基于WIFI通信技術和Android設計的智能家居控制系統(tǒng)

互聯(lián)網(wǎng)技術和 WIFI 技術的不斷進步，使 WIFI 成為目前應用最普遍的無線通信方式之一，居民已經(jīng)越來越離不開 WIFI 無線數(shù)據(jù)傳輸技術，利用 WIFI 進行家居的智能控制也成為當前研究的熱點，智能家居系統(tǒng)的工作方式就是利用手機、平板等終端來發(fā)出相應的控制指令，經(jīng)過各種基于信號接收和發(fā)送功能的傳感器來控制家用電器設備，從而實現(xiàn)對設備的遠程無線控制． 本文介紹的 是基于 WIFI 技術，通過 ESP8266 模塊把 STM32 連接到外網(wǎng)，然后由手機的 APP 發(fā)送控制指令， ESP8266 串口WIFI 模塊接收到指令后，再向 STM32 發(fā)送信號，STM32 經(jīng)過對信號的處理，通過繼電器或紅外遙控等方式對相應的電器設備發(fā)出功能指令，控制電器設備的通斷或進行調節(jié)，形成一個無線智能控制通信網(wǎng)絡．

1系統(tǒng)硬件組成及設計

系統(tǒng)硬件組成如圖 1 所示，主要由智能控制終端（ 手機或 IPAD） 、WIFI 通信、中央處理單元 MCU、信號采集模塊、各類家用電器等幾部分構成． 本系統(tǒng)是通過 ESP8266 串口WIFI 模塊將 STM32 中央處理單元連接到外網(wǎng)，而手機上的 APP 基于 TCP / IP 通信協(xié)議，通過其 WIFI 功能與 ESP8266 串口 WIFI 模塊建立通信，其中 ESP8266 串口 WIFI 模塊作為服務器端 + 路由器（ SEＲVEＲ + AP） ． 首先由手機上的 APP 發(fā)出控制指令，串口 WIFI 模塊 ESP8266 接收手機 APP 發(fā)送的控制指令并對其進行解析，再向 STM32 中央處理單元發(fā)送信號，由 MCU 去控制各類家用電器開啟、調節(jié)或關閉，各類家電的運行狀態(tài)將通過 WIFI 模塊上傳到云服務器，實時在手機上顯示各類家電的最新狀態(tài)． 信號采集模塊用來獲取家用電器設備所處環(huán)境的溫濕度、光強、紅外及煙霧參數(shù)，這些參數(shù)經(jīng) MCU 處理也能通過串口 WIFI 模塊上傳到云服務器，在手機上能夠實時了解家里各類環(huán)境信息，以便提前對家用電器進行遠程控制．

圖 1 系統(tǒng)的硬件構成框圖

1. 1 ESP8266 串口 WIFI 模塊

本系統(tǒng)使用型號為 ESP8266 串口 WIFI 模塊，是一款超低功耗的 UAＲT － WIFI 透傳模塊，擁有高性能無線 SOC，專為移動設備和物聯(lián)網(wǎng)應用設計，能以低成本提供最大的實用性，可將智能家居中所要控制的設備全部接入 WIFI 無線網(wǎng)絡，然后通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)進行通信，實現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)功能． 該模塊是一個完整且自成體系的無線網(wǎng)絡通信方案，能獨自運行，也能當作從機搭載于其它主機的MCU 上運行，支持無線802. 11 通信協(xié)議以及內置TCP / IP 通信協(xié)議，可以支持 TCP Client 多路連接． 模塊具有 AP / STA / AP + STA 三種工作模式． 無線模塊的作用是讓控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡連接，完成無線信號與串口信號之間的轉換，本系統(tǒng)采用 AP + STA 組網(wǎng)模式，目的是為了讓系統(tǒng)既可以通過手機直連也可以通過無線路由器連接達到對智能家居的遠程控制．

1. 2 中央處理器 MCU

本系統(tǒng)的 MCU 采用 STM32F103VE 芯片，是 ST 公司一款常用的增強型系列微控制器，功耗超低． 使用 AＲM Cortex － M3 處理器內核，最高工作頻率可達 72 MHz，1.25 DMIPS / MHz． 能夠支持 CAN、I2C、SPI、USB、SDIO、UAＲT / USAＲT 等通訊協(xié)議，其外圍設備包括 DMA、PWM 、PDＲ、POＲ、 PVD、WDT、溫度傳感器等80 個可設置的GPIO，有512 Kb 的程序儲存容量和64 K 的ＲAM 容量，還內含 3 通道 16 × 12 位的模數(shù)轉換和 1 μs 的雙 12 位數(shù)模轉換，故此處理器可滿足系統(tǒng)的設計需求． 系統(tǒng)的部分主控電路如圖 2 所示．

