武 一，南京婭，劉 排

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

基于WiFi的家電智能控制系統(tǒng)研究

武 一，南京婭，劉 排

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

針對(duì)家電智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，各種基于WiFi功能的智能產(chǎn)品在人們生活中廣泛應(yīng)用，移動(dòng)智能控制終端在能家居中發(fā)展迅猛。結(jié)合Android操作系統(tǒng)和家電控制原理，利用高速率串口/WiFi模塊，提出了一種智能手機(jī)通過(guò)WiFi控制空調(diào)的解決方案，并對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)做了仿真與測(cè)試，結(jié)果表明該方法具有可行性和穩(wěn)定性。

Android；家電控制；WiFi；語(yǔ)音識(shí)別

隨著數(shù)字家庭和智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，家用電器也開(kāi)始革新。TCL網(wǎng)絡(luò)電視、Bose家用WiFi音響、Haier天樽空調(diào)等網(wǎng)絡(luò)家電已經(jīng)漸漸應(yīng)用到人們的日常生活中。

WiFi網(wǎng)絡(luò)“熱點(diǎn)”已經(jīng)成為家庭、公共場(chǎng)所等必配設(shè)施。針對(duì)WiFi無(wú)須布線，具有通用性、靈活性、成熟性等優(yōu)勢(shì)，主宰家庭中短距離無(wú)線應(yīng)用，WiFi終端產(chǎn)品也日益豐富，用戶(hù)可以充分感受無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為家用電器帶來(lái)的便捷[1]。

目前，智能手機(jī)在人們手中不再只是個(gè)通信工具，已經(jīng)與人們的日常生活緊密聯(lián)系在一起，演變成為多功能智能終端。如三星公司生產(chǎn)的智能手機(jī)和智能電視機(jī)互相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三星智能電視的遙控；通過(guò)App程序也可以將平板PC或者手機(jī)當(dāng)做電視機(jī)的附屏，實(shí)現(xiàn)其畫(huà)面和電視屏幕的同步，實(shí)現(xiàn)了三屏融合。在智能家居中智能手機(jī)作為主要的控制平臺(tái)已是大勢(shì)所趨。

本文結(jié)合智能家電控制的研究現(xiàn)狀，提出了一種Android手機(jī)通過(guò)WiFi控制家電設(shè)備的解決方案，以空調(diào)為例，只要空調(diào)與手機(jī)同處于家庭無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)相互通信。讓智能手機(jī)取代遙控器，避免了紅外遙控器在距離和方向方面的局限，使傳統(tǒng)家電真正成為網(wǎng)絡(luò)家電，使人們的生活智能化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文主要研究的是基于Android的智能家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要以空調(diào)作為控制對(duì)象，以Android系統(tǒng)智能手機(jī)為操作控制平臺(tái)，通過(guò)WiFi傳輸控制命令和數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的開(kāi)/關(guān)、模式轉(zhuǎn)換、溫度設(shè)定、語(yǔ)音控制等功能，達(dá)到室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的目的。

系統(tǒng)包括手機(jī)客戶(hù)端控制界面設(shè)計(jì)、手機(jī)與WiFi模塊通信、串口/WiFi模塊配置、空調(diào)溫度調(diào)節(jié)等4大模塊。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中央控制芯片選擇智能家居常用的CC2530芯片，CC2530集成了高性能和低功耗的 8051微控制器，提供了101 dB的鏈路質(zhì)量，128 kbyte的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，優(yōu)秀的接收器靈敏度和抗干擾性，指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051快。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

溫濕度傳感器SHT10，是一款響應(yīng)時(shí)間短、功耗低、精度高的傳感器，具有穩(wěn)定性和易使用性。空氣清潔度傳感器TGS2600，功耗低、對(duì)氣態(tài)空氣污染物有較高的靈敏度。

家電智能化主要體現(xiàn)在家電可以隨著周?chē)h(huán)境的改變自動(dòng)做出響應(yīng)，不需要人為干預(yù)。本文設(shè)計(jì)理念也體現(xiàn)了這一點(diǎn)，根據(jù)溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)算法分析啟動(dòng)空調(diào)器相應(yīng)的功能，開(kāi)啟智能化模式。硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框架圖

