WiFi平板智能家居控制系統

彭衛星+鄒文歡+毋茂盛

摘 要：隨著網絡技術和通信技術的發展，利用移動通信設備控制家居技術成為人們目前的研究熱點。由于平板具有顯示屏幕大等優點，用平板控制家居，操作更方便，特別適合老年人群。文中開發了一個平板App程序和對應的硬件電路，實現了通過WiFi和ZigBee技術控制家中電燈、空調與門鎖等設備的目的。

關鍵詞：App；WiFi；紅外；智能家居；

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著互聯網技術和3G、4G通信技術的不斷發展，WiFi已成為目前最普遍的無線通信方式之一。如今90%以上的家庭都擁有WiFi，主要用于手機上網。利用WiFi通信，無需布線，因此，利用WiFi進行智能家居的自動化控制成為目前工程師們研究的熱點。由于老年人反應遲鈍，視力欠佳，操作手機時，經常會因看不清或抖動出現按錯鍵的情況，更有甚者可能無法操作手機，而平板具有比手機更大的屏幕，因此，本文開發了一個基于平板和WiFi技術的智能家居監控系統，通過在平板電腦上“指指戳戳”實現開燈、開門和開關空調。

1 系統結構與功能

1.1 總體設計

系統的總體硬件結構如圖1所示。

1.2 系統的工作原理

平板通過ESP8266 WiFi模塊與基于CC2530的協調器相連。WiFi選擇AP模式，默認的IP地址為：192.168.4.1；通過AT指令可以查看或修改WiFi模塊的IP地址（具體方法見ESP8266中AT指令手冊）。為了控制空調、電燈和門鎖等設備，采用積木式結構，每個設備對應一個終端節點，終端節點與CC2530協調器之間通過ZigBee協議進行組網通信。不同的終端節點具有不同的硬件電路和控制功能，由此最終實現通過平板對家中設備如電燈、空調以及門鎖的控制。

2 系統硬件設計

系統硬件主要由基于CC2530的協調器和基于CC2530的終端節點組成，其工作原理如圖2所示。

CC2530是由美國TI公司設計的SoC芯片，它采用8051內核，含有可編程閃存、8 KB RAM、UART和SPI接口等，最重要的是具有采用ZigBee協議進行數據無線發射和接收的功能，適用于智能家居、工業控制等特定場合，能夠省去連線的麻煩，被廣泛應用于物聯網技術領域[1]。本項目中用CC2530分別設計了協調器和終端節點，兩者之間通過ZigBee進行無線通信。協調器作為平板和終端節點之間的橋梁，用以轉發各種命令和數據；終端節點用于數據采集或執行平板發送的命令，實現室內溫度數據采集、控制電燈開關、開啟門鎖和空調等。對于不同的終端節點，僅焊接相關的電子元件即可。

2.1 WiFi模塊

WiFi模塊的主芯片為高性能無線 SOC esp8266-01，在較小尺寸封裝集成了業界領先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位 MCU以及WiFi MAC/ BB/RF/PA/LNA等，支持 16 位精簡模式和RTOS，支持標準的 IEEE 802.11 b/g/n 協議和完整的 TCP/IP 協議棧。WiFi模塊的工作電路如圖3所示。

2.2 空調控制電路設計

為了控制空調，用CC2530的P2.0通過電阻外接三極管9013的基極，9013的集電極接紅外發光二極管。通過CC2530的P2.0引腳輸出脈沖可以開啟和關閉空調。

2.3 電燈和開鎖電路設計

用CC2530的P1.3和 P1.5 輸出兩路控制信號，經三極管驅動后接繼電器，由繼電器控制燈泡的220 V電源和12 V開鎖電源，最終實現開關燈泡和門鎖。

2.4 室內溫度采集電路設計

DS18B20是美國DALLAS半導體公司設計的數字溫度傳感器[2]，它可直接將溫度轉換成數字溫度值，溫度測量范圍為 -55 ～ 125℃；采用1-Wire 接口。可以編程設置上限和下限報警溫度和溫度轉換分辨，使用方便。在本系統中，CC2530的P1.1 接DS18B20的數據線，可實現室內溫度的采集。

3 系統軟件設計

線性布局（Linear Layout）是一種比較靈活的布局方式，具有操作簡單、修改方便以及界面友好等特點[3]。因此，該平板APP的設計采用線性布局的方法實現。首先，將頁面母板分成若干部分，母板Linear Layout使用Android：orientation="vertical"將各個部分垂直分布；然后，每個部分中的對象通過Android：orientation="horizontal"實現橫向分布。且采用了TextView，Editext，ToggleButton ， Button，ImageView等控件。通過對每一個Button設置setOnCheckedChangeListener（）語句實現對該控件的監聽。當Button被按下時，會觸發一個事件。平板App軟件大致分為3個模塊，分別是連接模塊、控制模塊和接收模塊。App運行界面如圖4所示。

