基于物联网的家电远程控制系统设计.docx

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基于物联网的家电远程控制系统设计

基于物联网的家电远程控制系统设计

0引言

伴随科技水平不断提高，物联网技术发展给智能家居带来了诸多便利。

基于无线WIFI技术实现远距离智能控制已成为当前智能家居发展的主要技术手段。

无线WIFI技术与家居电器设备控制相结合，基于物联网技术实现智能家电控制是当前的研究热点。

本文以无线WIFI为媒介，基于物联网技术研究家电远程控制系统，该系统可实现家居智能设备远距离控制，有利于实现节能的同时提升生活品质和效率。

本设计主要包括系统硬件、云服务器与控制端等三大功能部分。

WIFI作为系统硬件接入互联网的工具，与云服务器进行通讯，安卓手机作为控制端。

硬件选用STM32F103C8T6型单片机作为驱动。

在手机上安装特定APP，即可通过手机接入互联网，与服务器进行交互。

云服务器核心信息中继枢纽，是实现远程控制的重要一环。

获取控制端数据后转发至主机，硬件解析服务器发来的数据生成控制指令，实现对相应电器工作过程的控制。

1系统控制方案确定

■1.1主控芯片选择

方案一：

选用STC89C52RC芯片。

STC89C52RC每次可以处理8位数据，编程简单，非常适合初学者入门使用。

方案二：

选用STM32F103C8T6芯片。

该芯片采用Cortex-M3内核，拥有64K程序存储空间，数据处理速度快，稳定性高。

综上对比，方案一功能简单、开发方便，但运行处理速度较慢，方案二稳定性更高，在家电远程控制系统中，与WIFI模块的通信中，对运行速度和稳定性提出了很高的要求，所以，方案二更贴合该套系统的实际需求。

■1.2无线通信模块选择

对比无线通信方案，方案一：

选用Zigbee芯片，使用Zigbee无线技术组成一个设备网络，通过外设网关与手机进行通信；方案二：

使用ESP8266系列无线WIFI芯片，通过WIFI直接进入互联网，与服务器进行通讯。

无线通信模块是除主控芯片外最重要的部分，决定了系统性能。

Zigbee可接入节点高达6万多，但Zigbee穿墙能力较弱、传输速率慢，且在使用时需配备Zigbee网关支持才可与智能手机进行通信。

WIFI在传输速率上具有较大优势，且穿墙性能较强、覆盖范围广，可实现100-300米区域覆盖，开发使用方便，能够直接接入互联网，并且可以在局域网内与智能手机进行直接的点对点通信，其主要缺点是功耗大，网络容量小，目前已知家庭WIFI路由器最大接入数量是64个节点，一般家庭用户的接入点为10个左右。

结合系统实际应用对比，方案二传输速率快、覆盖范围广、穿墙性能好、使用方便，成本低廉。

WIFI技术应用普遍且自身可成为中心节点，也可作为结构节点或直接接入互联网，实际应用中方案二的优势突出，选用WIFI作为无线通信模块。

芯片选择ESP8266系列的ESP-12F超低功耗芯片用以弥补WIFI功耗大等缺点。

2硬件电路设计

系统硬件主要由控制器、无线WIFI模块、温湿度模块、电磁继电模块和显示模块等组成。

控制器读取温湿度传感器采集到的数据，将数据传输到无线模块。

无线模块接入互联网与服务器链接后传输温湿度数据、电磁继电器通断数据，服务器继续将数据转发至智能手机控制端，手机通过APP即可订阅服务器下发的数据。

当用户在APP上发送指令数据时，也是通过服务器作为中转，发送至无线WIFI芯片，通过串口传递给控制器进行数据的处理，进而控制电磁继电器的通断，达到控制家电的效果。

系统整体架构如图1所示。

图1系统整体架构图

■2.1核心控制模块

控制采用的STM32F103C8T6芯片是STM32入门首选芯片之一。

单片机核心板（MCU）原理图如图2所示。

其中包括复位电路、电源滤波电路和时钟电路，系统采用3.3V电源供电。

但部分外部电路供电电压高于3.3V，采用电源稳压电路实现，稳压电路原理图如图3所示，将稳压电源作为MCU供电电源。

图2STM32核心板电路原理图

图3稳压电路原理图

■2.2温湿度传感模块

选用DHT11数字式温湿度传感器作为温湿度信息采集模块。

DHT11具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等市场优势。

DHT11供电范围为DC3.3~5.5V，超出此范围会损坏传感器。

若低于此范围传感器将会读取到错误温湿度数据而导致不工作。

设计时DATA引脚直接与单片机相连，并在DATA引脚处连接1个10kΩ上拉电阻，以保证信号稳定性。

DHT11采用单总线数据协议，通过DATA引脚与控制器进行通信，每次发送40位数据。

接收数据后，需要对数据进行校验。

DHT11电路原理图如图4所示。

图4DHT11电路原理图

■2.3无线控制模块

无线模块采用安信可科技基于乐鑫ESP8266核心开发的ESP-12F串口转无线模块。

ESP-12F模块提供了2种启动模式，在本系统中作为从机使用，使用FLASH启动模式，使用RXD、TXD引脚用于串口通信，GPIO0、GPIO2、GPIO15用于确定模块启动方式，该模块电路原理如图5所示。