核心控制器件CC2530接收來(lái)自溫度傳感器SHT10采集的溫度值，與手機(jī)發(fā)來(lái)的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)PID控制器[2]改變電機(jī)功率實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，采集空氣清潔度傳感器TGS2600的數(shù)據(jù)，根據(jù)空氣質(zhì)量的好壞自動(dòng)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，完成空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)。

CC2530通過(guò)串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，CC2530解析串口接收到的控制命令，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)/關(guān)閉繼電器、工作模式轉(zhuǎn)換、設(shè)定溫度改變等操作。具體過(guò)程如圖3所示。

HLK-RM04串口轉(zhuǎn)WiFi模塊是連接家電設(shè)備核心器件與安卓手機(jī)的橋梁，設(shè)備通過(guò)串口線與HLK-RM04模塊相連，對(duì)HLK-RM04模塊進(jìn)行相應(yīng)的AT指令配置，實(shí)現(xiàn)通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。具體如下：

圖3 硬件系統(tǒng)流程圖

對(duì)WiFi模塊進(jìn)行靜態(tài)IP地址和端口號(hào)配置，使之連接上家庭無(wú)線路由器，手機(jī)和WiFi模塊同處于一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)，智能手機(jī)就能實(shí)現(xiàn)與之通信，發(fā)送控制命令和接收數(shù)據(jù)信息。這種模式為實(shí)現(xiàn)家電之間組網(wǎng)與互聯(lián)提供了條件。

3 手機(jī)客戶(hù)端的設(shè)計(jì)

本文實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控器的功能，客戶(hù)端的設(shè)計(jì)主要包括空調(diào)開(kāi)關(guān)鍵、溫度設(shè)定、模式轉(zhuǎn)換、定時(shí)開(kāi)關(guān)、語(yǔ)音控制、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

實(shí)現(xiàn)手機(jī)與底層交互通信是本文的研究重點(diǎn)。UDP是基于消息傳輸?shù)模哂袀鬏斔俣瓤斓葍?yōu)點(diǎn)[3]，適合傳輸數(shù)據(jù)少、對(duì)可靠性要求不高的應(yīng)用環(huán)境。家用電器的控制信息數(shù)據(jù)量小，因此本文采用簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的UDP協(xié)議。要實(shí)現(xiàn)socket套接字這個(gè)接口在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，就必須借助DatagramSocket和DatagramPacket兩個(gè)類(lèi)。DatagramSock?et基于UDP協(xié)議，用于在兩端點(diǎn)之間接收和發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)；DatagramPacket用于存放通信數(shù)據(jù)并決定數(shù)據(jù)發(fā)送目的地的數(shù)據(jù)報(bào)。要實(shí)現(xiàn)Socket通信，需綁定通信對(duì)象的IP地址和端口號(hào)。

本文實(shí)現(xiàn)手機(jī)與WiFi模塊之間的通信需確定雙方在同一無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)，并與WiFi模塊配置好的IP地址和端口號(hào)相匹配[4-5]。

//首先創(chuàng)建一個(gè)DatagramSocket對(duì)象

DatagramSocket socket=new DatagramSocket（49332）；

DatagramPacket packet=newDatagramPacket（data，data.length，serverAddress，49332）；

//serverAddress為WiFi模塊IP地址。

利用socket.send（packet）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，主要是空調(diào)的控制命令。本文主要是接收室內(nèi)溫濕度和空氣質(zhì)量量化數(shù)據(jù)，利用socket.receive（packet）接收數(shù)據(jù)報(bào)，并將數(shù)據(jù)顯示在UI界面上，但Android禁止其他子線程更新由UI thread創(chuàng)建的試圖，所以需要通過(guò)消息隊(duì)列（Message Queue）實(shí)現(xiàn)線程間的信息交換，通過(guò)handleMessage（Message msg）函數(shù)接收和處理消息[6]，從而完成更新接收數(shù)據(jù)的界面顯示。

具體手機(jī)客戶(hù)端Socket通信如圖4所示。

圖4 socket通信流程圖

語(yǔ)音識(shí)別的宗旨是最大限度地改善人機(jī)交互的便捷性。本文支持在線語(yǔ)音，但Google提供的語(yǔ)音搜索API需上傳至Google云端獲取聲音數(shù)據(jù)，這種語(yǔ)音識(shí)別正確率高但容易受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響，容易導(dǎo)致語(yǔ)音識(shí)別用時(shí)過(guò)長(zhǎng)或失敗。

