基于WiFi的家電智能控制系統研究

武 一，南京婭，劉 排

（河北工業大學 信息工程學院，天津 300401）

基于WiFi的家電智能控制系統研究

武 一，南京婭，劉 排

（河北工業大學 信息工程學院，天津 300401）

針對家電智能化和網絡化的發展，各種基于WiFi功能的智能產品在人們生活中廣泛應用，移動智能控制終端在能家居中發展迅猛。結合Android操作系統和家電控制原理，利用高速率串口/WiFi模塊，提出了一種智能手機通過WiFi控制空調的解決方案，并對整個控制系統做了仿真與測試，結果表明該方法具有可行性和穩定性。

Android；家電控制；WiFi；語音識別

隨著數字家庭和智能家居產業的發展，家用電器也開始革新。TCL網絡電視、Bose家用WiFi音響、Haier天樽空調等網絡家電已經漸漸應用到人們的日常生活中。

WiFi網絡“熱點”已經成為家庭、公共場所等必配設施。針對WiFi無須布線，具有通用性、靈活性、成熟性等優勢，主宰家庭中短距離無線應用，WiFi終端產品也日益豐富，用戶可以充分感受無線網絡為家用電器帶來的便捷[1]。

目前，智能手機在人們手中不再只是個通信工具，已經與人們的日常生活緊密聯系在一起，演變成為多功能智能終端。如三星公司生產的智能手機和智能電視機互相關聯，實現對三星智能電視的遙控；通過App程序也可以將平板PC或者手機當做電視機的附屏，實現其畫面和電視屏幕的同步，實現了三屏融合。在智能家居中智能手機作為主要的控制平臺已是大勢所趨。

本文結合智能家電控制的研究現狀，提出了一種Android手機通過WiFi控制家電設備的解決方案，以空調為例，只要空調與手機同處于家庭無線局域網內就可以實現相互通信。讓智能手機取代遙控器，避免了紅外遙控器在距離和方向方面的局限，使傳統家電真正成為網絡家電，使人們的生活智能化。

1 系統總體設計

本文主要研究的是基于Android的智能家電控制系統設計。主要以空調作為控制對象，以Android系統智能手機為操作控制平臺，通過WiFi傳輸控制命令和數據信息，實現空調的開/關、模式轉換、溫度設定、語音控制等功能，達到室內溫度調節的目的。

系統包括手機客戶端控制界面設計、手機與WiFi模塊通信、串口/WiFi模塊配置、空調溫度調節等4大模塊。系統的總體架構如圖1所示。

2 硬件系統的設計

中央控制芯片選擇智能家居常用的CC2530芯片，CC2530集成了高性能和低功耗的 8051微控制器，提供了101 dB的鏈路質量，128 kbyte的系統內可編程閃存，優秀的接收器靈敏度和抗干擾性，指令執行速度比標準8051快。

圖1 系統總體架構

溫濕度傳感器SHT10，是一款響應時間短、功耗低、精度高的傳感器，具有穩定性和易使用性。空氣清潔度傳感器TGS2600，功耗低、對氣態空氣污染物有較高的靈敏度。

家電智能化主要體現在家電可以隨著周圍環境的改變自動做出響應，不需要人為干預。本文設計理念也體現了這一點，根據溫濕度傳感器、空氣質量傳感器采集的數據經算法分析啟動空調器相應的功能，開啟智能化模式。硬件設計如圖2所示。

圖2 硬件設計框架圖

核心控制器件CC2530接收來自溫度傳感器SHT10采集的溫度值，與手機發來的設定值進行比較，通過PID控制器[2]改變電機功率實現溫度調節，采集空氣清潔度傳感器TGS2600的數據，根據空氣質量的好壞自動改變風機轉速，完成空氣質量的調節。

CC2530通過串口接收和發送數據，CC2530解析串口接收到的控制命令，實現啟動/關閉繼電器、工作模式轉換、設定溫度改變等操作。具體過程如圖3所示。

HLK-RM04串口轉WiFi模塊是連接家電設備核心器件與安卓手機的橋梁，設備通過串口線與HLK-RM04模塊相連，對HLK-RM04模塊進行相應的AT指令配置，實現通過WiFi網絡發送和接收的數據。具體如下：

圖3 硬件系統流程圖

對WiFi模塊進行靜態IP地址和端口號配置，使之連接上家庭無線路由器，手機和WiFi模塊同處于一個無線局域網內，智能手機就能實現與之通信，發送控制命令和接收數據信息。這種模式為實現家電之間組網與互聯提供了條件。

3 手機客戶端的設計

本文實現了智能手機實現遙控器的功能，客戶端的設計主要包括空調開關鍵、溫度設定、模式轉換、定時開關、語音控制、網絡通信等功能。

實現手機與底層交互通信是本文的研究重點。UDP是基于消息傳輸的，具有傳輸速度快等優點[3]，適合傳輸數據少、對可靠性要求不高的應用環境。家用電器的控制信息數據量小，因此本文采用簡單的面向數據報的UDP協議。要實現socket套接字這個接口在網絡層進行數據通信，就必須借助DatagramSocket和DatagramPacket兩個類。DatagramSock?et基于UDP協議，用于在兩端點之間接收和發送數據報；DatagramPacket用于存放通信數據并決定數據發送目的地的數據報。要實現Socket通信，需綁定通信對象的IP地址和端口號。