3.1 IP連接模塊設計

App默認端口號為8080，默認IP地址為：192.168.1.1，如果需要也可以在IP地址欄輸入新的IP。點擊連接，會觸發Socket事件，進行Socket通信。連接成功后，App與硬件的通信都通過Socket進行，進而控制硬件操作。具體開啟線程代碼如下：

toggleButton2.setOnCheckedChangeListener（new

CompoundButton.OnCheckedChangeListener（） {

public void onCheckedChanged（CompoundButton buttonView， boolean isChecked） {endprint

toggleButton2.setChecked（isChecked）；

if（isChecked == true）

{

socket = null；

ReceiveMessageThread r1 = new ReceiveMessageThread（）；// 開啟客戶端線程

r1.start（）；

//延時讓子線程執行完畢后再執行下方程序

for（int i=1；i<10000；i++）

for（int j=1；j<10000；j++）；

if（socket ！= null）

Toast.makeText（MainActivity.this，"正確連入"， Toast.LENGTH_SHORT）.show（）；

else {

Toast.makeText（MainActivity.this， "失敗連入"， Toast.LENGTH_SHORT）.show（）；

}

}else{

socket = null；

Toast.makeText（MainActivity.this，"斷開連接"， Toast.LENGTH_SHORT）.show（）；

}}}）

3.2 控制模塊

控制模塊包括電燈控制，門鎖控制，空調控制等。燈與門鎖通過繼電器控制，空調則用紅外控制。軟件通過Socket中的BufferedWriter將攜帶的所有控制信息發送給硬件。實現代碼如下：

BufferedWriter writer = new BufferedWriter （new

InputStreamWriter（socket.getOutputStream（）））

開關控制代碼如下：

switch1.setOnCheckedChangeListener（new

CompoundButton.OnCheckedChangeListener（） {

public void onCheckedChanged（CompoundButton

buttonView， boolean isChecked） {

Toast.makeText（LampActivity.this， "LED1"+isChecked，

Toast.LENGTH_SHORT）.show（）；

if（isChecked == true）

{

String up1 = "@LED1UP"；

try {

writer2.write（up1）；

writer2.newLine（）；

writer2.flush（）；

} catch （IOException e） {

e.printStackTrace（）；

}catch（Exception e）{

System.out.println（e.toString（））；

}}else{

String down1 = "@LED1DOWN"；

try {

writer2.write（down1）；

writer2.newLine（）；

writer2.flush（）；

} catch （IOException e） {

e.printStackTrace（）；

}catch（Exception e）{

System.out.println（e.toString（））；

}}}}）

3.3 溫度采集顯示模塊

連接后，溫度采集終端節點每秒采集一次溫度，通過Socket緩沖區BufferedReader將溫度實時上傳到平板。具體代碼如下：

線程：class ReceiveMessageThread extends Thread {

public void run（） {

try {

s1 = ed1.getText（）.toString（）.trim（）；

//s1是文本框填寫的IP地址

socket = new Socket（s1，8080）；

reader = new BufferedReader（new

InputStreamReader（socket.getInputStream（）））；

while（（valueString1=reader.readLine（）） ！= null）{

Message message1 = new Message（）；

message1.what = UPDATE_RECEIVEMSG；

handler.sendMessage（message1）； }

} catch （IOException e） {

e.printStackTrace（）；

}}}

在onResume（）中運行以下代碼：

Handler handler = new Handler（）{

public void handleMessage（Message msg） {

switch（msg.what） {

case UPDATE_RECEIVEMSG：

ed2.setText（valueString1.toString（））；

valueString1 = null；

break；

default：

break；

}}}

4 結 語

本文研究了基于平板的家居智能控制技術，通過WiFi和ZigBee無線方式傳送命令和數據，省去了布線的麻煩。一方面，通過平板可以開門，由于電插鎖安裝在室內，使得想通過開鎖行竊的盜賊望而卻步，起到了防盜的作用。另一方面，特別是夏天，用戶無需打開蚊帳，躺在床上即可用平板開關電燈和空調，避免蚊子鉆入蚊帳中，使生活變得非常方便。本文設計的系統經過實際使用，取得了良好的效果，所研究的技術具有非常重要的意義和廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]董澤龍，毋茂盛. SPI/UART與ZigBee協議轉換模塊設計[J].物聯網技術，2015，5（12）：32-34.

[2]毋茂盛.單片機原理與開發[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3]郭霖.Android第一行代碼[M].北京：中國工信出版集團， 2016.

[4]王健權，王蒙.基于WiFi的智能家居的設計與實現[J].科技風，2016（2）：61-62.

[5]何文樂.基于物聯網和wifi的智能家居移動控制系統[J].信息通信，2016（2）：90-91.

[6]朱祥賢.基于Android和ZigBee的智能家居系統設計[J].數字技術與應用，2014（9）：131-133.

[7]薛誓穎，李捍東.基于ZigBee技術智能家居安防監控系統[J].物聯網技術，2017，7（7）：68-70.

[8]魯玉軍，劉振.ZigBee技術在智能家居系統中的應用[J].物聯網技術，2017，7（4）：40-43.endprint