詞：Android；智能家居；ARM；服務(wù)器
0引言
智能家居以住宅為平臺(tái)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線(xiàn)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，目的是使家居生活更加智能化、信息化、人性化和節(jié)能化，核心目標(biāo)是提升家居生活的質(zhì)量［1］。在智能家居控制系統(tǒng)中，核心設(shè)備是家居控制終端。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)給出了基于鍵盤(pán)或紅外遙控器、家庭或辦公電腦、智能手機(jī)作為家居控制終端的３類(lèi)解決方案［2］。第一種方案是目前比較流行的遙控方式，但是遙控距離不能做得很遠(yuǎn)，同時(shí)不能把電機(jī)的信息通過(guò)遙控器顯示出來(lái)。第二種方案輕松解決了遙控器方案的缺點(diǎn)，但是由于計(jì)算機(jī)的體積龐大，重量大，不能做到靈活移動(dòng)，最重要的是實(shí)時(shí)性受到很大的限制［3］。第三種方案是基于Android 的手機(jī)和平板電腦的廣泛應(yīng)用，可以使用手機(jī)或平板電腦作為智能家居的控制終端，使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(WiFi，GSM( Global System for Mobile Communication) 等) 對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行控制，可真正實(shí)現(xiàn)方便、遠(yuǎn)程控制家用電器，給用戶(hù)帶來(lái)更好的體驗(yàn)，以達(dá)到提升家居質(zhì)量的目標(biāo)［45］。本文利用現(xiàn)在廣泛使用的安卓智能手機(jī)等終端設(shè)備設(shè)計(jì)了一套新型的智能家居控制系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)窗簾控制部分和智能感應(yīng)部分進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試，通過(guò)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，成本低廉，手機(jī)控制端能及時(shí)地發(fā)送各種命令控制各種電器，同時(shí)通過(guò)手機(jī)的監(jiān)控器可以隨時(shí)監(jiān)控家里的各種信息，真正做到了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的雙向互聯(lián)。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于Android手機(jī)控制智能家居系統(tǒng)，主要由Android手機(jī)客戶(hù)控制端、ARM服務(wù)器、各種控制電器和數(shù)據(jù)采集部分等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中手機(jī)控制終端主要用于發(fā)送各種電器的控制命令和監(jiān)視各個(gè)電器的工作狀態(tài)，ARM服務(wù)器負(fù)責(zé)接收手機(jī)控制端送來(lái)的命令并進(jìn)行解析，然后根據(jù)協(xié)議把手機(jī)的控制命令通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳到各個(gè)電器控制端，同時(shí)可以接收各個(gè)電器控制端的數(shù)據(jù)并按照一定的協(xié)議發(fā)送給手機(jī)客戶(hù)端。終端設(shè)備的控制器采用宏晶公司生產(chǎn)的IAP15F2K62S2單片機(jī)為主控器，接收ARM服務(wù)器送來(lái)的命令進(jìn)行操作，例如控制窗簾圖2系統(tǒng)電源電路圖的電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作等。數(shù)據(jù)采集部分主要采集房間內(nèi)各種信息，主要有攝像頭監(jiān)控、溫濕度數(shù)據(jù)采集、有毒氣體的采集等，數(shù)據(jù)采集端也是采用STC單片機(jī)控制，把采集得到的數(shù)據(jù)及時(shí)通過(guò)服務(wù)器傳到手機(jī)控制終端，讓用戶(hù)觀(guān)察。整個(gè)系統(tǒng)中采用了兩種無(wú)線(xiàn)通信方式，減少了有線(xiàn)通信方式的布線(xiàn)難題，安裝簡(jiǎn)單，同時(shí)減少了整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)成本，便于以后的推廣。
2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
