基于WIFI的Android手机智能家居控制

陈国童，邱兴阳

(1.宁德师范学院 信息与机电工程学院，福建 宁德 352100；2.湄洲湾职业技术学院 自动化工程系，福建 莆田 351200)

0 引言

随着计算机技术、通信技术的发展，以及人们的物质生活水平的不断提高，使得人们对家居环境提出了更高的要求，主要表现在居住环境的舒适化、家居生活的安全化、家居生活的人性化以及家居产品的智能化等方面[1，2].目前各类智能化设备已经被广泛应用于人们的日常生活、工作及学习当中.智能家居的设计理念正是在这样的环境下应运而生的，家居产品通过与手机、平板、网络通信等手段结合，使得控制更加网络化、智能化[3，4].

互联网技术和WIFI技术的不断进步，使WIFI成为目前应用最普遍的无线通信方式之一，居民已经越来越离不开WIFI无线数据传输技术，利用WIFI进行家居的智能控制也成为当前研究的热点，智能家居系统的工作方式就是利用手机、平板等终端来发出相应的控制指令，经过各种基于信号接收和发送功能的传感器来控制家用电器设备，从而实现对设备的远程无线控制[5-7].本文介绍的是基于WIFI技术，通过ESP8266模块把STM32连接到外网，然后由手机的APP发送控制指令，ESP8266串口WIFI模块接收到指令后，再向STM32发送信号，STM32经过对信号的处理，通过继电器或红外遥控等方式对相应的电器设备发出功能指令，控制电器设备的通断或进行调节，形成一个无线智能控制通信网络.

1 系统硬件组成及设计

图1 系统的硬件构成框图

系统硬件组成如图1所示，主要由智能控制终端(手机或IPAD)、WIFI通信、中央处理单元MCU、信号采集模块、各类家用电器等几部分构成.本系统是通过ESP8266串口WIFI模块将STM32中央处理单元连接到外网，而手机上的APP基于TCP/IP通信协议，通过其WIFI功能与ESP8266串口WIFI模块建立通信，其中ESP8266串口WIFI模块作为服务器端+路由器(SERVER+AP).首先由手机上的APP发出控制指令，串口WIFI模块ESP8266接收手机APP发送的控制指令并对其进行解析，再向STM32中央处理单元发送信号，由MCU去控制各类家用电器开启、调节或关闭，各类家电的运行状态将通过WIFI模块上传到云服务器，实时在手机上显示各类家电的最新状态.信号采集模块用来获取家用电器设备所处环境的温湿度、光强、红外及烟雾参数，这些参数经MCU处理也能通过串口WIFI模块上传到云服务器，在手机上能够实时了解家里各类环境信息，以便提前对家用电器进行远程控制.

1.1 ESP8266串口WIFI模块

本系统使用型号为ESP8266串口WIFI模块，是一款超低功耗的UART-WIFI透传模块，拥有高性能无线SOC，专为移动设备和物联网应用设计，能以低成本提供最大的实用性，可将智能家居中所要控制的设备全部接入WIFI无线网络，然后通过互联网或局域网进行通信，实现无线联网功能[8].该模块是一个完整且自成体系的无线网络通信方案，能独自运行，也能当作从机搭载于其它主机的MCU上运行，支持无线802.11通信协议以及内置TCP/IP通信协议，可以支持TCP Client多路连接.模块具有AP/STA/AP+STA三种工作模式.无线模块的作用是让控制系统与网络连接，完成无线信号与串口信号之间的转换，本系统采用AP+STA组网模式，目的是为了让系统既可以通过手机直连也可以通过无线路由器连接达到对智能家居的远程控制[9，10].

1.2 中央处理器MCU

本系统的MCU采用STM32F103VE芯片，是ST公司一款常用的增强型系列微控制器，功耗超低.使用ARM Cortex-M3处理器内核，最高工作频率可达72 MHz，1.25 DMIPS/MHz.能够支持CAN、I2C、SPI、USB、SDIO、UART/USART等通讯协议，其外围设备包括DMA、PWM、PDR、POR、PVD、WDT、温度传感器等80个可设置的GPIO，有512 Kb的程序储存容量和64 K的RAM容量，还内含3通道16×12位的模数转换和1 μs的双12位数模转换，故此处理器可满足系统的设计需求.系统的部分主控电路如图2所示.

图2 部分主控电路图

1.3 信号采集模块

1.3.1 温湿度检测

温湿度检测采用DHT11温湿检测传感器，DHT11能够直接输出已校准的数字信号，应用专门的温湿度传感技术和数字模块采集技术，使得传感器可靠性高和稳定性长，内部有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能MCU相连接，每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式存在OTP内存中，运行时传感器会调用这些校准参数对检测信号进行处理，具有超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点[11].体积小、功耗低，使其成为温湿度采集应用的最佳选择之一.

1.3.2 烟雾检测

烟雾检测选用MQ-2传感器，用来监视家用电器发生火灾的具体情况[12].MQ-2采用二氧化锡半导体气敏材料，表面离子式N型半导体.MQ-2型传感器对各种烟雾类型具有很高的灵敏度，能够灵敏地检测出由天然气或液化石油气等气体而产生的烟雾，还具有良好的重复性和长期的稳定性.使用时需要注意的是：在使用之前必须加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确.