图5无线模块电路原理图

其中，VCC接外部3.3V稳压电源，GND接电源地。

GPIO15串联1个下拉电阻接电源地，用于拉低I/O电平信号，GPIO0和GPIO2引脚悬空，默认为高电平，模块上电后从FLASH模式启动。

TXD和RXD与MCU的RXD和TXD对接，通过串口进行数据收发。

CH_PD使能端串联1个上拉电阻，拉高使能端电平信号，使模块工作。

REST引脚接入复位电路，在系统上电时自动复位。

■2.4继电控制模块

本系统采用5V电磁继电器，设计时使用EL357N光电晶体管光耦合器、SS8050NPN型三极管、IN4148整流二极管，电路原理图如图6所示。

因电磁继电器工作电流远高于MCU等器件，需要对驱动电流进行放大。

SS8050三极管主要起放大电流和开关作用。

在该模块部分电路设计中，接线端口“2”号为公共端，与“1”号相接为常开电路，与“3”号相接为常闭电路，为用户提供更多的家电控制选择。

图6继电控制模块电路原理图

■2.5其他电路模块

较之液晶显示，OLED分辨率较高，亮度和响应速度性能更佳。

可有效显示中文字符，符合国内用户需求。

该显示模块可直接与MCU相连，原理图如图7所示。

其工作电压为3.3-5V。

具有DC、CS等7个功能引脚。

图7锯齿波仿真波形

图7显示模块电路原理图

系统设置有源蜂鸣器作为声音报警系统，电路设计如图8所示。

为了使蜂鸣器声音尽可能大，采用SS8050NPN型三极管集电极对蜂鸣器驱动。

图8蜂鸣报警电路原理图

3软件程序设计

设计时采用KeilMDK作为系统驱动开发工具，可为ARM7/9、Cortex-M提供开发、固件烧写和在线仿真，操作界面简单，功能十分丰富，需进行MCU输入输出GPIO口分配。

■3.1温湿度传感驱动

分析DHT11温湿度传感器工作时序图，总体通信流程步骤如下：

步骤一：

DHT11上电后，会有一段不稳定时间，需要等待1秒才能继续操作，然后对环境温湿度数据进行检测并记录。

DATA保持高电平输入状态，检测外部信号。

步骤二：

MCU的I/O输出低电平。

18毫秒后将MCU的I/O改变为输入状态，通过上拉电阻拉高MCU的I/O电平信号，等待DHT11作出响应。

步骤三：

DATA检测到低电平信号时，延时输出80微秒的低电平响应信号，然后输出80微秒的高电平信号通知MCU准备接收数据。

步骤四：

由DHT11的DATA引脚输出40位数据。

在检测过程中，可以先将MCU的I/O电平拉低50微妙，延时40微妙后，再检测DATA的电平信号。

步骤五：

DATA输出40位数据后，会输出50微秒低电平信号，然后更改为输入模式，等待外部信号。

MCU在接收完40位数据后，需要进行数据校验，通过校验才为正确的数值。

■3.2无线WIFI模块驱动

设计时，使用AT指令控制ESP-12F模块工作在透传模式。

在使用ESP-12F模块前，需要给模块烧写固件。

本系统使用机智云服务器进行设计，选用机智云提供的GAgent固件版本。

机智云在固件里嵌入了符合自身平台开发的协议，在云端会下发已经封装好的指令函数库，开发者在开发时通过串口调试设置模块透传模式和服务器链接地址，在程序开发中调用其API接口。

数据赋值给结构体后，在主函数最后会执行gizwitsHandle函数，通过该接口可以完成设备数据的变化上传，即程序循环一次就上传一次数据。

在设备上电并接入网络后，会每隔1小时自动获取一次网络时间，进行网络对时。

在程序中，通过调用机智云的NTP协议接口gizwitsGetNTP函数实现自动对时功能。

■3.3继电控制模块驱动

电磁继电器模块通过EL357N光电耦合器DC-DC转换后，可直接使用低电平控制电磁继电器工作。

电磁继电器状态变更，并上传变更数据：

在云端数据定义中，电磁继电器闭合为1，断开为0，MCU程序中电磁继电器闭合为0，断开为1，所以需要进行0=>1，1=>0的数据转换。

■3.4云端服务器设置

服务器作为用户与硬件设备的桥梁，对服务器选择影响着系统的稳定性与易用性。

因现有资源限制且自建服务器成本高昂，使用机智云服务器平台。

该平台提供从定义产品、设备端开发调试、应用开发、产品测试等“一站式”服务的能力。

建立项目后即可在项目内建立虚拟传感器设备，并设置需要使用的变量。

云服务器搭建完毕后，采用MQTT协议实现与服务器的通信。

开发过程中，需要根据MQTT协议在ESP8266模块中设置与云端的通信方式。

在设置以及后续开发过程中，需要用到一个重要的ProductKey产品密钥。

该密钥是全网唯一的身份辨识码，通过该密钥进行身份识别，识别通过才能与云端进行通信。

针对硬件电路进行软硬件联合调试，测试硬件数据的准确性及稳定性。

硬件测试部分不接入云端服务器，只考量系统中的离线控制功能，WIFI模块在整机调试时加入。

经调试表明时钟计时准确，OLED模块显示正常；温湿度检测数据准确；蜂鸣器在温湿度超出阈值时报警；电磁继电器定时开关功能正常；独立按键功能正常。

4结论

物联网技术已成为智能家居控制的重要手段。

本设计主要实现家电远程控制系统设计，基于单片机及ESP-12F无线WIFI模块开发，通过安卓APP接入云服务器发送指令进行控制。

实现从客户端下发控制指令，通过无线WIFI模块将数据传输给单片机，进而控制电磁继电器的通断，并从温湿度检测模块获取温湿度数据，通过WIFI无线模块传输给客户端，达到家电远程控制的需求。

调试结果表明，该控制系统可实现远程家电开关及节能控制，具有一定的使用价值和意义。

但因条件所限，本设计主要依赖云平台驱动服务，从WIFI模块固件到MCU驱动程序库，再到作为通信桥梁的服务器，都是由机智云平台提供，显著降低了系统后期开发平台的可移植性，有待进一步加强。