圖 2部分主控電路圖

1. 3 信號采集模塊

1. 3. 1 溫濕度檢測

溫濕度檢測采用DHT11 溫濕檢測傳感器，DHT11 能夠直接輸出已校準的數(shù)字信號，應用專門的溫濕度傳感技術和數(shù)字模塊采集技術，使得傳感器可靠性高和穩(wěn)定性長，內部有一個電阻式感濕元 件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 MCU 相連接，每個 DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數(shù)以程序的形式存在 OTP 內存中，運行時傳感器會調用這些校準參數(shù)對檢測信號進行處理，具有超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點． 體積小、功耗低，使其成為溫濕度采集應用的最佳選擇之一．

1. 3. 2 煙霧檢測

煙霧檢測選用 MQ － 2 傳感器，用來監(jiān)視家用電器發(fā)生火災的具體情況． MQ － 2 采用二氧化 錫半導體氣敏材料，表面離子式 N 型半導體． MQ － 2 型傳感器對各種煙霧類型具有很高的靈敏度， 能夠靈敏地檢測出由天然氣或液化石油氣等氣體而產生的煙霧，還具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定 性． 使用時需要注意的是： 在使用之前必須加熱一段時間，否則其輸出的電阻和電壓不準確．

1. 3. 3 光敏檢測

系統(tǒng)由于需要對環(huán)境的光線強度等級進行分析，從而實現(xiàn)對照明系統(tǒng)等用電設備進行自適應控制． 光敏檢測采用 YL － 38 光敏電阻模塊，用來檢測家庭環(huán)境的亮度和光強，其檢測信號通過 MCU 內部的高精度 ADC 采樣后進行 A / D 轉換，再與程序預先設定的閾值進行比較，得到準確的環(huán)境光線強度等級，根據(jù)光線強度等級對照明系統(tǒng)進行自適應控制．

1.4 MCU 及 ESP8266 的供電電源

系統(tǒng)的 MCU 及 ESP8266 供電電源電路如圖 3 所示，首先把 220 V 交流市電通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，得到輸出為 12 V 的直流電，然后再通過降壓芯片 MP1470 及外圍電路將 12 V 的電壓降為 5 V 電壓輸出，再把 5 V 的電壓通過 LM117 芯片及外圍電路將電壓降到 3. 3 V，從而獲得 MCU及其它模塊所需要的 5 V 和 3. 3 V 直流電壓． MP1470 芯片的輸入工作電壓范圍在 4. 7 ～ 16 V 之間， 輸出電流最高可達 2 A，工作頻率 500 kHz，工作溫度范圍為 － 20 ℃ ～ + 125 ℃ ． LM117 芯片的輸出電壓范圍在 1. 2 ～ 47 V 可調，工作溫度范圍為 － 55 ℃ ～ + 150 ℃ ，輸出電流最高可達 1. 5 A．

圖 3電源模塊

2系統(tǒng)的軟件設計

軟件是系統(tǒng)實現(xiàn)對家居智能控制的基礎，根據(jù)系統(tǒng)控制的實際要求，設計了智能家居控制系統(tǒng)框架如圖 4 所示． 本系統(tǒng)軟件主要由手機 APP 控制系統(tǒng)和智能家居控制終端軟件系統(tǒng)兩大部分構成，其中智能家居控制終端軟件包括了 WIFI 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、 MCU 控制系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)．

圖 4 系統(tǒng)軟件總體框圖

2.1 手機 APP 控制系統(tǒng)

手機 APP 智能家居控制系統(tǒng)是基于 Android 操作系統(tǒng)而開發(fā)的，采用 Java 面向對象語言開發(fā)設計． 手機 APP 控制系統(tǒng)包括用用戶界面、Ht － tpclient網(wǎng)絡通信、SQlite 數(shù)據(jù)庫等，APP 控制軟件分由系統(tǒng)設置、設備管理、房間管理、環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫等構成，其結構如圖 5 所示．

