陳義譜，李月強(qiáng)

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京　100192）

智能插座在智能家居機(jī)器人上的應(yīng)用設(shè)計(jì)

陳義譜，李月強(qiáng)

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192）

0　引言

智能家居機(jī)器人是嵌入式的主要應(yīng)用之一，它以普通家庭環(huán)境為平臺(tái)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等，將各種家用電子設(shè)備進(jìn)行集中控制和監(jiān)測，從而創(chuàng)造出高效、舒適、安全、便利的室內(nèi)居住環(huán)境。

現(xiàn)在，市場上實(shí)現(xiàn)智能家居的方法很多，在這當(dāng)中不乏一些優(yōu)秀方案，但是在這些方案當(dāng)中，很多都使用觸摸屏或電腦來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制，這將大大增加不必要使用成本。當(dāng)今社會(huì)，無線路由器及智能手機(jī)、平板電腦等手持設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛的普及，因此該系統(tǒng)利用Wi-Fi通過智能手機(jī)、平板電腦實(shí)現(xiàn)Web對智能家居機(jī)器人和家庭用電終端的控制，以此降低相關(guān)設(shè)備的成本。智能插座根據(jù)家用機(jī)器人采集到的溫濕度等信息的控制開閉，并將電器設(shè)備的使用情況反饋給用戶客戶端。

該系統(tǒng)將家用機(jī)器人與智能插座結(jié)合起來，將極大豐富家用機(jī)器人的功能，用戶只需要一個(gè)客戶端軟件，就能實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人和相關(guān)用電設(shè)備的同時(shí)控制，既控制方便又節(jié)省成本。在無特殊要求時(shí)，只需在機(jī)器人的程序中設(shè)定好各個(gè)智能插座開斷的時(shí)間點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)用電設(shè)備定時(shí)定點(diǎn)的協(xié)調(diào)工作。這樣，就是家用機(jī)器人的功能更加豐富，更加智能化。

1　系統(tǒng)框架

整個(gè)系統(tǒng)分為4個(gè)部分（圖1），即受控終端、路由器、服務(wù)終端和控制終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。在系統(tǒng)的4個(gè)部分之間，將控制終端與服務(wù)終端通過Wi-Fi連接，即可實(shí)現(xiàn)控制的可移動(dòng)性，也避免了線路連接的復(fù)雜性。

控制終端即智能手機(jī)或平板電腦等手持終端?？刂平K端通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)與服務(wù)終端的連接，使用瀏覽器就能在Web層面對服務(wù)終端發(fā)送數(shù)據(jù)和添加命令。服務(wù)終端是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)對受控終端傳遞命令的樞紐，實(shí)現(xiàn)對控制終端命令的處理，對受控終端信號的采集和發(fā)送。受控終端最終控制的是則是日常生活中的電器部分，本系統(tǒng)中主要涉及的控制對象是Wi-Fi智能插座。無線路由提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將機(jī)器人主控制器與控制終端整合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，綜合控制。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)主要是一個(gè)能夠搭建Web服務(wù)器的機(jī)器人主控制模塊、若干用于通信的UARTWi-Fi模塊以及一個(gè)Wi-Fi智能插座。它們共同構(gòu)成一個(gè)能夠接收遠(yuǎn)程控制指令或者根據(jù)采集相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過Web服務(wù)器解析、處理再控制智能插座的智能家居系統(tǒng)。

2.1機(jī)器人主控制器Beaglebone Black

本系統(tǒng)中，搭建Web服務(wù)器的主控制器選用BeagleBone Black開發(fā)部，它是一款基于AM3358處理器的開發(fā)套件。該處理器擁有高達(dá)1GHz的ARM Cortex-A8內(nèi)核。其擴(kuò)展接口包括網(wǎng)口、USB Host、USB OTG、TF卡接口、串口、JTAG接口、HDMI接口、eMMC、ADC、I2C、SPI、PWM和LCD接口等。這些接口能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人的控制以及與相關(guān)外部設(shè)備的通訊。

