基于Android手机的智能家居远程控制系统
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。
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。
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。
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
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，可使用的晶振，以及~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3 ENC28J60芯片接线图
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4 ENC28J60芯片接线图
GSM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
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
基于安卓手机的智能家居界面
STC89C52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。
参考文献
项目来源：自主研究、论文发表作者简介：罗云至今) 性别：女主要研究方向：通信与信息处理
[1] 孙玉娟.智能家居借势突围从智慧城市到美丽中国[J].中国住宅设施，2013（1）：86-87.
[2] 李正明，吴波. 基于物联网的智能家居控制系统研究[J]. 现代科学仪器，2012（2）：68-71.
[3] 陈致远，朱叶承，周卓全等. 一种基于STM32的智能家居控制系统[J]. 电子技术应用，2012,39（9）：138-140.
[4] 黎连业，郭春芳，向东明.无线网络及其应用技术[M].
[5] 林添成.基于GSM的远程家居控制系统[J].装备制造技术，2010（5）：75-76.
[6] (美)伯内特.Android基础教程[M].张译等译.北京：人民邮电出版社，2011.