智能家居電器遠程無線控制系統設計*

李洪璠 劉柏峰 胡俊杰

(1.三亞學院,海南三亞 572022;2.91458部隊,海南三亞 572021)

現代家庭中生活質量的不斷提高,家電的遠程智能控制成為迫切的需求,將信息技術和家電技術相融合,在更大程度上實現家庭生活的信息化和智能化,滿足人們舒適、高節奏的生活需要,使所有的消費電子類產品具備連入網絡的能力[1]。家電遠程無線控制系統的研究目標,以Android智能手機作為家電控制終端,單片機主控制器作為數據處理和輸出控制設備指令,Wi-Fi數據透傳模組作為網絡互聯接口,并在其基礎上通過Wi-Fi無線通信方式實現手機控制終端與家電設備的互聯[2]。

1 硬件設計

(1)系統總體結構設計:控制系統主要由MCU模塊、電源模塊、監測模塊、Wi-Fi無線數據模塊、繼電器模塊、手機app和云服務平臺這七部分組成,該控制系統的主控芯片采用STC89C51系列單片機,其中主控單片機負責采集監控模塊數據(各家電設備的狀態),經過分析處理后,通過串口Wi-Fi數據透傳發送至機智云服務平臺,云服務平臺再將數據傳輸至手機APP,在手機上顯示各家電設備實時狀態,并通過可視化操作界面控制開關,實現遠程對多個家電的控制。系統總體結構如圖1所示。

(2)主控單片機(MCU)模塊:負責讀取所有家電設備的開關狀態:監測模塊的數據(溫度、濕度、電壓、電流、運行時間、機型信息等)。并通過串口發送至Wi-Fi無線數據模塊。通過串口發送入網指令至Wi-Fi無線數據模塊使其連接云服務器;通過串口接收Wi-Fi無線數據模塊發送來的指令數據,并進行處理,提取其中的控制信息并輸出控制信號來控制家電設備。

圖1 系統結構框圖

(3)電源模塊:選用LM1117T-3.3做穩壓模塊,負責將輸入的直流+5V電壓轉換成+3.3V電壓,并輸出穩定電壓和濾除直流電波動,給MCU模塊(51單片機)、電源模塊、監測模塊、Wi-Fi無線數據模塊、繼電器模塊、供電。在實際電路中,采用USB接口+5V供電,可經過電源適配器用USB數據線輸入。加入LED指示電源通電狀態,使用0.01uF和47uF電容穩定電壓和濾除直流電波動。

(4)監測模塊負責監測溫度、濕度、電壓、電流、運行時間、機型信息等,占用單片機一個I/O端口,將所測得的信息轉換數字化信號,以數碼方式串行輸出至主控單片機。

(5)Wi-Fi無線數據模塊負責連接家用路由器發出的無線Wi-Fi建立與云服務平臺的通信連接;接收云服務平臺發送的指令;轉發主控單片機發出的指令至云服務平臺;選用ESP8266一款超低功耗的UART-Wi-Fi透傳模塊,擁有微型封裝尺寸和超低能耗技術,專為移動設備和物聯網設備設計,可將用戶的物理設備連接到Wi-Fi無線網絡上,進行廣域網或局域網通信,實現聯網功能[3]。當接入機智云服務平臺,需要將ESP8266燒寫GAgent固件,在機智云服務平臺可下載該固件,并通過改變Wi-Fi模塊接線以進入燒寫模式,再使用專用的燒寫工具串口燒寫固件至Wi-Fi模塊中。GAgent主要用于是數據轉發,是機智云、設備數據、應用端的數據交換橋梁。

(6)繼電器模塊接收主控單片機發出的控制信號,導通或斷開PNP三極管使繼電器吸合導通或彈回斷開,導通另一條電路回路至接線端子,回路可接直流或交流,即模擬控制家電插座。文中繼電器模塊采用+5V驅動的SRD-5VDC繼電器,可吸合接通AC220V,即可用于開關家用電器。由于單片機引腳輸出電流能力低,輸入電流能力強,低電平驅動,需要采用PNP三極管驅動繼電器吸合,論文采用常見的S8550PNP三極管。因為繼電器線圈工作在直流電下,需要反向并聯一個續流二極管,防止繼電器的線圈在通斷電時產生的反電勢,損壞元器件。拉低單片機對應引腳,三極管導通,繼電器吸合;拉高單片機對應引腳,三極管截止,繼電器恢復原狀。

