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基于Android智能手机的智能家居监控系统设计与实现

发布时间:2017-12-07 09:34:00 文章来源:未来智讯    
    关键词 Android智能手机;GSM网络单片机;智能家居
    中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2013)16-0029-03
    Android系统是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统,主要使用于包括智能手机和平板电脑在内的便携设备上。2008年10月,第一部Android智能手机发布;2011年第一季度,Android在全球的市场份额首次超过塞班系统,成为全球第一大手机操作系统;在过去的2012年中,Android操作系统的成长速度也非常之快,全球著名市场分析机构Strategy Analytics的数据显示,如今在中国,使用Android操作系统的智能手机和平板电脑已达7.5亿部。
    智能家居是以住宅为平台,集综合布线技术、网络通信技术、智能家居系统安全防范技术、自动控制技术、音视频等技术于一体的,旨在提升家居生活的安全性、便利性、舒适性与艺术性的节能环保的居住环境。随着移动通信技术的快速发展,GSM蜂窝移动通信网络早已非常成熟,目前已覆盖全球超过90%的人口,尤其是使用GSM网络发送短信息,灵活方便、可靠廉价。通过Android智能手机的GSM网络发送短消息实现对智能家居的控制,不失为一个很好的选择。本文阐述了Android智能手机通过GSM移动网络,实现对智能家居的操作,具有远程控制、随时翻看历史操作记录、扩展性强等特点。
    1 设计方案
    1.1 系统设计结构
    基于Android智能手机的智能家居监控系统整体设计结构如图1所示。
    在总体设计结构中,使用者通过Android智能手机应用软件的UI交互界面操作,手机会根据使用者的操作自动通过GSM网络发送代码短信到中转站,与此同时,在手机软件的数据库中存储用户的操作。而中转站则是整个智能家居系统的枢纽,它接收来自于手机端的短消息,再经过处理,在单片机中存储,然后通过射频信号发送到智能家居。智能家居端在接收到控制信号后,使用电器动作(如使继电器线圈得电吸合或失电断开),并自动发送反馈信号,通过射频915反馈到中转站,中转站处理、存储信息后通过SMS发送到Android智能手机端。通过上述过程,Android智能手机完成了对智能家居的监控。使用者可以分别通过手机端应用软件的数据库和中转站单片机翻看、删除历史操作。
    具体到每一个环节,在Android智能手机端,安装程序软件,并且设定一个接收端手机号码,开通一个后台服务,以监控手机向设定号码发送和接收的短信。当使用者按下智能家居的控制按键时,手机便以短信的形式发送控制信号,如控制用电器工作,发送短信01;使用电器暂停工作,发送短信00;若手机端接收到设定号码的短信回复11,就表示智能家居端接收到指令并且已经开始工作;若手机端接收到短信回复10,则表示智能家居端接收到指令并且已经停止工作。这些发射接收的短信信息,都记录到软件的数据库中,以便使用者随时编辑、查看历史操作。
    中转站——具有“中转功能”的单片机,可以算是整个基于Android智能手机的智能家居监控系统的枢纽了。一方面,它接收来自于手机端的短信息,经过处理,再通过NRF905模块发送到智能家居端,完成一次控制操作;另一方面,它也接收来自于智能家居端NRF905模块发送来的反馈信号,再经过这个“中转站”的处理,信息则以SMS的形式发送到手机端。于此同时,每一个流经“中转站”的数据,都会在单片机上进行存储,使用者可以随时通过中转站上的LCD显示屏翻看流经中转站的数据记录。
    在智能家居系统的智能家居端,当智能家居接收到中转站发送来的射频915信号后,在微处理器MSP430F2481的控制下,首先智能家居做出响应,例如开灯或者关灯;随后微处理器MSP430F2481又发出指令,智能家居端再通过NRF905发送反馈信号到中转站,此时完成了一次控制与反馈过程。
    1.2 智能家居监控交互界面设计
    作为一款面向实用的家居应用软件,其界面设计应该遵循美观、大方、方便的原则。此软件的交互界面(图2)以及对应的功能(表1)如下所示。
    以基于Android智能手机的LED灯开关控制为例进行说明。首先在设置菜单下输入接收端手机号。输入完成后,点击灯光,进入E家居-灯光控制界面,即可控制灯的开关。LED灯开关控制界面如图3所示,点击LED灯后面的交互式按钮,伴随背景图案的变化,手机端完成了开灯、关灯的操作。
    1.3 系统硬件设计
    硬件部分包括中转站(具有“中转功能”的MSP430单片机)和智能家居端。中转站PCB板图如图4所示。
    中转站由显示屏TM12864Z-1、天线、电可擦除存储芯片AT24C04、用于掉电后时钟继续工作的纽扣电池(备用电源)、时钟芯片DS1302、用于调试的JTAG、低开启电压稳压源LD1117、MSP430F2481超低功率微处理器、单片射频发射器NRF905、用于短消息收发与处理的芯片SIM900D、用于SIM卡安放的SIM卡槽SIM-6、按键开关SW-PB组成。
    1)在中转站的设计中,显示屏TM12864Z-1的作用主要是显示日期、星期、时间和流经中转站的数据信息。
    2)AT24C04是一块电可擦除存储芯片,每次可连续写入16字节数据,需要9位的地址进行数据寻址,通过引脚高低电平控制,实现寄存、修改数据的功能。
         3)在设计中,考虑到家庭会因为外部电网的原因,致使中转站外接电源断电,导致时间显示错乱,所以使用了一节纽扣电池作为备用电源,为时钟芯片提供电能。
    4)DS1302芯片是DALLAS公司推出的串行接口实时时钟芯片,在中转站中的作用就是提供时钟信息。
    5)为方便在开发的过程中对芯片进行电气测试,检测其是否存在问题,所以使用了用于调试的JTAG接口。
    6)中转站使用外接规格为“5V,2A”的变压器供电,输入的直流电不能确保为准确且恒定的5V直流电,因此使用了LD1117低开启电压稳压源芯片,来确保电压的准确与恒定。
