侯旭陽++李金鑫++王鵬++桂珂

摘 要：基于掌上生活的理念，設(shè)計(jì)了一套智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控及GSM模塊、空調(diào)及電視遙控模塊、家電開關(guān)控制模塊以及語音識(shí)別模塊組成。用戶通過手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)模擬遙控器、控制家用電器開關(guān)以及監(jiān)控家庭的安全狀況等功能。該系統(tǒng)項(xiàng)目與其他產(chǎn)品相比，創(chuàng)新特點(diǎn)明顯，市場(chǎng)前景廣闊，若加以推廣，必能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：掌上生活；家電控制；智能家居

1 作品簡(jiǎn)介

以手機(jī)中的App作為上位機(jī)，以無線WiFi路由器OpenWrt作為服務(wù)器，以STM32單片機(jī)作為下位機(jī)。上位機(jī)與服務(wù)器之間通過WiFi通信，下位機(jī)與服務(wù)器之間通過RS 232串口通信。下位機(jī)作為主控單片機(jī)，與其他各節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)通過2.4 G無線模塊通信。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

手機(jī)可以通過WiFi發(fā)送指令，如控制家電開關(guān)或模擬遙控器指令，單片機(jī)接收到指令后，進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制家電開關(guān)，以及手機(jī)模擬遙控器的功能。

攝像頭采集的數(shù)據(jù)通過服務(wù)器處理后向外傳輸，當(dāng)需要時(shí)，手機(jī)通過WiFi訪問服務(wù)器便可得到攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)看到門口的訪客時(shí)，可通過GSM模塊選擇與其對(duì)話。

2 工作原理

2.1 手機(jī)App上位機(jī)設(shè)計(jì)

安卓上位機(jī)主控界面如圖2所示。主控界面分為四大模塊，分別為遠(yuǎn)程監(jiān)控及GSM模塊、空調(diào)及電視遙控模塊、家電開關(guān)控制模塊、語音識(shí)別模塊。

圖2 安卓上位機(jī)主控界面

2.2 手機(jī)控制家電開關(guān)模塊

手機(jī)通過WiFi向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)接收到指令并作出識(shí)別判斷后，控制相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器開關(guān)的控制。家電開關(guān)控制流程如圖3所示。

圖3 家電開關(guān)控制流程

繼電器采用電磁繼電器，電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣，單片機(jī)通過在電磁繼電器兩端加或不加電壓，便可控制繼電器動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合和斷開，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能，以此來控制家用電器的開關(guān)。

2.3 手機(jī)模擬遙控器

手機(jī)通過WiFi向單片機(jī)發(fā)出控制指令，單片機(jī)接收到指令并識(shí)別判斷后，單片機(jī)內(nèi)部模擬遙控器的紅外協(xié)議通過紅外發(fā)光二極管將信號(hào)發(fā)出，從而向電視機(jī)、空調(diào)等發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)手機(jī)充當(dāng)遙控器的功能。模擬遙控器控制流程如圖4所示。

圖4 模擬遙控器控制流程

遙控器的實(shí)質(zhì)是產(chǎn)生不同的編碼脈沖，輸出各種以紅外線為媒介的控制脈沖信號(hào)，這些脈沖是指令代碼，用來控制家電的操作。遙控發(fā)射器專用芯片很多，根據(jù)編碼格式可以分成兩大類，即RC-5碼和NEC碼。我們以NEC碼為例說明，當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后，即由遙控碼發(fā)出，按鍵不同遙控編碼也不同。這種遙控碼具有以下特征：

（1）采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565 ms，間隔為0.56ms，周期為1.125 ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565 ms，間隔為1.685 ms，周期為2.25 ms的組合表示二進(jìn)制的“1”。

（2）大部分電視遙控編碼是連續(xù)的32位二進(jìn)制碼組，其中前16位為用戶識(shí)別碼，后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。當(dāng)按下遙控器按鍵時(shí)，將發(fā)射一組108 ms的編碼脈沖，這108 ms發(fā)射代碼由一個(gè)起始碼 （9 ms），一個(gè)結(jié)果碼 （4.5ms），低8位地址碼（9～18 ms），高8位地址碼（9～18ms），8位數(shù)據(jù)碼（9～18 ms）和這8位數(shù)據(jù)的反碼（9～18 ms）組成。

我們通過單片機(jī)模擬相應(yīng)遙控器的編碼輸出來控制紅外二極管將指令發(fā)出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制。

