楊振南 何如意

(湖南科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程系，湖南 永州 425199)

基于Android手機(jī)的家居設(shè)備集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊振南 何如意

(湖南科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程系，湖南 永州 425199)

文章介紹一種使用Android手機(jī)通過藍(lán)牙信號(hào)連接家居集中控制網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)控制各種不同家居設(shè)備的方法，被控制設(shè)備包括紅外遙控家電、遙控照明和電動(dòng)窗簾電機(jī)。依據(jù)這種方法設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)樣品經(jīng)過測(cè)試，證實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的集中遙控。

Android；智能家居；集中遙控

1 引言

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)智能家居起步晚，但是行業(yè)發(fā)展迅速。與廠商大量涌入不相符合的是，用戶對(duì)智能家居的接受程度卻不高。分析其主要原因包括：(1)智能家居產(chǎn)品成本高昂，普通家庭難于承受；(2)智能家居產(chǎn)品實(shí)用性不強(qiáng)，不能真正讓用戶感覺到實(shí)用價(jià)值；(3)智能家居系統(tǒng)安裝復(fù)雜，操作困難[1]。

另一方面，Android智能手機(jī)已經(jīng)逐步普及，這種手機(jī)具有強(qiáng)大的處理能力、方便明了的操作界面和豐富的外設(shè)。通過Android手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居照明系統(tǒng)，家用電器，電動(dòng)窗簾的控制將能夠提高用戶的體驗(yàn)好感，加快智能家居的推廣。本項(xiàng)目的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)一套軟硬件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)通過Android手機(jī)對(duì)家居設(shè)備的集中控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由Android智能手機(jī)，家居集中控制網(wǎng)關(guān)和家居設(shè)備組成。如圖1所示。家居設(shè)備主要包括：紅外遙控家用電器，遙控照明和電動(dòng)窗簾；家居集中控制網(wǎng)關(guān)能夠發(fā)射紅外遙控信號(hào)去控制各種家用電器，發(fā)射無線射頻信號(hào)以控制遙控照明和電動(dòng)窗簾；Android手機(jī)提供給用戶進(jìn)行操作，手機(jī)通過藍(lán)牙信號(hào)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)到控制網(wǎng)關(guān)。用戶只需一次性配置好網(wǎng)關(guān)，就可以直接使用Android手機(jī)直接遙控所有的家居設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2.1 家居集中控制網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

家居集中控制網(wǎng)關(guān)的作用是接收Android手機(jī)發(fā)來的藍(lán)牙命令數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)解壓出來，根據(jù)解壓的數(shù)據(jù)判斷，需要發(fā)送出紅外編碼信號(hào)、315MHz射頻信號(hào)或者433MHz信號(hào)。網(wǎng)關(guān)的硬件方框圖如圖2所示。網(wǎng)關(guān)的控制核心選用的是STC89C52單片機(jī)。藍(lán)牙收發(fā)模塊使用的是廣州匯承信息科技有限公司的型號(hào)為HC05的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)模塊，該模塊通過UART與STC89C52連接，使用AT命令進(jìn)行控制。紅外發(fā)射模塊主要由4個(gè)紅外發(fā)射二極管及其驅(qū)動(dòng)電路組成，4個(gè)紅外發(fā)射二極管指向四個(gè)不同的方向，以確保一個(gè)房間內(nèi)的所有家電都可以接收到信號(hào)。RF射頻發(fā)射模塊包括一個(gè)315MHz和一個(gè)433MHz發(fā)射模塊，每次發(fā)射選擇其中的一個(gè)模塊工作。

圖2 控制網(wǎng)關(guān)硬件方框圖

2.2 紅外信號(hào)及射頻信號(hào)的編碼實(shí)現(xiàn)

由于家用電器的種類多品牌雜，使用的紅外編碼協(xié)議各不相同。設(shè)計(jì)一個(gè)能夠兼容所有紅外編碼格式和所有射頻編碼格式新的數(shù)據(jù)格式是此項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在文獻(xiàn)[2]中已經(jīng)對(duì)各種紅外編碼信號(hào)研究了統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)發(fā)射的方法。結(jié)合該方法，本項(xiàng)目中制定了特殊的數(shù)據(jù)幀格式以兼容各種不同的紅外編碼信號(hào)。數(shù)據(jù)幀由Android手機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)送到家居集中控制網(wǎng)關(guān)。詳細(xì)格式定義如表1所示。