本文實現手機與WiFi模塊之間的通信需確定雙方在同一無線局域網內，并與WiFi模塊配置好的IP地址和端口號相匹配[4-5]。

//首先創建一個DatagramSocket對象

DatagramSocket socket=new DatagramSocket（49332）；

DatagramPacket packet=newDatagramPacket（data，data.length，serverAddress，49332）；

//serverAddress為WiFi模塊IP地址。

利用socket.send（packet）函數發送數據報，主要是空調的控制命令。本文主要是接收室內溫濕度和空氣質量量化數據，利用socket.receive（packet）接收數據報，并將數據顯示在UI界面上，但Android禁止其他子線程更新由UI thread創建的試圖，所以需要通過消息隊列（Message Queue）實現線程間的信息交換，通過handleMessage（Message msg）函數接收和處理消息[6]，從而完成更新接收數據的界面顯示。

具體手機客戶端Socket通信如圖4所示。

圖4 socket通信流程圖

語音識別的宗旨是最大限度地改善人機交互的便捷性。本文支持在線語音，但Google提供的語音搜索API需上傳至Google云端獲取聲音數據，這種語音識別正確率高但容易受網絡環境的影響，容易導致語音識別用時過長或失敗。

所以本文增設了離線語音識別功能，pocketsphinx[7]是最新的適用于嵌入式設備上的語言識別系統的源代碼。包括字典文件和聲音模型文件，程序先將輸入的聲音和聲音模型文件對比，生成音節編碼，再將音節編碼在字典中查找，返回最后的字符結果。由于pocketsphinx是C語言源代碼，需要cygwin軟件搭建一個在Windows平臺上運行的unix模擬環境，這樣NDK才能編譯C、C++代碼，將C程序封裝成Java鏈接庫的.so文件，從而完成在Android程序內調用pocket?sphinx，實現離線語音識別。

4 系統仿真結果

本文在完成設計后，經測試達到了預期結果。利用CC2530及外部設備基本模擬了空調的工作機理。液晶顯示屏顯示當前室內溫度、濕度、空氣質量以及工作模式，如圖5所示，用戶界面簡潔直觀、操作方便，能夠改變空調的設定溫度，實時獲取室內濕度值和空氣質量，在控制界面的頂端顯示當前空調的開關狀態、風速、工作模式，如圖6所示，語音控制準確率高，整個系統穩定性好，手機控制幾乎沒有延時，較紅外遙控器沒有方向和距離上的約束。

圖5 CC2530及其外設（照片）

圖6 空調控制界面（截圖）

5 總結

本文針對整體設計架構和控制系統做了詳細分析，包括空調根據采集數據的變化實現智能控制、手機客戶端界面的設計，實現了空調通信及離線語音控制等。測試結果表明本文研究方法的可行性，較傳統紅外遙控器更為方便、智能。借助家庭現有的無線網絡，以WiFi作為無線傳輸媒介，帶有WiFi模塊的家電可以組網，產生互聯，一個手機就可以充當所有家電的遙控器，為家電進入互聯網時代奠定了基礎。

[1] 陳剛.基于IEEE802_15_4e的智能家居家電控制系統的實現[J].電視技術，2012，36（24）：23-26.

[2]劉迪.基于數字PID和89C52單片機的溫度控制系統[J].電子設計工程，2010，18（4）：28-30.

[3] 陳莉，付蔚.基于android的遠程家電控制終端設計[J].山西電子技術，2012（5）：60-62.

[4] 彭華.WiFi技術在家庭無線網絡中的應用研究[J].技術研發，2010，17（5）：15-17.

[5]相福利.基于Android平臺智能家居系統研究與實現[D].成都：電子科技大學，2012.

[6]宋威.基于WIFI物聯網的家電智能控制系統信息控制端的研究[J].信息通信，2013（1）：199-200.

[7] 劉憲濤.基于Android平臺的手機語音識別服務客戶端系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2012.

責任編輯：時 雯

Study on Smart Appliance Control System Based on Android

WU Yi，NAN Jingya，LIU Pai
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

For the development of intelligentization and networking of household appliances，smart products based on WiFi gradually are applied in people's lives，mobile intelligent controlling terminals in the smart home become the future trend.In this paper，combine Android operating system and the control pinciple of household appliance，high-speed serial/WiFi module is used，a solution about a smartphone via WiFi controlls air-condition is proposed，and also does the simulation and test for the system，results show that the method is feasible and stable.

Android；appliance control；WiFi；speech recognition

TN919.6

B

10.16280/j.videoe.2015.08.006

2014-07-03

【本文獻信息】武一，南京婭，劉排.基于WiFi的家電智能控制系統研究[J].電視技術，2015，39（8）.