在本系統(tǒng)中，BeagleBone Black利用兩個(gè)串口連接Wi-Fi模塊來分別實(shí)現(xiàn)接受控制指令和發(fā)送控制智能插座的命令，采用若干ADC接口連接傳感器采集室內(nèi)的溫濕度等數(shù)據(jù)。此外，開發(fā)板的P1口焊接一個(gè)5V/ 1A移動(dòng)直流電源來實(shí)現(xiàn)供電。

2.2UART-WiFi模塊

本系統(tǒng)中，無線通信部分采用的TLN13UA06模塊是第三代嵌入式UART-Wi-Fi模塊。該模塊是基于UART接口的符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

在這里，該模塊用于機(jī)器人控制器的Web服務(wù)器與智能插座的通信。將一個(gè)Wi-Fi模塊設(shè)置成AP模式，連接在BeagleBone Black開發(fā)板的串口上，而智能插座內(nèi)部的Wi-Fi模塊則設(shè)置成STA模式。在PC上完成相應(yīng)的密鑰配置后，就能實(shí)現(xiàn)兩者的無線通信。

2.3智能插座

用戶通過人機(jī)界面或無線通訊模塊設(shè)置斷開的電源條件，可以設(shè)置定時(shí)斷開電器的電源，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)斷開電源?？刂破魍ㄟ^電能采集模塊對電器的電能進(jìn)行采集、整流變壓，然后對繼電器進(jìn)行操作以控制電源的開關(guān)。本次設(shè)計(jì)中的智能插座主要由交流變直流電源模塊、主控制器芯片、Wi-Fi模塊、繼電器等構(gòu)成。

本系統(tǒng)中，智能插座的工作原理如下：首先TLN13UA06接收來自Web服務(wù)器的指令，經(jīng)UART接口傳遞至微控制器，再由微控制器分析處理后調(diào)用相關(guān)程序來控制繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制插座的開、關(guān)。智能插座的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2　智能插座結(jié)構(gòu)

3　軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，軟件部分的設(shè)計(jì)包括智能插座的控制程序比較簡單，只需要響應(yīng)Web服務(wù)器的指令完成對相應(yīng)GPIO口的控制。主要的難點(diǎn)在于Web服務(wù)器的搭建，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程訪問。由于服務(wù)器是在開發(fā)板中搭建，所以采用的是Linux系統(tǒng)下的嵌入式Web服務(wù)器。

圖3　智能插座的控制程序流程圖

（1）需要在機(jī)器人主控制器上完成Linux系統(tǒng)的移植，本系統(tǒng)選用的內(nèi)核是3.8.13版本。先從官網(wǎng)下載內(nèi)核源碼，再依次完成系統(tǒng)根目錄下的Makefile文件的修改、執(zhí)行make menuconfig進(jìn)入內(nèi)核配置界面對串口驅(qū)動(dòng)、ADC接口驅(qū)動(dòng)等硬件結(jié)構(gòu)的基本配置并進(jìn)行編譯。之后將生成的zImage內(nèi)核鏡像文件燒寫到開發(fā)板中。

（2）移植Web服務(wù)器。本系統(tǒng)選用的是boa服務(wù)器，版本為boa-0.94.13。先在虛擬機(jī)上完成boa程序的編譯、生成Makefile文件并修改文件配置；再用交叉編譯器arm-linux-gcc 4.1.2編譯boa程序，最后將相關(guān)文件復(fù)制到開發(fā)板上。

完成上述工作后，再在開發(fā)板上構(gòu)建Web服務(wù)器環(huán)境。

圖4 Web服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)圖

Web服務(wù)器環(huán)境構(gòu)建：

Web服務(wù)環(huán)境的構(gòu)建，除了需要完成相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)外還需要進(jìn)行軟件構(gòu)件設(shè)計(jì)。主要是三個(gè)部分：Web服務(wù)器環(huán)境構(gòu)建、應(yīng)用網(wǎng)頁設(shè)計(jì)、CGI接口程序設(shè)計(jì)。圖4就是Web服務(wù)器的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)。