表1.數(shù)據(jù)幀格式

一個(gè)數(shù)據(jù)幀由16的整數(shù)倍個(gè)字節(jié)組成。分成兩個(gè)部分，低16個(gè)字節(jié)為格式控制，高字節(jié)為信號(hào)壓縮編碼，長(zhǎng)度為16的整數(shù)倍，具體長(zhǎng)度依據(jù)Len的值確定。

TLM表示引導(dǎo)碼高電平持續(xù)時(shí)間；TLS表示引導(dǎo)碼電平持續(xù)時(shí)間；T0~T3分別表示引導(dǎo)碼之后的數(shù)據(jù)中高低電平可能的持續(xù)時(shí)間；Len表示原始紅外信號(hào)中除去引導(dǎo)碼之外的高低電平個(gè)數(shù)；Reserved表示預(yù)留信息；CODE為原始紅外信號(hào)的壓縮編碼。所有的時(shí)間以微秒為單位。編碼的壓縮采用類游程編碼的方法。下面以康佳電視遙控頻道加鍵為例進(jìn)行說明。該鍵的紅外信號(hào)如圖3所示。(由于編碼過長(zhǎng)，圖中省略了中間的部分信號(hào))

圖3 康佳頻道加鍵的紅外編碼圖

圖中IDLE表示空閑狀態(tài)，即沒有發(fā)射紅外信號(hào)時(shí)的狀態(tài)。第一個(gè)3毫秒為引導(dǎo)碼的高電平寬度，第二個(gè)3毫秒為引導(dǎo)碼低電平的寬度，后面為遙控器的原始編碼數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)得出原始編碼數(shù)據(jù)部分的高電平和低電平的寬度所有可能值為：520微秒，1480微秒，2500微秒和4000微秒。除去引導(dǎo)碼外，原始編碼數(shù)據(jù)中的高低電平個(gè)數(shù)總數(shù)是35個(gè)。則應(yīng)用以上的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行描述時(shí)有：TLM=3000；TLS=3000；T0=520；T1=1480；T2=2500；T3=4000；Len=35。CODE部分使用類游程編碼壓縮的方法實(shí)現(xiàn)如下：引導(dǎo)碼后，第一個(gè)為520us高電平，與T0相等，因此使用二進(jìn)制數(shù)據(jù)“00”表示；第二個(gè)為1.48毫秒低電平，與T1相等，用二進(jìn)制數(shù)據(jù)“01”表示，第八個(gè)為2.5毫秒低電平與T2相等，用二進(jìn)制數(shù)“10”表示，倒數(shù)第二個(gè)為4000毫秒低電平，用二進(jìn)制數(shù)“11”表示。把所有這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)從左到右排列在一起，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)，這些16進(jìn)制數(shù)就是CODE部分的值。同時(shí)由于CODE部分長(zhǎng)度為16的整數(shù)倍即16N字節(jié)，可以表示高低電平的總長(zhǎng)度為16N ×8÷2=64N個(gè)，圖3中的編碼總長(zhǎng)度為35，不足64個(gè)，取N=1，且多余的比特以二進(jìn)制“0”填充。由此，有完整的康佳頻道加鍵的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容如表2所示：

表2.康佳頻道加鍵數(shù)據(jù)幀內(nèi)容

遙控照明，電動(dòng)窗簾是家居中出現(xiàn)的新設(shè)備，其無線控制使用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)。目前市面上使用的有315MHz和433MHz兩個(gè)頻率，且不同廠家使用的射頻調(diào)制編碼不同。比較常見的是使用2262進(jìn)行編碼，使用2272進(jìn)行解碼，比如海樂遙控電燈開關(guān)。也有使用自定義編碼格式，比如杜亞電動(dòng)窗簾電機(jī)的遙控信號(hào)。圖4所示為杜亞電動(dòng)窗簾電機(jī)打開鍵遙控編碼示意圖。(由于編碼過長(zhǎng)，圖中省略了中間的部分信號(hào))

圖4 杜亞電動(dòng)窗簾電機(jī)打開鍵遙控編碼示意圖

對(duì)比圖4和圖3可以發(fā)現(xiàn)，射頻編碼也可以使用前面定義的數(shù)據(jù)幀格式唯一描述。但是，與紅外不同的是調(diào)制載波不同，此處使用了433MHz射頻信號(hào)，因此為了區(qū)分調(diào)制載波，在上面的數(shù)據(jù)幀格式的部分用第13字節(jié)來表示載波類型：數(shù)值0表示紅外信號(hào)，數(shù)值1表示315MHz射頻信號(hào)，數(shù)值2表示433MHz射頻信號(hào)，其他數(shù)值預(yù)留使用。套用以上數(shù)據(jù)格式，則其各部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。由于編碼較長(zhǎng)，Len為80，因此取N=2，整個(gè)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為48字節(jié)。使用2262編碼發(fā)送的射頻遙控信號(hào)也可以使用這種數(shù)據(jù)格式唯一描述，此處不再詳細(xì)舉例說明。

