智能家居电器远程无线控制系统设计*

李洪璠 刘柏峰 胡俊杰

(1.三亚学院,海南三亚 572022;2.91458部队,海南三亚 572021)

现代家庭中生活质量的不断提高,家电的远程智能控制成为迫切的需求,将信息技术和家电技术相融合,在更大程度上实现家庭生活的信息化和智能化,满足人们舒适、高节奏的生活需要,使所有的消费电子类产品具备连入网络的能力[1]。家电远程无线控制系统的研究目标,以Android智能手机作为家电控制终端,单片机主控制器作为数据处理和输出控制设备指令,Wi-Fi数据透传模组作为网络互联接口,并在其基础上通过Wi-Fi无线通信方式实现手机控制终端与家电设备的互联[2]。

1 硬件设计

(1)系统总体结构设计:控制系统主要由MCU模块、电源模块、监测模块、Wi-Fi无线数据模块、继电器模块、手机app和云服务平台这七部分组成,该控制系统的主控芯片采用STC89C51系列单片机,其中主控单片机负责采集监控模块数据(各家电设备的状态),经过分析处理后,通过串口Wi-Fi数据透传发送至机智云服务平台,云服务平台再将数据传输至手机APP,在手机上显示各家电设备实时状态,并通过可视化操作界面控制开关,实现远程对多个家电的控制。系统总体结构如图1所示。

(2)主控单片机(MCU)模块:负责读取所有家电设备的开关状态:监测模块的数据(温度、湿度、电压、电流、运行时间、机型信息等)。并通过串口发送至Wi-Fi无线数据模块。通过串口发送入网指令至Wi-Fi无线数据模块使其连接云服务器;通过串口接收Wi-Fi无线数据模块发送来的指令数据,并进行处理,提取其中的控制信息并输出控制信号来控制家电设备。

图1 系统结构框图

(3)电源模块:选用LM1117T-3.3做稳压模块,负责将输入的直流+5V电压转换成+3.3V电压,并输出稳定电压和滤除直流电波动,给MCU模块(51单片机)、电源模块、监测模块、Wi-Fi无线数据模块、继电器模块、供电。在实际电路中,采用USB接口+5V供电,可经过电源适配器用USB数据线输入。加入LED指示电源通电状态,使用0.01uF和47uF电容稳定电压和滤除直流电波动。

(4)监测模块负责监测温度、湿度、电压、电流、运行时间、机型信息等,占用单片机一个I/O端口,将所测得的信息转换数字化信号,以数码方式串行输出至主控单片机。

(5)Wi-Fi无线数据模块负责连接家用路由器发出的无线Wi-Fi建立与云服务平台的通信连接;接收云服务平台发送的指令;转发主控单片机发出的指令至云服务平台;选用ESP8266一款超低功耗的UART-Wi-Fi透传模块,拥有微型封装尺寸和超低能耗技术,专为移动设备和物联网设备设计,可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上,进行广域网或局域网通信,实现联网功能[3]。当接入机智云服务平台,需要将ESP8266烧写GAgent固件,在机智云服务平台可下载该固件,并通过改变Wi-Fi模块接线以进入烧写模式,再使用专用的烧写工具串口烧写固件至Wi-Fi模块中。GAgent主要用于是数据转发,是机智云、设备数据、应用端的数据交换桥梁。

(6)继电器模块接收主控单片机发出的控制信号,导通或断开PNP三极管使继电器吸合导通或弹回断开,导通另一条电路回路至接线端子,回路可接直流或交流,即模拟控制家电插座。文中继电器模块采用+5V驱动的SRD-5VDC继电器,可吸合接通AC220V,即可用于开关家用电器。由于单片机引脚输出电流能力低,输入电流能力强,低电平驱动,需要采用PNP三极管驱动继电器吸合,论文采用常见的S8550PNP三极管。因为继电器线圈工作在直流电下,需要反向并联一个续流二极管,防止继电器的线圈在通断电时产生的反电势,损坏元器件。拉低单片机对应引脚,三极管导通,继电器吸合;拉高单片机对应引脚,三极管截止,继电器恢复原状。