    7)整个中转站单片机的设计是基于德州仪器推出的16位信号处理器MSP430,之所以选择该系列单片机,是因为该系列单片机用于便携式智能仪器仪表的控制检测,内部已集成专门的RAM和精简指令集RISC,方便开发,提高了产品整体的稳定性。
    8)NRF905是一个工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道的单片射频收发器,它由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,这里实现的是中转站与智能家居端的无线通信;
    9)用于短消息收发与处理的芯片SIM900D,实现对SMS的控制则是基于AT指令的协议——Text Mode。其中使用的指令有发送短消息(以短消息内容“00”为例):AT+CMGS="15618054756"(目的地址)> test ^z ;设置短消息到达自动提示,获取指令为+CMTI:"SM",INDEX(信息存储位置)AT+CNMI=1,1,0,0,1()。SIM900D是SIMCom?公司推出的四频GSM/GPRS无线模块,工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz。它完全采用SMT封装形式,同时采用了功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器,可完全兼容于SIM340DZ。SIM900D采用工业标准接口,可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。另外,SIM900D的尺寸大小为33*33*3mm,可满足M2M应用中的各类设计需求,尤其适用于紧凑型产品的设计。其主要特性如表2所示。
    在智能家居端,其中主要采用的元器件有继电器COIL-5VDC、超低功率微处理器MSP430F2481和单片射频发射器NRF905。COIL-5VDC继电器的作用就是控制智能家居端LED灯的开关。由于在上文中转站部分已经对超低功率微处理器MSP430F2481和单片射频发射器NRF905做了描述,在此就不再赘述。
    在MSP430单片机中,NRF905模块使用C语言编程控制信息收发的核心程序段如下:
    void nrf_config(void) //设置配置寄存器,设置成外部晶振为16MHZ,并设置本机接收地址
    {
    NRF_CSN=0;
    delay_us(2);
    nrf_write_byte(0x00); //写配置寄存器
    nrf_write_byte(0x6c);
    nrf_write_byte(0x0c); //0x0c->+10dDB 0x08->+6DB 0x04->-2DB 0x00->-10DB,不重发数据,正常模式,433频段
    nrf_write_byte(0x44); //设置地址为4字节,发送接收都一样
    nrf_write_byte(0x0f); //设置数据包为32字节 20
    nrf_write_byte(0x0f);
    nrf_write_byte(nrf_rxaddr[0]); //写本机接收地址
    nrf_write_byte(nrf_rxaddr[1]);
    nrf_write_byte(nrf_rxaddr[2]);
    nrf_write_byte(nrf_rxaddr[3]);
    nrf_write_byte(0xd8);//晶振定到16MHZ
    NRF_CSN=1;
    }
    表2 SIM900D主要特性
    基本特性 *四频850/ 900/ 1800/ 1900 MHz
    *GPRS multi-slot class 10/8
    *GPRS mobile station class B
    *满足GSM 2/2+标准
    -Class 4(2W@850/ 900 MHz)
    -Class 1(1W@1800/1900MHz)
    *尺寸:33 x 33 x 3(mm)
    *重量:6.2g
    *通过AT命令控制(GSM 07.07 ,07.05
    和 SIMCOM增强AT命令集)
    * SIM应用工具包
    *供应电压范围:3.2-4.8V
    *低功耗:1.5mA(睡眠模式)
    *操作温度范围:-40℃到+85℃
    短信 *点对点MO and MT
    *短信广播
    *文本和PDU模式
    LED灯PCB板如图5所示。
    2 系统实现
    2.1 软件实现
    在主界面点击查询后,进入E家居-数据管家界面,即可对历史操作进行查看、编辑,其界面如图6所示。长时间按住所需编辑的历史操作信息,片刻后手机震动,并弹出“操作”对话框。其中复制的功能为将此条历史操作信息复制到手机剪切板;删除的功能为删除此条历史操作信息。
    2.2 硬件实现
         中转站实物如图7所示。
    LED灯实物如图8所示。
    3 结束语
    使用Android智能手机作为整套家居系统的遥控器,易于携带且方便控制;整套智能家居系统的信道为无线信道,使用者免于布线;并且GSM网络几乎已全球覆盖,NRF905在空旷地带的通信距离最大可以达到200米,即使是在住宅中,点对点无线通信距离也能达到50米,这一距离足以覆盖普通民宅,也就是说使用者可以通过随身携带的Android智能手机,在全球的任何地方、任意时间实现对家中的智能家居的控制;在本文设计的系统中设立了中转站,可以满足今后在使用的过程中对智能家居功能扩展的需求,在智能家居飞速发展的今天,产品的可扩展性在智能家居上的体现具有十分重要的现实意义。
    项目基金
    上海市大学生创新活动计划项目(2011SCx125)。
    参考文献
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    作者简介
    赵鑫(1992-),男,山东人,上海电机学院电子信息工程专业,本科在读。
    朱一群,女,博士,上海电机学院电子信息学院讲师,项目指导老师,主要研究方向:网络通信与信息安全。
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