表3.杜亞電動(dòng)窗簾電機(jī)打開鍵遙控編碼數(shù)據(jù)幀內(nèi)容

2.3 單片程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)IO口分別控制315MHz和433MHz射頻發(fā)射模塊，使用一個(gè)獨(dú)立的IO引腳輸出38KHz方波到紅外發(fā)射模塊。使用定時(shí)器T0控制紅外或射頻調(diào)制的脈沖寬度和脈沖間隔。使用定時(shí)T1產(chǎn)生38KHz定時(shí)頻率。單片機(jī)的主要工作流程如下：

圖5中發(fā)出控制信號(hào)部分軟件，實(shí)現(xiàn)解壓數(shù)據(jù)幀中CODE的部分?jǐn)?shù)值，并通過控制端還原出原始的控制信號(hào)。主要通過定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)。根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的第13字節(jié)選擇被控制端。然后讀取數(shù)據(jù)中的CODE部分?jǐn)?shù)值，每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)處理4次，通過移位運(yùn)算每次提取出2個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)，然后以這2個(gè)比特?cái)?shù)值為索引讀取T0~T3中的數(shù)據(jù)，并把讀來的數(shù)據(jù)加載到定時(shí)器T0作為定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度。T0定時(shí)時(shí)間結(jié)束則變換控制端輸出狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)在控制端產(chǎn)生交替變化的數(shù)字脈沖。如此循環(huán)不斷地進(jìn)行，直到發(fā)送的高低電平數(shù)與數(shù)據(jù)幀中的Len區(qū)數(shù)值相等時(shí)結(jié)束發(fā)送。紅外發(fā)射模塊和射頻發(fā)射模塊在控制端的高低電平控制下下發(fā)射出原始的紅外信號(hào)或者射頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。

2.4 Android手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Android手機(jī)端的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)成多個(gè)用戶界面，由一個(gè)主界面進(jìn)行引導(dǎo)。他們之間的關(guān)系如圖6所示。用戶在主選擇界面上選擇需要控制的家居設(shè)備，然后進(jìn)入相應(yīng)的家居控制界面，在家居控制界面上設(shè)計(jì)有各種功能按鍵，用戶通過觸摸這些按鍵，就可以直接控制家居設(shè)備。

圖5 單片機(jī)主流程圖

圖6 Android手機(jī)界面關(guān)系圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試結(jié)果討論

依據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣品。硬件樣品如圖6所示，Android手機(jī)軟件如圖7所示。初步收集了康佳LED32E330C彩電的部分遙控編碼，美的遙控風(fēng)扇FS40-6DR部分遙控編碼，金通慧電燈開關(guān)以及杜亞窗簾電機(jī)的射頻遙控編碼。并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明該設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。若能夠進(jìn)一步收集現(xiàn)有市場(chǎng)所有門類家居設(shè)備的紅外和射頻控制代碼，則可以真正實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)對(duì)家居設(shè)備的集中萬能遙控。

圖7 硬件外觀圖

圖8 Android手機(jī)界面圖

[1]童曉渝,房秉毅,張?jiān)朴?物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J].移動(dòng)通信技術(shù),2010,(9):16-20.

[2]蔡燕玲.一種基于單片機(jī)的智能紅外遙控系統(tǒng)的解碼方法[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2010,10(6):25-29.

[3]李斌,高恭嫻.學(xué)習(xí)型紅外遙控器的設(shè)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2010,(1):13-19.

[4]劉永富,焦斌亮,劉慶赟.基于藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代建筑電氣,2010,1(12):13-18.

[5]汪宇,呂衛(wèi),楊博菲,等.基于Android平臺(tái)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2012,36(2):36-38.

TP399

A

1673-2219（2014）05-0111-04

2013－12－15

永州市科技局資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)永科發(fā)[2012]9號(hào)）；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目資助，（項(xiàng)目編號(hào)湘教通[2012]402號(hào)-387）。

楊振南(1982－)，男，碩士，講師，湖南永州人，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)。何如意(1990－)，男，湖南永州人，湖南科技學(xué)院計(jì)算機(jī)系學(xué)生。

（責(zé)任編校：劉志壯）