3.1Web服務(wù)環(huán)境構(gòu)建

本系統(tǒng)使用的是boa服務(wù)器，是一個(gè)單任務(wù)的Web服務(wù)器，只能一次完成用戶的請求，但是能通過CGI程序fork出一個(gè)進(jìn)程來執(zhí)行相應(yīng)的客戶請求。要完成Web的環(huán)境搭建，需先在PC的虛擬機(jī)上進(jìn)行BOA程序的編譯和配置文件的修改，并設(shè)置相關(guān)目錄，再移植到開發(fā)板上即可。本系統(tǒng)使用ServerSocket創(chuàng)建TCP服務(wù)端，部分代碼如下：

3.2應(yīng)用頁面設(shè)計(jì)

在Web服務(wù)環(huán)境搭建好后，根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)相應(yīng)Web頁面。本系統(tǒng)中，機(jī)器人的Web服務(wù)器通過CGI程序來獲取用戶的請求、查詢條件，使用HTML方式描述結(jié)果并直接回送到客戶端的瀏覽器上，此過程中瀏覽器將用戶輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將數(shù)據(jù)送到CGI程序。在執(zhí)行CGI程序后，會(huì)訪問數(shù)據(jù)庫的記錄，最后輸出HTML形式的結(jié)果文件，經(jīng)Web服務(wù)器送回瀏覽器顯示給終端。下面給出了顯示插座狀態(tài)信息的代碼（省略了顯示格式的代碼）：

3.3CGI接口程序設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對智能插座的控制，需要設(shè)計(jì)CGI程序，CGI接口程序采用C語言進(jìn)行編寫，包括三個(gè)部分：標(biāo)準(zhǔn)輸入、環(huán)境變量、標(biāo)準(zhǔn)輸出。本系統(tǒng)中，CGI接口程序由設(shè)備狀態(tài)查詢程序和設(shè)備參數(shù)設(shè)置程序組成。CGI程序與Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳遞利用環(huán)境變量來完成。下面是控制智能插座CGI的相關(guān)程序：

這里主要的工作是獲取并解析Web服務(wù)器提交過來的數(shù)據(jù)，然后傳遞給智能插座，最后調(diào)用智能插座的IOCTL函數(shù)控制繼電器的閉合或者斷開。在這個(gè)過程中，通過給按鈕賦予不同的值，再通過QUERY_ STRING向shell腳本傳輸命令。

此外，為方便手機(jī)遠(yuǎn)程控制，本系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)Android環(huán)境下的簡單瀏覽器，其包含兩個(gè)組件：一個(gè)用于輸入U(xiǎn)RL的文本框；一個(gè)用于加載并顯示URL對應(yīng)網(wǎng)頁的WebView。在這里，URL組件的定義如下：

安裝該瀏覽器后，就可以在裝有Android系統(tǒng)的終端上訪問Web服務(wù)器，監(jiān)控用電設(shè)備的使用情況。

4　功能測試

本系統(tǒng)主要考慮終端的瀏覽器對機(jī)器人的控制以及機(jī)器人控制器對智能插座的控制，由于各個(gè)模塊的通信均是在Wi-Fi環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，需要測試系統(tǒng)各個(gè)部分之間雙向連接和數(shù)據(jù)交換。功能測試包括兩方面內(nèi)容：

控制命令從用戶處發(fā)出，經(jīng)過路由器送到Web服務(wù)器再到智能插座，并控制智能插座的繼電器通斷；

在收到查詢命令時(shí)，讀取智能插座的狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從智能插座出發(fā)，送達(dá)Web服務(wù)器，處理后經(jīng)路由器將結(jié)果返回給用戶，用戶可以在終端的Web瀏覽器上查看。

