基于Android手机的智能家居远程控制系统

罗云1,胡伊菁2,刘松林3(武汉纺织大学电子与电气学院)摘要:针对家里的安全和防盗问题、同时也为了满足人们日益智能化的生活需求,提出了一种基于Android智能手机编写的Java应用程序作为远程控制系统,Cortex-M3作为中央控制器,利用物联网技术的智能家居系统.
该系统不仅能适用于普通的住宅家庭用户,也可用于酒店等地方.
经验证,智能家居系统成本低、可靠性高、设备简单、实用性强.

关键词:Android;Java;Cortex-M3;智能家居0引言版随着生产力的不断发展,人们的物质生活水平不断提高,传统的家居系统成本高,安全性差已经无法满足人们的需求了,于是要求借助物联网技术和移动终端实现"安全的、方便的、实时的"智能家居控制系统[1].
设计的这款基于Android手机的智能家居远程控制系统的创新点在于(1)利用智能手机进行远程控制,达到实时性的要求(2)有全面的安全预警系统(3)通过手机远程监控室内情况,防止盗窃.
随着Android平台的扩张,"智能家居"系统也会被投入应用.

1系统设计方案智能家居系统主要是利用基于Android系统下编写Java应用程序智能手机作为远程控制终端,用户操作手机终端,通过GPRS网、WiFi网发送控制命令,将数据传到家中的网络设备,实现实时与家中的中央处理器(CORTEX-M3)通信,将命令传送到不同的MCU(STC89C52RC)单元,然后中央控制器进行数据处理的操作,再经网络将有效数据返回给用户,以实现对家里各用电器的操作与监控,当家发生异常情况,如:天然气泄漏、入室盗窃等,可通过安全预处理系统及时处理,并在第一时间将信息告知用户以便及时处理,将损失尽最大可能减小为零[2].
系统的设计框图如图1所示:图1系统总设计框图2系统硬件电路设计智能家居控制系统硬件部分的设计主要有四部分:(1)控制单元:微控制器Cortex-M3(LM3S811)与STC89C52作为数据处理及控制模块.
系统采用的单片机Cortex-M3和STC89C52,Corttex-M3具有大量的库函数和GPIO口,方便编程使用[3].
(2)安全报警系统:主要由红外传感器、气体传感器等模块实时采集数据,通过DS18B20实现温度检测,GSM模块实现告警功能.
若有天然气泄漏,则启动蜂鸣和led灯进行声光器报警,同时自动关闭燃气阀门并且打开排风扇并且向用户手机终端通过GSM模块发送短信和电话报警.

(3)手持终端:具有Android系统的手机终端.
(4)受控部件:大功耗电器(如白炽灯、电饭煲等),电动燃气阀门、排风扇、灭火装置等,这些家用电器的控制必须要加上继电器才能通过单片机来完成.
(5)网络及监控单元:路由器,网卡,摄像头.
采用的是环宇飞扬V6摄像头,稳定性和兼容性高.
2.
1单片机控制模块采用的核心模块的控制器是Corttex-M3和STC89C52,Cortex-M3是一个32位处理器内核.
内部的数据路径是32位的,寄存器是32位的,存储器接口也是32位的.
CM3采用了哈佛结构,拥有独立的指令总线和数据总线,并且可与MCS-51兼容,系统具有大量内存存储数据,可提供于许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域,并且Corttex-M3具有大量的库函数和GPIO口,方便编程使用.
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2天然气泄漏检测天然气泄漏,MQ-5气体检测模块的数字输出口输出低电平,单片机检测到信号由高到低并延时一会,再判断还是为低,则启动蜂鸣和led灯进行声光器报警,同时自动关闭燃气阀门并且打开排风扇,同时向用户手机终端通过GSM模块发送短信和电话报警.

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3开窗模块系统中使用的28BYJ48直流步进电机来实现窗户的开启和关闭.
步进电机必须加以驱动才可以运转,驱动信号必须为脉冲信号,没有脉冲的时候,步进电机静止,所以工作过程中用了一块芯片ULA2003来驱动步进电机的运转.

步进电机的驱动电路如图2:图2步进电机驱动电路2.
4以太网卡模块系统选用的ENC28J600芯片作为以太网控制器,芯片连接如图3所示:ENC28J60是带有标准串行外设接口(SPI)的独立以太网控制器,能与配备有SPI的MCU使用,作为以太网接口[4].
ENC28J60能提供10M/S的数据传输速率,该芯片介入以太网只需配合以单片机、两个脉冲变压器、和一些无源器件,非常适合小型嵌入式以太网接入.
系统中由单片机STC89LE5A60S2负责将数据进行以太网协议、IP协议的封装,发送到网络上,接受来自于网络的数据,它是M3与外网的通行桥梁,STC89LE5A60S2与LMS811之间的通行通过UART串口完成,M3对来自STC89LE5A60S2的串口信息进行判断,可以选择自行处理,也可以选择通过串口转发给其他MCU.