所以本文增設(shè)了離線語(yǔ)音識(shí)別功能，pocketsphinx[7]是最新的適用于嵌入式設(shè)備上的語(yǔ)言識(shí)別系統(tǒng)的源代碼。包括字典文件和聲音模型文件，程序先將輸入的聲音和聲音模型文件對(duì)比，生成音節(jié)編碼，再將音節(jié)編碼在字典中查找，返回最后的字符結(jié)果。由于pocketsphinx是C語(yǔ)言源代碼，需要cygwin軟件搭建一個(gè)在Windows平臺(tái)上運(yùn)行的unix模擬環(huán)境，這樣NDK才能編譯C、C++代碼，將C程序封裝成Java鏈接庫(kù)的.so文件，從而完成在Android程序內(nèi)調(diào)用pocket?sphinx，實(shí)現(xiàn)離線語(yǔ)音識(shí)別。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

本文在完成設(shè)計(jì)后，經(jīng)測(cè)試達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。利用CC2530及外部設(shè)備基本模擬了空調(diào)的工作機(jī)理。液晶顯示屏顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量以及工作模式，如圖5所示，用戶(hù)界面簡(jiǎn)潔直觀、操作方便，能夠改變空調(diào)的設(shè)定溫度，實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)濕度值和空氣質(zhì)量，在控制界面的頂端顯示當(dāng)前空調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、風(fēng)速、工作模式，如圖6所示，語(yǔ)音控制準(zhǔn)確率高，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，手機(jī)控制幾乎沒(méi)有延時(shí)，較紅外遙控器沒(méi)有方向和距離上的約束。

圖5 CC2530及其外設(shè)（照片）

圖6 空調(diào)控制界面（截圖）

5 總結(jié)

本文針對(duì)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)和控制系統(tǒng)做了詳細(xì)分析，包括空調(diào)根據(jù)采集數(shù)據(jù)的變化實(shí)現(xiàn)智能控制、手機(jī)客戶(hù)端界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)通信及離線語(yǔ)音控制等。測(cè)試結(jié)果表明本文研究方法的可行性，較傳統(tǒng)紅外遙控器更為方便、智能。借助家庭現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以WiFi作為無(wú)線傳輸媒介，帶有WiFi模塊的家電可以組網(wǎng)，產(chǎn)生互聯(lián)，一個(gè)手機(jī)就可以充當(dāng)所有家電的遙控器，為家電進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

[1] 陳剛.基于IEEE802_15_4e的智能家居家電控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2012，36（24）：23-26.

[2]劉迪.基于數(shù)字PID和89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（4）：28-30.

[3] 陳莉，付蔚.基于android的遠(yuǎn)程家電控制終端設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2012（5）：60-62.

[4] 彭華.WiFi技術(shù)在家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究[J].技術(shù)研發(fā)，2010，17（5）：15-17.

[5]相福利.基于Android平臺(tái)智能家居系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[6]宋威.基于WIFI物聯(lián)網(wǎng)的家電智能控制系統(tǒng)信息控制端的研究[J].信息通信，2013（1）：199-200.

[7] 劉憲濤.基于Android平臺(tái)的手機(jī)語(yǔ)音識(shí)別服務(wù)客戶(hù)端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

責(zé)任編輯：時(shí) 雯

Study on Smart Appliance Control System Based on Android

WU Yi，NAN Jingya，LIU Pai
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

For the development of intelligentization and networking of household appliances，smart products based on WiFi gradually are applied in people's lives，mobile intelligent controlling terminals in the smart home become the future trend.In this paper，combine Android operating system and the control pinciple of household appliance，high-speed serial/WiFi module is used，a solution about a smartphone via WiFi controlls air-condition is proposed，and also does the simulation and test for the system，results show that the method is feasible and stable.

Android；appliance control；WiFi；speech recognition

TN919.6

B

10.16280/j.videoe.2015.08.006

2014-07-03

【本文獻(xiàn)信息】武一，南京婭，劉排.基于WiFi的家電智能控制系統(tǒng)研究[J].電視技術(shù)，2015，39（8）.