IAP15F2K62S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī) ，是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)， 采用第八代加密技術(shù)，加密性超強(qiáng)， 指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度可提高8~12倍 。內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，5 MHz~35 MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10 位A/D轉(zhuǎn)換， 內(nèi)置2 KB大容量 SRAM，2組高速異步串行通信端口，1組高速同步串行通信端口SPI，可應(yīng)用于多串行口通信/電機(jī)控制/強(qiáng)干擾場(chǎng)合。在設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵要把電源電路和下載電路設(shè)計(jì)好，晶振和復(fù)位電路可以不設(shè)計(jì)。由于外部電路采用24 V的開(kāi)關(guān)電源供電，而單片機(jī)需要5 V的電源電路，因此采用LM2576兩級(jí)穩(wěn)壓構(gòu)成，為了控制電源的質(zhì)量，使用電容進(jìn)行濾波處理，其電源電路圖如圖2所示。下載電路采用CH340T芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)樵赟TC單片機(jī)中串口可以用來(lái)進(jìn)行程序的下載，給設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的便利。
2.2窗簾驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
在智能家居系統(tǒng)中，智能窗簾是不可缺少的部分，也是智能家居中安防系統(tǒng)的主要元素。智能窗簾的執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)組成，系統(tǒng)的主電源是24 V的直流電，在電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中也是采用24 V的直流電機(jī)。智能窗簾的控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的升降控制，電機(jī)的控制系統(tǒng)是可逆調(diào)速系統(tǒng)，這里選用37GB555微型直流減速電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路配保險(xiǎn)絲，帶反接保護(hù)，電流過(guò)大保險(xiǎn)絲會(huì)燒斷。持續(xù)最大電流5 A，過(guò)載保護(hù)電流10 A，短路時(shí)間不超過(guò)30 s。驅(qū)動(dòng)板采用原裝進(jìn)口芯片，濾波電容采用獨(dú)石電容，電路穩(wěn)定可靠。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)芯片+MOSFET的驅(qū)動(dòng)模式，驅(qū)動(dòng)芯片選用美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，場(chǎng)效應(yīng)管選擇了原裝進(jìn)口的IRF540NS，其中窗簾驅(qū)動(dòng)部分的主要電路圖如圖3所示。
3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1手機(jī)客戶(hù)端
手機(jī)客戶(hù)端是在安卓操作系統(tǒng)之上開(kāi)發(fā)的一款簡(jiǎn)單實(shí)用的APP，可以方便用戶(hù)在手機(jī)上進(jìn)行智能家居的控制和監(jiān)控?？蛻?hù)端主要涉及到與用戶(hù)進(jìn)行交互的操作界面和登錄成功后各種電器的控制程序和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顯示等，交互界面包含登錄界面、注冊(cè)界面和操作界面。系統(tǒng)采用安卓交互式圖像界面，界面直接美觀(guān)、個(gè)性化強(qiáng)，給用戶(hù)提供一種良好的用戶(hù)體驗(yàn)感。登錄界面采用多個(gè)線(xiàn)性布局和相對(duì)布局相互嵌套進(jìn)行布局，在布局控件之中還加入一些其他的控件，比如用于用戶(hù)輸入用戶(hù)名、密碼和服務(wù)器IP的EditText對(duì)話(huà)框。登錄成功后會(huì)進(jìn)入一個(gè)操作界面，在界面中對(duì)所有的家用電器進(jìn)行編碼后通過(guò)對(duì)應(yīng)的控件顯示出來(lái)，直觀(guān)明了，達(dá)到了用戶(hù)所見(jiàn)即所用。用戶(hù)進(jìn)入該界面后可以點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)家用電器的控制按鈕，此時(shí)會(huì)通過(guò)無(wú)線(xiàn)WiFi將用戶(hù)的需求發(fā)送給家用電器處理服務(wù)器，最終達(dá)到用戶(hù)控制家用電器的目的。程序會(huì)根據(jù)用戶(hù)的操作對(duì)象顯示出相應(yīng)操作的設(shè)備以及設(shè)備的狀態(tài)信息。手機(jī)客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)的框圖和手機(jī)實(shí)際的界面如圖4、圖5所示。
3.2服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