圖 5 APP 控制軟件模塊

APP 控制軟件模塊的設計可以使用戶在手機上操作和管理家居各種設備． 系統(tǒng)設置模塊可以完成系統(tǒng)的基本設置，如系統(tǒng)的報警、定時、密碼和系統(tǒng)連接等設置; 設備管理模塊是用來管理所有家電設備和照明設備，用戶可以直接控制設備的開關等狀態(tài); 房間管理模塊是用來設置各個家電設備和照明設備所分布的不同區(qū)域，比如廚房、臥室、書房、衛(wèi)生間等，把不同的用電設備添加到設置房間中，會使得對設備操作管理更加方便快捷; 環(huán)境監(jiān)測模塊是為了給用戶提供良好的居住條件對居住環(huán)境進行監(jiān)測管理，還具有煙霧檢測功能，可以預防火災發(fā)生; 數(shù)據(jù)庫模塊是整個 APP 系統(tǒng)的中央處理數(shù)據(jù)庫，通過此數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對智能家居的智能化控制和管理． 依據(jù)APP 控制軟件模塊的設計，其部分界面如圖 6 ～ 7 所示．

圖 6控制主界面

圖 7電燈管理界面

2. 2 手機 APP 與智能家居控制系統(tǒng)之間的通信

手機 APP 與智能家居控制系統(tǒng)之間的通信采用 AP + STA 組網(wǎng)模式，先由手機與 ESP8266 串口模塊進行 WIFI 配置，按住 ESP8266 串口模塊的配置按鈕使其進行配置模式，此時 WIFI 模塊自帶的 MCU 會將模塊設置為 AP 模式，把 SSID 設為Smart Light，密碼無，手機連接上該 WIFI 后，由 APP 輸入路由器的 SSID 及密碼． 然后通過 APP 用 UDP 廣播發(fā)出帶有 SSID 及密碼的數(shù)據(jù)，MCU 收到數(shù)據(jù)后將ESP8266 串口模塊設置為 STA 模式，連接路由器．

系統(tǒng)的UDP 內網(wǎng)穿透技術采用的是一臺內網(wǎng)機器連接外網(wǎng)通信的方式，即只需要內網(wǎng)主動發(fā)起連接就行，由內網(wǎng)機器連接到外網(wǎng)服務器． 當內網(wǎng)機器發(fā)送的請求被外網(wǎng)服務器獲取后，服務器會將內網(wǎng)機器的IP 地址轉變?yōu)樽陨淼牡刂?，并分配臨時端口進行通信． 由手機APP 控制智能家居設備的過程，其實是手機通過服務器與智能家居設備相連，智能家居設備的 MCU 是讀取服務器的 IP 和 Port，同時 MCU 對服務器的 IP和Port 進行回復，然后由服務器將信息回饋到手機，從而建立起通信控制．

2. 3 智能家居控制終端軟件系統(tǒng)

智能家居控制終端軟件系統(tǒng)核心是 WIFI 網(wǎng)絡控制和 MCU 控制系統(tǒng)，加上環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)等幾個軟件子系統(tǒng)構成終端軟件系統(tǒng)． 其中 WIFI 網(wǎng)絡控制和 MCU控制系統(tǒng)是智能家居控制終端的核心，系統(tǒng)主程序流程如圖 8 所示．

圖 8 智能家居控制終端主程序流程圖

本系統(tǒng)是借助WIFI 無線通信技術實現(xiàn)了 Android 手機和家居的互通互聯(lián)，用戶只需通過手機 APP 即可對家里的所有用電設備進行相關操作，至于文中提到的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)的軟件控制流程由于篇輻有限，本文將只介紹環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和智能家電系統(tǒng)控制流程，兩個系統(tǒng)流程如圖 9 和圖 10 所示．

圖 9 環(huán)境監(jiān)測流程圖 圖 10 家電控制流程圖

3 結束語

本文是基于 WIFI 通信技術和當前應用最廣的 Android 操作系統(tǒng)作為控制平臺研究設計了一套智能家居控制系統(tǒng)． 借助 WIFI 通信實現(xiàn)智能控制指令的有效傳輸，而基于 Android 操作系統(tǒng)，提高了智能家居控制的人性化而且容易推廣，具有較大的實用價值和市場前景． 系統(tǒng)經(jīng)過測試，控制簡單方便、工作穩(wěn)定可靠、響應速度快，取得良好的效果，該研究的技術具有重要的意義．