2.4 手機(jī)無線監(jiān)控家庭環(huán)境

采用無線WiFi路由器，通過刷機(jī)將其刷成OpenWrt系統(tǒng)，此時(shí)該路由器便相當(dāng)于一臺(tái)小型電腦，可在上面安裝一些攝像頭驅(qū)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)攝像頭。這樣攝像頭采集到的數(shù)據(jù)便可通過D103N路由器向外發(fā)出，當(dāng)需要時(shí)，手機(jī)可通過訪問該路由器得到攝像頭采集的數(shù)據(jù)。無線監(jiān)控控制流程如圖5所示。

圖5 無線監(jiān)控控制流程

我們采用兩個(gè)攝像頭，門口一個(gè)，房?jī)?nèi)一個(gè)。房?jī)?nèi)的攝像頭只負(fù)責(zé)監(jiān)控房間內(nèi)的情況。門口的攝像頭負(fù)責(zé)監(jiān)控門口訪客，當(dāng)有人來訪時(shí)，通過觸動(dòng)門鈴按鍵，單片機(jī)檢測(cè)到按鍵按下后，通過GSM模塊向手機(jī)發(fā)送短信提示，提示有人來訪。這樣，我們就可以通過手機(jī)App查看門口攝像頭的圖像，從而可以看到訪客。當(dāng)我們不在家中時(shí)，還可以通過手機(jī)采用GSM模塊與訪客進(jìn)行對(duì)話。

GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。GSM模塊具有發(fā)送SMS短信、語音通話、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能。

單片機(jī)通過RS 232串口與GSM模塊進(jìn)行通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能，例如發(fā)送短信、撥打電話等。

2.5 語音識(shí)別

語音識(shí)別通過語音控制家電。語音識(shí)別功能通過在App中添加科大訊飛的jar包，從而使用科大訊飛的語音識(shí)別庫，說出指令后，手機(jī)將聯(lián)網(wǎng)查詢并識(shí)別接收到的指令。手機(jī)識(shí)別指令后，將指令通過無線發(fā)送給下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。例如，當(dāng)用戶打開語音識(shí)別界面后，說“開燈”，手機(jī)便通過訪問科大訊飛庫實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別，識(shí)別出“開燈”后，通過無線向下位機(jī)發(fā)送指令，從而實(shí)現(xiàn)開燈控制。

3 創(chuàng)新性

本項(xiàng)目具有理念上的創(chuàng)新性，是在了解了當(dāng)前形勢(shì)的情況下大膽提出的。隨著智能家居的成熟，智能手機(jī)的推廣，“掌上生活”理念必會(huì)得到推廣。與目前市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品相比，該項(xiàng)目具有如下創(chuàng)新特點(diǎn)：

（1）手機(jī)控制家電開關(guān)同當(dāng)前已有的遙控插座相比，可控制家中所有電器的開關(guān)，而當(dāng)前的遙控插座只能控制一種電器；可對(duì)任意電器實(shí)施定時(shí)功能。

（2）手機(jī)充當(dāng)遙控器同小米電視相比，無需更改當(dāng)前家電的結(jié)構(gòu)，極大地節(jié)約了成本；可學(xué)習(xí)市面上絕大部分家電遙控器；可對(duì)家庭內(nèi)部任意家電在任何位置實(shí)施控制。

（3）手機(jī)監(jiān)控及防盜與可視化門鈴相比，可遠(yuǎn)程監(jiān)視，并遠(yuǎn)程與來訪人員交流；具備報(bào)警功能；可對(duì)房間內(nèi)狀況予以監(jiān)督及遠(yuǎn)程監(jiān)督。

4 市場(chǎng)前景

隨著智能手機(jī)的普及，智能家居的推廣，人們?cè)絹碓较Ｍ軌蛴靡慌_(tái)智能手機(jī)控制家中的一切，讓自己的智能手機(jī)成為家庭生活的鑰匙，實(shí)現(xiàn)掌上生活。目前雖然以智能家居為產(chǎn)品的公司不少，但是市場(chǎng)份額都非常小，而且都處于初級(jí)起步階段。即使當(dāng)前以智能家居為主題的公司很少提出掌上生活的理念，如小米的智能電視，格力的智能空調(diào)，也只是單純地用手機(jī)控制電視或者空調(diào)，而我們所提出的掌上生活的理念，則是用手機(jī)控制家庭中的一切，不只能夠利用手機(jī)模擬遙控器，還能夠用手機(jī)控制家用電器的開關(guān)及監(jiān)控家庭的安全狀況，從而在產(chǎn)品性能及創(chuàng)新性方面完勝其他對(duì)手。

該方案既有廣闊的市場(chǎng)前景，又有獨(dú)特的創(chuàng)新精神，如果得到推廣，定會(huì)獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益。endprint