1.3.3 光敏检测

系统由于需要对环境的光线强度等级进行分析，从而实现对照明系统等用电设备进行自适应控制[3].光敏检测采用YL-38光敏电阻模块，用来检测家庭环境的亮度和光强，其检测信号通过MCU内部的高精度ADC采样后进行A/D转换，再与程序预先设定的阈值进行比较，得到准确的环境光线强度等级，根据光线强度等级对照明系统进行自适应控制.

1.4 MCU及ESP8266的供电电源

系统的MCU及ESP8266供电电源电路如图3所示，首先把220 V交流市电通过降压、整流、滤波、稳压环节，得到输出为12 V的直流电，然后再通过降压芯片MP1470及外围电路将12 V的电压降为5 V电压输出，再把5 V的电压通过LM117芯片及外围电路将电压降到3.3 V，从而获得MCU及其它模块所需要的5 V和3.3 V直流电压.MP1470芯片的输入工作电压范围在4.7～16 V之间，输出电流最高可达2 A，工作频率500 kHz，工作温度范围为-20 ℃～+125 ℃.LM117芯片的输出电压范围在1.2～47 V可调，工作温度范围为-55 ℃～+150 ℃，输出电流最高可达1.5 A.

图3 电源模块

2 系统的软件设计

图4 系统软件总体框图

软件是系统实现对家居智能控制的基础，根据系统控制的实际要求，设计了智能家居控制系统框架如图4所示.本系统软件主要由手机APP控制系统和智能家居控制终端软件系统两大部分构成，其中智能家居控制终端软件包括了WIFI网络控制系统、MCU控制系统、智能家电系统、智能照明系统、智能安防系统、环境监测系统等软件系统.

2.1 手机APP控制系统

图5 APP控制软件模块

手机APP智能家居控制系统是基于Android操作系统而开发的，采用Java面向对象语言开发设计.手机APP控制系统包括用用户界面、Ht-tpclient网络通信、SQlite数据库等，APP控制软件分由系统设置、设备管理、房间管理、环境监测、数据库等构成，其结构如图5所示.

APP控制软件模块的设计可以使用户在手机上操作和管理家居各种设备.系统设置模块可以完成系统的基本设置，如系统的报警、定时、密码和系统连接等设置；设备管理模块是用来管理所有家电设备和照明设备，用户可以直接控制设备的开关等状态；房间管理模块是用来设置各个家电设备和照明设备所分布的不同区域，比如厨房、卧室、书房、卫生间等，把不同的用电设备添加到设置房间中，会使得对设备操作管理更加方便快捷；环境监测模块是为了给用户提供良好的居住条件对居住环境进行监测管理，还具有烟雾检测功能，可以预防火灾发生；数据库模块是整个APP系统的中央处理数据库，通过此数据库实现对智能家居的智能化控制和管理.依据APP控制软件模块的设计，其部分界面如图6～7所示.

图6 控制主界面

图7 电灯管理界面

2.2 手机APP与智能家居控制系统之间的通信

图8 智能家居控制终端主程序流程图

手机APP与智能家居控制系统之间的通信采用AP+STA组网模式，先由手机与ESP8266串口模块进行WIFI配置，按住ESP8266串口模块的配置按钮使其进行配置模式，此时WIFI模块自带的MCU会将模块设置为AP模式，把SSID设为Smart Light，密码无，手机连接上该WIFI后，由APP输入路由器的SSID及密码.然后通过APP用UDP广播发出带有SSID及密码的数据，MCU收到数据后将ESP8266串口模块设置为STA模式，连接路由器.

系统的UDP内网穿透技术采用的是一台内网机器连接外网通信的方式，即只需要内网主动发起连接就行，由内网机器连接到外网服务器.当内网机器发送的请求被外网服务器获取后，服务器会将内网机器的IP地址转变为自身的地址，并分配临时端口进行通信.由手机APP控制智能家居设备的过程，其实是手机通过服务器与智能家居设备相连，智能家居设备的MCU是读取服务器的IP和Port，同时MCU对服务器的IP和Port进行回复，然后由服务器将信息回馈到手机，从而建立起通信控制.

2.3 智能家居控制终端软件系统

智能家居控制终端软件系统核心是WIFI网络控制和MCU控制系统，加上环境监测系统、智能安防系统、智能照明系统、智能家电系统等几个软件子系统构成终端软件系统.其中WIFI网络控制和MCU控制系统是智能家居控制终端的核心，系统主程序流程如图8所示.

图9 环境监测流程图

图10 家电控制流程图

本系统是借助WIFI无线通信技术实现了Android手机和家居的互通互联，用户只需通过手机APP即可对家里的所有用电设备进行相关操作，至于文中提到的环境监测系统、智能安防系统、智能照明系统、智能家电系统的软件控制流程由于篇辐有限，本文将只介绍环境监测系统和智能家电系统控制流程，两个系统流程如图9和图10所示.

3 结束语

本文是基于WIFI通信技术和当前应用最广的Android操作系统作为控制平台研究设计了一套智能家居控制系统.借助WIFI通信实现智能控制指令的有效传输，而基于Android操作系统，提高了智能家居控制的人性化而且容易推广，具有较大的实用价值和市场前景.系统经过测试，控制简单方便、工作稳定可靠、响应速度快，取得良好的效果，该研究的技术具有重要的意义.