3.2.1服務(wù)器主程序
在智能家居控制系統(tǒng)中手機(jī)客戶(hù)端與家庭信息處理服務(wù)器采用C/S（客戶(hù)端/服務(wù)器）軟件結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)任務(wù)分配給一個(gè)服務(wù)器和多個(gè)客戶(hù)端。服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析管理，客戶(hù)端為用戶(hù)提供服務(wù)；客戶(hù)端處理界面請(qǐng)求并向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器收到客戶(hù)端的請(qǐng)求內(nèi)容后會(huì)返回給客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)兩者的交互；兩者分別發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)相互配合緊密合作。采用C/S點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)模式，安全性可以得到提高，增強(qiáng)人機(jī)交互能力。智能家居ARM服務(wù)器流程圖如圖6所示。
3.2.2設(shè)備編碼
在程序編寫(xiě)之前對(duì)家用電器進(jìn)行編碼處理，確保編碼好的數(shù)據(jù)在解析過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)歧義或者無(wú)法解碼的情況。在編碼過(guò)程中為了保證設(shè)備和編碼的唯一性和準(zhǔn)確性，采用JSON格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理和解碼處理。JSON是一種數(shù)據(jù)交換格式，交互更加方便靈活。表1給出了設(shè)備的編碼規(guī)則。
3.2.3傳輸協(xié)議和Socket通信
針對(duì)智能家居系統(tǒng)，目前比較常用的傳輸協(xié)議為T(mén)CP協(xié)議和UDP協(xié)
議。UDP是一種非面向連接的傳輸層協(xié)議，無(wú)法了解接收端是否正確接收完成數(shù)據(jù)，但其傳輸速率高，資源消耗小，適合一次傳輸較少的應(yīng)用環(huán)境。TCP是一種面向連接的傳輸控制協(xié)議，其傳輸包括建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、釋放連接三個(gè)過(guò)程，可提供端到端的全雙工傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑?］。
圖6智能家居ARM服務(wù)器流程圖Socket通信包含了面向連接的Socket通信和無(wú)連接的Socket通信，由于本文采用TCP協(xié)議，所以選擇的是面向連接的Socket通信。首先要啟動(dòng)服務(wù)器，通過(guò)Socket()函數(shù)調(diào)用Socket對(duì)象；綁定服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)。其次通過(guò)Bind()函數(shù)綁定本地網(wǎng)絡(luò)IP地址和Socket對(duì)象。然后調(diào)用listen()函數(shù)使Socket對(duì)象處于偵聽(tīng)狀態(tài)。服務(wù)器端調(diào)用accept()函數(shù)設(shè)置一個(gè)阻塞，等待客戶(hù)端的數(shù)據(jù)。表1設(shè)備編碼表設(shè)備空調(diào)電視冰箱臺(tái)燈窗簾風(fēng)扇溫度視頻編碼kt-1tv-1bx-1wc-1el-1wm-1tm-1ca-1
若IP及端口號(hào)與服務(wù)器端匹配則可以調(diào)用write()函數(shù)向輸入流寫(xiě)入數(shù)據(jù)，此時(shí)客戶(hù)端只需要等待服務(wù)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可。服務(wù)器和客戶(hù)端的Socket通信流程如圖7所示。
4結(jié)論
在研究目前智能家居存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了一種新的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)隨身攜帶的Android智能手機(jī)等終端作為家用電器的移動(dòng)控制服務(wù)器，可以隨時(shí)隨地對(duì)家里的各種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制。手機(jī)界面采用圖片方式，操作簡(jiǎn)單易用，避免了文字操作的繁瑣和枯燥，在數(shù)據(jù)通信方面，硬件上采用無(wú)線(xiàn)WiFi降低設(shè)備的成本和安裝的便捷性，軟件上選擇Socket通信，使得軟件的開(kāi)發(fā)周期縮短。實(shí)踐證明該系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行，具有一定的推廣價(jià)值。
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