(7)云服务平台负责Android软件发送至云端数据的接收并存储;如果设备在线,将云端存储的数据传输至Wi-Fi无线数据模块。机智云平台通过自助工具、完善的SDK与API服务能力最大限度降低了物联网硬件开发的技术门槛,提供开放的云端服务,降低开发者的研发成本,提升开发者的产品投产速度,帮助开发者进行硬件智能化升级,更好的连接、服务最终消费者[4]。更重要的是机智云提供了APPSDK、开源框架、微信SDK,便于开发者快速构建手机应用端系统,只需根据工具指引实现业务功能,无需实现底层功能。

图2 云服务平台虚拟设备和手机端调试仿真通信

图3 设备状态的实时获取和控制测试

2 硬件电路仿真

由于Wi-Fi无线通信模块无法在Proteus环境下进行通信仿真,仅对硬件开关和温度显示部分进行仿真,并在仿真中加入LED来模拟家用灯。其通信部分需要在机智云开发者平台用虚拟设备进行通信仿真。通过设置P1口的控制开关闭合和DS18B20温度模块的读取,仿真能够正常运行,控制对应的继电器和LED灯开关,并在LCD屏上显示出正确的温度。可以通过扩展口再接湿度传感器,同时监测温湿度。

3 通信部分仿真

机智云在线调试虚拟设备,可以模拟设备上报数据,并用其调试软件DemoAPP模拟仿真整个通信过程,可查看其通信日志,得出各个控制按钮上传至机智云服务平台的通信格式,这是单片机编程对应上云服务器数据点的极其关键一步。

云服务平台虚拟设备和手机端调试仿真通信如图2所示,当按开启LED0/LED2/插座2时,云端服务器都会接收到APP发送的数据,并存储在服务器上,而设备也会定时推送自己的状态至云端服务器上,手机APP刷新获取云端服务器上的数据,就能在手机上显示设备的实时状态。

4 无线远程控制系统调试

(1)Android手机软件与云服务平台的远程通信测试。编译生成的APP与云服务平台通信日志,使用生成的家庭中控网关APP能够正常的与云服务平台通信。

(2)云服务平台与硬件系统的远程通信测试。通过机智云串口调试助手,建立云平台与硬件系统远程通信日志,云服务平台能够正常的与硬件系统通信,且硬件成功地连接上云服务平台进行通信。

(3)设备状态的实时获取和控制测试。设备状态的实时获取和控制测试如图3所示,家庭中控网关APP能够获取设备返回至云平台上的数据,正常读取到测试温度和设备开关的变化,并通过点击开关控制对应设备接口。

5 结语

以STC89C51单片机为主控芯片的控制系统,通过采集温度传感器的输出和监测的各家电设备的状态,经过分析处理后,通过串口Wi-Fi数据透传模组发送至机智云服务平台,云服务平台再将数据传输至手机APP,在手机上显示各家电设备实时状态以及室内温度,并通过可视化操作界面控制开关,实现远程对多个家电的控制。测试表明,在网络正常情况下,给硬件系统上电,系统立即连接至云服务,等待指令并上传设备状态。如果网络掉线,系统一直发出连接心跳,待网络正常后系统会重新连接至云服务,系统控制延迟小于0.2s,控制性良好,还具有成本低、耗电低、实时接入、高稳定性等特点。

[1]汪刚,张福斌,陈宇航,张永清.一种远程智能家电控制系统设计与实现[J].机械与电子,2010,(11):51-53.

[2]朱欣颖,陈曦.基于WIFI智能家居控制系统的设计[J].智能计算机与用,2014,4(06):80-82.

[3]傅纬球,胡兵.DTU透传模式研究[J].科技信息,2011,(03):490-492.

[4]谢健骊.物联网无线通信技术[M].成都:西南交通大学出版社,2013,134-148.