基于Android平臺與SMS的智能家居能量管理系統※

紀盼瑩，李帥

（1.中南民族大學化學與材料學院，武漢430074；2.華中科技大學）

引 言

智能電網是電力行業比較時髦并且很有發展前景的行業，作為智能電網中非常重要的家庭用電單元，其用電智能化程度是智能電網系統中不可或缺的一環。基于Android平臺與SMS技術的智能家居能量管理系統著眼于智能家居能量管理，試圖把人們日常生活中的一些常用設備進行簡單的改造來實現遠程控制家用電器、了解家庭用電情況的功能，從而實現家居用電的智能化。

相對于總線、以太網以及電力線等有線通信方式以及WiFi、ZigBee等無線通信方式來說，基于SMS與TR24無線通信模塊的方案實現起來比較簡單，成本較低，而且可靠性也比較高。

1 總體設計框圖

該系統可分為以下三個部分：基于Android平臺的手機客戶端；以STC12C5A60S2單片機為主控單元、用于實現與手機客戶端以及智能插座通信的智能電表部分；以STC89C52RC單片機為主控單元，用于實現與智能電表通信并控制電器開關的智能插座部分。智能家居總體結構圖如圖1所示。

圖1 智能家居總體結構圖

其中，基于Android平臺的手機客戶端用于發送對智能電表的控制指令或者接收智能電表反饋回來的信息。智能電表通過SIM300模塊實現與手機客戶端的通信，接收來自手機客戶端的控制指令，并經過處理后將此控制指令通過TR24無線傳輸模塊發送到相關智能插座；智能電表也可以通過TR24無線傳輸模塊接收來自智能插座反饋回來的信息，并經過處理后通過SIM300模塊送至手機客戶端。智能插座通過TR24無線傳輸模塊實現和智能電表的通信，對相關電器進行控制，或對周圍狀況（溫度等）進行監測。

2 硬件設計

2.1 智能電表總體結構

智能電表主要的作用是實現與手機客戶端的遠程通信以及與各個智能插座近距離無線通信。目前實現的功能只是對家用電器的控制，以后會進一步加入對家居的監測（包括溫度、用電功率等），不斷擴充智能電表的職能。通過SIM300模塊實現與手機客戶端的通信，通過TR24無線傳輸模塊實現與智能插座的通信。智能電表的總體結構略——編者注。

2.2 智能電表電路設計

2.2.1 控制器電路設計

智能電表控制器采用STC12C5A60S2單片機，此系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘／機器周期（1T）的單片機，是高速／低功耗／超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路、2路PWM、8路高速10位A／D轉換（250kbps）。控制器電路圖如圖2所示。

圖2 控制器電路圖（智能電表）

2.2.2 SIM300模塊電路設計

SIM300模塊是小體積即插即用模塊中完善的四頻GSM／GPRS，解決方案使用工業標準界面，這使得具備GSM／GPRS 850／900／1800／1900MHz功能的SIM300以小尺寸和低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM300模塊電路略——編者注。

2.2.3 供電、顯示等電路設計

智能電表供電單元由常用的220V轉9V的充電器和線性穩壓器MIC29302、78M05構成，其電路圖如圖3所示。

圖3 穩壓電路圖

顯示屏采用Nokia 5110液晶顯示屏，可以方便地顯示任何英文、數字、中文和圖形等信息，而且價格很便宜。電路接口如圖4所示。

圖4 顯示屏電路圖

為了能和PC機通信，以實現單片機程序的燒入等功能，采用MAX3232芯片來構成收發器，收發器電路略——編者注。

STC12C5A60S2單片機提供了兩組串口，可以用單片機串口配置電路進行選擇配置，此圖略——編者注。

2.2.4 TR24無線收發模塊電路設計

無線收發模塊選用TR24，該模塊頻率范圍為2400（1／2M可選）～2485MHz，工作電壓為2.1～3.6V，可編程輸出功率為－15／－5／0／5dBm，調制方式為GFSK／FSK。

TR24無線收發模塊電路圖略——編者注。

3 智能插座總體結構

智能插座主要的作用是實現與智能電表的近距離通信以及控制插座上各個電器的運行狀況。通過TR24無線傳輸模塊實現與智能電表的通信。智能插座的總體結構圖略——編者注。

3.1 智能插座電路設計

3.1.1 控制器電路設計

智能插座控制器采用STC89C52RC單片機，此為宏晶科技推出的新一代高速／低功耗／超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘／機器周期和6時鐘／機器周期可以任意選擇。用戶應用程序空間為8KB。控制器電路圖略——編者注。

