侯旭陽++李金鑫++王鵬++桂珂

摘 要：基于掌上生活的理念，設(shè)計了一套智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由遠程監(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別模塊組成。用戶通過手機即可實現(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)項目與其他產(chǎn)品相比，創(chuàng)新特點明顯，市場前景廣闊，若加以推廣，必能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：掌上生活；家電控制；智能家居

1 作品簡介

以手機中的App作為上位機，以無線WiFi路由器OpenWrt作為服務(wù)器，以STM32單片機作為下位機。上位機與服務(wù)器之間通過WiFi通信，下位機與服務(wù)器之間通過RS 232串口通信。下位機作為主控單片機，與其他各節(jié)點的單片機通過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，單片機接收到指令后，進行相應(yīng)的操作，從而實現(xiàn)手機控制家電開關(guān)，以及手機模擬遙控器的功能。

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，手機通過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，可通過GSM模塊選擇與其對話。

2 工作原理

2.1 手機App上位機設(shè)計

安卓上位機主控界面如圖2所示。主控界面分為四大模塊，分別為遠程監(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、語音識別模塊。

圖2 安卓上位機主控界面

2.2 手機控制家電開關(guān)模塊

手機通過WiFi向單片機發(fā)送指令，單片機接收到指令并作出識別判斷后，控制相應(yīng)的繼電器動作，以實現(xiàn)對家用電器開關(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、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣，單片機通過在電磁繼電器兩端加或不加電壓，便可控制繼電器動觸點與靜觸點吸合和斷開，從而實現(xiàn)開關(guān)的功能，以此來控制家用電器的開關(guān)。

2.3 手機模擬遙控器

手機通過WiFi向單片機發(fā)出控制指令，單片機接收到指令并識別判斷后，單片機內(nèi)部模擬遙控器的紅外協(xié)議通過紅外發(fā)光二極管將信號發(fā)出，從而向電視機、空調(diào)等發(fā)出指令，實現(xiàn)手機充當(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，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的組合表示二進制的“1”。

（2）大部分電視遙控編碼是連續(xù)的32位二進制碼組，其中前16位為用戶識別碼，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，將發(fā)射一組108 ms的編碼脈沖，這108 ms發(fā)射代碼由一個起始碼 （9 ms），一個結(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，從而實現(xiàn)對家電的控制。

2.4 手機無線監(jiān)控家庭環(huán)境

采用無線WiFi路由器，通過刷機將其刷成OpenWrt系統(tǒng)，此時該路由器便相當(dāng)于一臺小型電腦，可在上面安裝一些攝像頭驅(qū)動，從而驅(qū)動攝像頭。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，手機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

我們采用兩個攝像頭，門口一個，房內(nèi)一個。房內(nèi)的攝像頭只負責(zé)監(jiān)控房間內(nèi)的情況。門口的攝像頭負責(zé)監(jiān)控門口訪客，當(dāng)有人來訪時，通過觸動門鈴按鍵，單片機檢測到按鍵按下后，通過GSM模塊向手機發(fā)送短信提示，提示有人來訪。這樣，我們就可以通過手機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，還可以通過手機采用GSM模塊與訪客進行對話。

GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統(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)進行通信的所有基本功能。

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

2.5 語音識別

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

3 創(chuàng)新性

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

（1）手機控制家電開關(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；可對任意電器實施定時功能。

（2）手機充當(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；可對家庭內(nèi)部任意家電在任何位置實施控制。

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

4 市場前景

隨著智能手機的普及，智能家居的推廣，人們越來越希望能夠用一臺智能手機控制家中的一切，讓自己的智能手機成為家庭生活的鑰匙，實現(xiàn)掌上生活。目前雖然以智能家居為產(chǎn)品的公司不少，但是市場份額都非常小，而且都處于初級起步階段。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，則是用手機控制家庭中的一切，不只能夠利用手機模擬遙控器，還能夠用手機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手。

該方案既有廣闊的市場前景，又有獨特的創(chuàng)新精神，如果得到推廣，定會獲得巨大經(jīng)濟效益。endprint