(7)云服務平臺負責Android軟件發送至云端數據的接收并存儲;如果設備在線,將云端存儲的數據傳輸至Wi-Fi無線數據模塊。機智云平臺通過自助工具、完善的SDK與API服務能力最大限度降低了物聯網硬件開發的技術門檻,提供開放的云端服務,降低開發者的研發成本,提升開發者的產品投產速度,幫助開發者進行硬件智能化升級,更好的連接、服務最終消費者[4]。更重要的是機智云提供了APPSDK、開源框架、微信SDK,便于開發者快速構建手機應用端系統,只需根據工具指引實現業務功能,無需實現底層功能。

圖2 云服務平臺虛擬設備和手機端調試仿真通信

圖3 設備狀態的實時獲取和控制測試

2 硬件電路仿真

由于Wi-Fi無線通信模塊無法在Proteus環境下進行通信仿真,僅對硬件開關和溫度顯示部分進行仿真,并在仿真中加入LED來模擬家用燈。其通信部分需要在機智云開發者平臺用虛擬設備進行通信仿真。通過設置P1口的控制開關閉合和DS18B20溫度模塊的讀取,仿真能夠正常運行,控制對應的繼電器和LED燈開關,并在LCD屏上顯示出正確的溫度。可以通過擴展口再接濕度傳感器,同時監測溫濕度。

3 通信部分仿真

機智云在線調試虛擬設備,可以模擬設備上報數據,并用其調試軟件DemoAPP模擬仿真整個通信過程,可查看其通信日志,得出各個控制按鈕上傳至機智云服務平臺的通信格式,這是單片機編程對應上云服務器數據點的極其關鍵一步。

云服務平臺虛擬設備和手機端調試仿真通信如圖2所示,當按開啟LED0/LED2/插座2時,云端服務器都會接收到APP發送的數據,并存儲在服務器上,而設備也會定時推送自己的狀態至云端服務器上,手機APP刷新獲取云端服務器上的數據,就能在手機上顯示設備的實時狀態。

4 無線遠程控制系統調試

(1)Android手機軟件與云服務平臺的遠程通信測試。編譯生成的APP與云服務平臺通信日志,使用生成的家庭中控網關APP能夠正常的與云服務平臺通信。

(2)云服務平臺與硬件系統的遠程通信測試。通過機智云串口調試助手,建立云平臺與硬件系統遠程通信日志,云服務平臺能夠正常的與硬件系統通信,且硬件成功地連接上云服務平臺進行通信。

(3)設備狀態的實時獲取和控制測試。設備狀態的實時獲取和控制測試如圖3所示,家庭中控網關APP能夠獲取設備返回至云平臺上的數據,正常讀取到測試溫度和設備開關的變化,并通過點擊開關控制對應設備接口。

5 結語

以STC89C51單片機為主控芯片的控制系統,通過采集溫度傳感器的輸出和監測的各家電設備的狀態,經過分析處理后,通過串口Wi-Fi數據透傳模組發送至機智云服務平臺,云服務平臺再將數據傳輸至手機APP,在手機上顯示各家電設備實時狀態以及室內溫度,并通過可視化操作界面控制開關,實現遠程對多個家電的控制。測試表明,在網絡正常情況下,給硬件系統上電,系統立即連接至云服務,等待指令并上傳設備狀態。如果網絡掉線,系統一直發出連接心跳,待網絡正常后系統會重新連接至云服務,系統控制延遲小于0.2s,控制性良好,還具有成本低、耗電低、實時接入、高穩定性等特點。

[1]汪剛,張福斌,陳宇航,張永清.一種遠程智能家電控制系統設計與實現[J].機械與電子,2010,(11):51-53.

[2]朱欣穎,陳曦.基于WIFI智能家居控制系統的設計[J].智能計算機與用,2014,4(06):80-82.

[3]傅緯球,胡兵.DTU透傳模式研究[J].科技信息,2011,(03):490-492.

[4]謝健驪.物聯網無線通信技術[M].成都:西南交通大學出版社,2013,134-148.