3.1.2 TR24無線收發模塊電路設計

智能插座端TR24無線收發模塊電路圖5所示。

3.1.3 接口轉換電路設計

通過PL2303芯片實現USB信號與RS232信號的轉換，從而達到PC機與STC89C52RC單片機通信的目的。PL2303是Prolific公司生產的一種高度集成的RS232－USB接口轉換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。該器件內置USB功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現USB信號與RS232信號的轉換，能夠方便嵌入到各種設備。該接口轉換電路如圖6所示。

圖5 TR24無線收發模塊電路圖（智能插座端）

3.1.4 供電電路設計

智能插座供電電路將220V交流市電通過變壓器變成交流15V，然后由二極管1N4007組成的整流橋變成直流，再由芯片78M05穩壓到5V。供電電路如圖7所示。

4 軟件設計

4.1 智能電表控制器軟件設計

智能電表控制器軟件設計可分為兩層：底層和上層。底層是整個軟件控制系統工作的基礎，主要包括LCD模塊、定時器模塊、SIM300模塊、串口模塊等的驅動。上層通過調用底層提供的接口，完成界面顯示、無線通信、串口通信等功能。智能電表控制器的軟件設計結構圖如圖8所示。其控制流程圖如圖9所示。

圖6 PL2303接口轉換電路圖

圖7 供電電路圖

圖8 智能電表控制示意圖

4.2 智能插座控制器軟件設計

智能插座控制器只需要檢測與TR24的IRQ引腳連接的I／O口是否產生中斷，然后進行相關控制。主要代碼都是關于TR24驅動的，這些內容都可以在相關芯片手冊上查閱得到，這里不再贅述。

4.3 手機客戶端軟件設計

智能手機市場中，Android操作系統占很大比例，使用人數眾多。Android平臺以其開放性的優勢吸引了越來越多的開發者，隨著用戶和應用的日益增多，Android平臺也漸漸走向成熟。

圖9 智能電表控制流程圖

4.3.1 設計概況

系統主要包含了主界面模塊、數據存儲模塊、電器控制模塊、系統設置模塊、截取和處理消息包模塊、短信發送模塊、時間獲取及顯示模塊共7個子模塊。系統設計模塊圖如圖10所示。

圖10 系統設計模塊圖

主界面模塊：此為軟件啟動后默認進入的界面，此界面可分別進入系統設置模塊和電器控制模塊。

系統設置模塊：在此模塊下可選擇要控制的智能插座和電器，點擊保存即可退回到主界面。

電器控制模塊：在此模塊下可對所選電器進行遠程控制，并且可以顯示所選電器目前的開關狀態。

數據存儲模塊：采用SQLite輕型數據庫，對軟件各狀態變量進行存儲。

截取和處理消息包模塊：采用廣播接收的方式對消息包進行處理，利用BroadcastReceiver類及其onReceive函數，實時監測消息的到達及其內容，進而更新數據庫并且調用其他相關活動。

短信發送模塊：建立了相關的類和函數，通過調用安卓系統的接口函數進行短信發送工作。

時間獲取及顯示模塊：通過調用java.util.Date Date函數來獲取時間，并做一定的處理，然后顯示到手機屏幕上。

4.3.2 界面展示

客戶端圖標如圖11所示，命名為“SmartHomeSystem”，圖標圖片為一個給自己充電的燈泡機器人，寓意為家用電器的智能化控制。

主控界面如圖12所示，可選擇電器控制、系統設置兩個子界面進行相關操作的設置。按home鍵可以使程序后臺運行。

圖11 客戶端圖標

圖12 主界面

系統設置界面、電器控制界面略——編者注。

結 語

智能家居目前逐漸成為社會上的研究熱點，本系統通過普及度非常高的安卓手機及家用電表實現遠程電器控制的智能化，這使得這項技術能夠非常簡單快捷地走進千家萬戶。并且，本系統不需要對家用電器進行太多的改造，使得使用者能在不更換已有家用電器的情況下采用本系統，大大節省了成本。遠程控制、友好的手機客戶端將使用戶能夠非常便捷地使用本系統。

本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

［1] 康華光.電子技術基礎數字部分［M] .5版.北京：高等教育出版社，2005.

［2] 康華光.電子技術基礎模擬部分［M] .5版.北京：高等教育出版社，2006.

［3] 陳堅，康勇.電力電子學［M] .3版.北京：高等教育出版社，2011.

［4] 孫靜.基于以太網智能家居控制器的研究與實現［D] .西安：西安科技大學，2006：3－4.

［5] 王颋，吳兆云等.基于電力線載波的智能家居控制系統研究［J] .單片機與嵌入式系統應用，2013，13（2）：70－73.