为了配合ENC28J60芯片的使用,并能够连接到广域网中,需要集成IP协议.
uIP协议是是使用于低至8位或16位处理器的可实现的极小的TCP/IP协议栈,其对RAM的需求比一般TCP/IP协议的要求要小,将其与单片机c代码同时编译,可实现TCP/IP的基本功能.
对于一般小容量的51单片机而言,一般很难同时容纳ENC28J60驱动代码与uIP协议代码,为此采用了加强型的51单片机STC89LE5A60S2,它采用了贴片封装,具有60K的程序容量,可使用11.
0592x2M的晶振,以及3.
6V~2.
2V的低功耗工作电压.

由STC89LE5A60S2负责将数据进行以太网协议、IP协议的封装,发送到网络上,接受来自于网络的数据,它是M3与外网的通行桥梁,STC89LE5A60S2与LMS811之间的通行通过UART串口完成,M3对来自STC89LE5A60S2的串口信息进行判断,可以选择自行处理,也可以选择通过串口转发给其他MCU.

图3ENC28J60芯片接线图2.
5家电控制模块本系统控制家用电器是通过单片机控制的,而单片机一般只支持5v供电,不能满足要求,所以我们采用PNP管(8550)与继电器结合使用的方法,在继电器常断点连入居民用电,从而实现达到直流小电压控制交流高压的目的.
典型代表如图4所示图4ENC28J60芯片接线图2.
6GSM报警模块GSM报警模块中适用SIM300型号的芯片,采用TEXT模式实现中文短信的发送,实现自动拨号,采用ATH指令自动挂机.
利用AT指令可完成控制GSM模块进行SMS通讯的所有流程.
当家中出现天然气泄漏或者是盗窃等情况,GSM报警模块会主动发送短信到手机终端[5].
欧洲通信委员会ETST发布的GSM07.
05标准AT指令集是目前全球所有GSM模块均支持的收发SMS的命令集,常见的AT指令见表1.

表1与SMS有关的AT指令命令功能AT+CMGL列出SIM卡中的短信息AT+CMGR读短信息AT+CMGF选择短信息格式AT+CMGS发送短信息T+CMGD删除短信息AT+CNMI显示新收到短的信息3系统软件设计系统的软件部分主要由四大部分构成:(1)Java软件:开发一款基于Android手机的"智能家居"应用软件(2)数据的采集与分析程序:向手机终端发送信息,或者接受网络数据,进行处理并进行相应操作(3)GSM安全预警:编写各传感器驱动程序并进行实时数据判断,经GSM(SIM300)进行告警并(4)事件的执行:接受代码并进行匹配,若符合则执行相应操作3.
1系统软件流程图如图3所示,首先人为的从手机端发送数据,数据经过手机网络通过uIP协议和家中的路由器进行通信,然后将数据包解包并通过串口协议传送给M3.
图5系统工作流程图3.
2基于安卓手机的智能家居界面3.
3STC89C52串口接收数据并处理M3作为主要的微控制器,会和下面的子处理器单片机STC89C52进行通信,通过串口通信实现.
如下面的串口通信图所示,串口通信过程中还包括系统时钟的初始化及外设时钟使能、GPIO的初始化、USART的初始化、中断源的配置:RCC_Configuration();GPIO_Configuration();USART_Configuration();NVIC_Configuration();4系统功能测试基于上述的分析,我们以开发的基于Android手机系统的Java软件作为移动控制平台,采用LM3S811作为中央控制模块,通过网络模块进行数据的通信,使用户能远程控制家电,并通过监视模块用户能够实时了解家中状况.
并且当用户在家中时,可以通过手机实现室内控制家电的功能.
先进行各项基本功能测试,打开各个房间的灯、窗户、测量室温、打开电饭煲,然后进行安全系统测试,模拟有天然气泄漏,此时安全系统自动关闭燃气阀,并打开排风扇,同时GSM模块向手机终端发送告警信息,再通过手机远程查看家中状况.
模拟发送火险,安全系统启动自动灭火装置,并发送告警信息.
再模拟入室盗窃,安全系统发生声光报警,并向手机端告警,利用手机通过监控设备,查看家中情况.

5总结本系统通过把手机软件与智能家居系统相结合,设计实现出一种安全可靠、性价比极高、能够广泛、易操作、时尚感强的远程家居控制系统.
基于android手机系统的智能家居软件,远程控制实时可靠,易于操作,系统性价比高,不仅能实现远程无误操作,而且具有极高的安全性,联网方便,实现了先在市场上少有的手机远程监控的功能.
体现了智能化、人性化、时尚感强的特点,并且具有浓厚的生活气息,目前很少有成品的基于手机终端的智能家居远程控制系统,本系统具有很广阔的市场前景.
本系统若能加以推广,则能真正意义上实现"移动物联,让生活尽在掌握中"的设计理念,倒时将颠覆人们传统的生活理念,将带给他们的是更加智能化、时尚化、舒适化的现代生活模式.