掌上你的生活

侯旭陽++李金鑫++王鵬++桂珂

摘 要：基于掌上生活的理念，設計了一套智能家居控制系統。該系統由遠程監控及GSM模塊、空調及電視遙控模塊、家電開關控制模塊以及語音識別模塊組成。用戶通過手機即可實現模擬遙控器、控制家用電器開關以及監控家庭的安全狀況等功能。該系統項目與其他產品相比，創新特點明顯，市場前景廣闊，若加以推廣，必能產生巨大的經濟效益。

關鍵詞：掌上生活；家電控制；智能家居

1 作品簡介

以手機中的App作為上位機，以無線WiFi路由器OpenWrt作為服務器，以STM32單片機作為下位機。上位機與服務器之間通過WiFi通信，下位機與服務器之間通過RS 232串口通信。下位機作為主控單片機，與其他各節點的單片機通過2.4 G無線模塊通信。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

手機可以通過WiFi發送指令，如控制家電開關或模擬遙控器指令，單片機接收到指令后，進行相應的操作，從而實現手機控制家電開關，以及手機模擬遙控器的功能。

攝像頭采集的數據通過服務器處理后向外傳輸，當需要時，手機通過WiFi訪問服務器便可得到攝像頭采集的圖像數據，當看到門口的訪客時，可通過GSM模塊選擇與其對話。

2 工作原理

2.1 手機App上位機設計

安卓上位機主控界面如圖2所示。主控界面分為四大模塊，分別為遠程監控及GSM模塊、空調及電視遙控模塊、家電開關控制模塊、語音識別模塊。

圖2 安卓上位機主控界面

2.2 手機控制家電開關模塊

手機通過WiFi向單片機發送指令，單片機接收到指令并作出識別判斷后，控制相應的繼電器動作，以實現對家用電器開關的控制。家電開關控制流程如圖3所示。

圖3 家電開關控制流程

繼電器采用電磁繼電器，電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣，單片機通過在電磁繼電器兩端加或不加電壓，便可控制繼電器動觸點與靜觸點吸合和斷開，從而實現開關的功能，以此來控制家用電器的開關。

2.3 手機模擬遙控器

手機通過WiFi向單片機發出控制指令，單片機接收到指令并識別判斷后，單片機內部模擬遙控器的紅外協議通過紅外發光二極管將信號發出，從而向電視機、空調等發出指令，實現手機充當遙控器的功能。模擬遙控器控制流程如圖4所示。

圖4 模擬遙控器控制流程

遙控器的實質是產生不同的編碼脈沖，輸出各種以紅外線為媒介的控制脈沖信號，這些脈沖是指令代碼，用來控制家電的操作。遙控發射器專用芯片很多，根據編碼格式可以分成兩大類，即RC-5碼和NEC碼。我們以NEC碼為例說明，當發射器按鍵按下后，即由遙控碼發出，按鍵不同遙控編碼也不同。這種遙控碼具有以下特征：

（1）采用脈寬調制的串行碼，以脈寬為0.565 ms，間隔為0.56ms，周期為1.125 ms的組合表示二進制的“0”；以脈寬為0.565 ms，間隔為1.685 ms，周期為2.25 ms的組合表示二進制的“1”。

（2）大部分電視遙控編碼是連續的32位二進制碼組，其中前16位為用戶識別碼，后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。當按下遙控器按鍵時，將發射一組108 ms的編碼脈沖，這108 ms發射代碼由一個起始碼 （9 ms），一個結果碼 （4.5ms），低8位地址碼（9～18 ms），高8位地址碼（9～18ms），8位數據碼（9～18 ms）和這8位數據的反碼（9～18 ms）組成。

我們通過單片機模擬相應遙控器的編碼輸出來控制紅外二極管將指令發出，從而實現對家電的控制。

2.4 手機無線監控家庭環境

采用無線WiFi路由器，通過刷機將其刷成OpenWrt系統，此時該路由器便相當于一臺小型電腦，可在上面安裝一些攝像頭驅動，從而驅動攝像頭。這樣攝像頭采集到的數據便可通過D103N路由器向外發出，當需要時，手機可通過訪問該路由器得到攝像頭采集的數據。無線監控控制流程如圖5所示。

圖5 無線監控控制流程

我們采用兩個攝像頭，門口一個，房內一個。房內的攝像頭只負責監控房間內的情況。門口的攝像頭負責監控門口訪客，當有人來訪時，通過觸動門鈴按鍵，單片機檢測到按鍵按下后，通過GSM模塊向手機發送短信提示，提示有人來訪。這樣，我們就可以通過手機App查看門口攝像頭的圖像，從而可以看到訪客。當我們不在家中時，還可以通過手機采用GSM模塊與訪客進行對話。

GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。GSM模塊具有發送SMS短信、語音通話、GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能。

單片機通過RS 232串口與GSM模塊進行通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能，例如發送短信、撥打電話等。

2.5 語音識別

語音識別通過語音控制家電。語音識別功能通過在App中添加科大訊飛的jar包，從而使用科大訊飛的語音識別庫，說出指令后，手機將聯網查詢并識別接收到的指令。手機識別指令后，將指令通過無線發送給下位機，從而實現控制功能。例如，當用戶打開語音識別界面后，說“開燈”，手機便通過訪問科大訊飛庫實現語音識別，識別出“開燈”后，通過無線向下位機發送指令，從而實現開燈控制。

3 創新性

本項目具有理念上的創新性，是在了解了當前形勢的情況下大膽提出的。隨著智能家居的成熟，智能手機的推廣，“掌上生活”理念必會得到推廣。與目前市場上的其他產品相比，該項目具有如下創新特點：

（1）手機控制家電開關同當前已有的遙控插座相比，可控制家中所有電器的開關，而當前的遙控插座只能控制一種電器；可對任意電器實施定時功能。

（2）手機充當遙控器同小米電視相比，無需更改當前家電的結構，極大地節約了成本；可學習市面上絕大部分家電遙控器；可對家庭內部任意家電在任何位置實施控制。

（3）手機監控及防盜與可視化門鈴相比，可遠程監視，并遠程與來訪人員交流；具備報警功能；可對房間內狀況予以監督及遠程監督。

4 市場前景

隨著智能手機的普及，智能家居的推廣，人們越來越希望能夠用一臺智能手機控制家中的一切，讓自己的智能手機成為家庭生活的鑰匙，實現掌上生活。目前雖然以智能家居為產品的公司不少，但是市場份額都非常小，而且都處于初級起步階段。即使當前以智能家居為主題的公司很少提出掌上生活的理念，如小米的智能電視，格力的智能空調，也只是單純地用手機控制電視或者空調，而我們所提出的掌上生活的理念，則是用手機控制家庭中的一切，不只能夠利用手機模擬遙控器，還能夠用手機控制家用電器的開關及監控家庭的安全狀況，從而在產品性能及創新性方面完勝其他對手。

該方案既有廣闊的市場前景，又有獨特的創新精神，如果得到推廣，定會獲得巨大經濟效益。endprint