本系統(tǒng)以Beaglebone開發(fā)板和一個(gè)智能插座為基礎(chǔ)，另配置必要的模塊，進(jìn)行功能驗(yàn)證。在Wi-Fi環(huán)境下，通過上位機(jī)瀏覽器訪問Web服務(wù)器，向智能插座發(fā)送控制命令，同時(shí)接收智能插座傳來的數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各模塊之間的通信、控制插座通斷、檢測用電設(shè)備工作狀態(tài)的功能都能實(shí)現(xiàn)。沒有人的指令的情況下，機(jī)器人能依據(jù)檢測到的溫度、亮度等室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，再結(jié)合語言設(shè)定好的時(shí)間點(diǎn)，對家用環(huán)境下的多個(gè)電氣設(shè)備進(jìn)行良好的協(xié)調(diào)控制。

實(shí)際測試的結(jié)果可以說明本系統(tǒng)方案具有可行性。

5　結(jié)語

本系統(tǒng)從安全、節(jié)省電能的角度出發(fā)，采用Beaglebone Black開發(fā)板作為主控制器，通過Wi-Fi模塊與智能插座通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制插座的開啟和斷開。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)試驗(yàn)效果良好，操作簡單，使用方便，比單獨(dú)的智能插座和家用機(jī)器人效率更高、更加節(jié)能，能夠?yàn)橛脩籼峁┌踩?shí)時(shí)、可靠的服務(wù)。可以預(yù)見多功能的家用機(jī)器應(yīng)用的前景十分廣泛。

同時(shí)，本系統(tǒng)將智能家用機(jī)器人與智能插座結(jié)合起來，完善了家用機(jī)器人的功能，具有智能節(jié)能和遠(yuǎn)程開關(guān)功能。經(jīng)過測試，系統(tǒng)顯示出了良好的控制效果，不僅使家用電器的待機(jī)功率大幅減少；智能機(jī)器人的加入，使得部分家用電器實(shí)現(xiàn)無人化控制，居住環(huán)境就變得更加舒適、更加智能化，在智能家居方面具有很好的社會(huì)效益和廣泛的市場價(jià)值。

［1］劉平.Android手機(jī)訪問服務(wù)器的一種數(shù)據(jù)交互方法［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，09:96-98+102.

［2］張新星.基于Android手機(jī)的智能插座設(shè)計(jì)［D］.浙江大學(xué)，2014.

［3］張錕.基于Android手機(jī)的智能遙控器設(shè)計(jì)［J］.網(wǎng)友世界，2012，09:39-41.

［4］成玉梅.基于ATMEGA8單片機(jī)的智能定時(shí)節(jié)能插座的設(shè)計(jì)［J］.新課程研究（中旬刊），2013，04:136-138.

［5］馬梅，徐言飛，王鵬，朱杰.基于STM32的智能省電無隱患插座設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2014，23:68-71.

［6］曾磊，張海峰，侯維巖.基于WiFi的無線測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電測與儀表，2011，07:81-83+96.

［7］高聚銀.基于云平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

AM3358；TLN13UA06；Home Robot；Smart Socket；Wi-Fi

Application of Smart Socket in the Intelligent Home Robot

CHEN Yi-pu，LI Yue-qiang

（School of Instrument Science and Opto Electronics Engineering，Beijing Information Science&Technology University，Beijing，100192）

1007-1423（2015）34-0056-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.015

陳義譜（1988-），男，湖北荊州人，碩士研究生，研究方向?yàn)锳RM嵌入式

2015-11-03

2015-11-26

隨著智能應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，智能家居機(jī)器人也成為一種新的趨勢。然而，由于成本、操作復(fù)雜，多功能智能化的家用機(jī)器人也僅僅在某些豪宅中出現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)一套功能多樣化、操作簡單的智能家居系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要是將目前比較實(shí)用的智能插座與家用機(jī)器人結(jié)合起來。

AM3358；TLN13UA06家用機(jī)器人；智能插座；Wi-Fi

李月強(qiáng)（1968-），男，北京人，副教授，研究方向?yàn)楣怆姍z測技術(shù)

With the development of intelligent application technology，the intelligent home robot has become a new trend.However，due to the cost of operating complex，multi-functional intelligent home robot is only in some luxury.Therefore，designs a set of multiple functions，simple operation of the smart home system.This system is mainly to combine the practical application of intelligent socket with the home robot.