基于手机应用平台的智能家电无线远程控制系统方案本科毕业论文.docx
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基于手机应用平台的智能家电无线远程控制系统方案本科毕业论文
本科毕业论文（设计）
基于手机应用平台的智能家电无线远程控制系统方案
---以窗户控制为例
系 别
信息管理系
专业
电子信息工程
届别
2016届
班级
2012级电信1班
学生姓名
学号
指导教师
职称
副教授
二O一六年四月
摘要
本系统是实现手机客户端与中介服务器的稳定通信，服务器能将接收的控制指令即时转发给被控制的家电，在各种部件的通信之间找到最合理的通信方式跟成本低廉的实现方案。
本研究小组决定开发一套成熟稳定的智能家居无线远程控制系统。
本系统主要解决两个大问题：
一是如何在C/S架构下开发出手机应用与控制现场之间的稳定通信和控制程序的设计；二是如何尽量简化系统构造，又不影响该系统控制的稳定性。
路由器对与任何人已经不再陌生，WIFI的兴起也带动了路由器的发展，如今路由器的功能在不断被丰富，如果能把智能家具通过路由器连入互联网，建立一套基于“移动终端---工控服务器---家电”的远程控制系统。
关键词：
无线控制；智能家居然；C/S架构
Abstract
Thissystemistoachievestablecommunicationmediationserverandmobileclient,theserverreceivescontrolcommandscanbeinstantlyforwardedtocontrolhomeappliancesinvariouspartsofthecommunicationsbetweenthemostreasonableschemeoflowcostcommunicationmethod.Thisteamdecidedtodeveloparobust,smarthomewirelessremotecontrolsystem.Thissystemtoaddresstwomainissues:
first,howdevelopedthemobilephoneunderthec/sstructureapplicationsandcontrolstablecommunicationandprogramdesignbetween;thesecondishowtosimplifythesystem,withoutaffectingthestabilityofthesystem.Androuteroneisnolongerunfamiliar,alsocontributedtotheriseoftheWIFIrouterdevelopment,functionoftherouterbeingrich,smartfurniturecanbeconnectedtotheInternetthrougharouter,setupa"mobileterminal------industrialserverappliances"oftheremotecontrolsystem.
【Keywords】Wirelesscontrol;smarthomeran;C/Sarchitecture
1.前言
1.1智能手机终端的发展现状
在2010年之前，科技界对于通信终端的智能化定义还显得模棱两可，如日中天的诺基亚王朝统治着者全世界的手机市场，随着人们娱乐方式的改变，对通信方式的要求也越来越高，此时此刻苹果的公司的第四代智能手机杀入市场，掀起一股手机智能化的革命热潮，人们对APP以及触屏技术的追捧达到空前的高度，基于安卓或者IOS两大智能系统平台的各类应用软件也如雨后春笋，铺天盖地的印入人们的视野，也发展得越来越成熟，人们开始围绕着手机终端开始了各种生活功能的转接，各种娱乐方式也发生了翻天覆地的变化，移动互联网也变成不可逆转的时代趋势。
1.2智能家电的国内外发展现状
智能家电的概念提出已经有一些历史，但真正实现所谓的“智能”的家电却很少，而能否被远程控制是家具智能最重要的标志之一。
目前市场上出现得智能家居控制系统主要有德国开发的EIB系统，该系统则是采用集中控制方式实现。
这套系统的功能较为强大，比其他智能家电更容易接受控制信号，使用也相对简单，因此采用采用的这套系统不需要多余的布线，这是这套系统的最大的优势，同样是安装成本较高使得该系统无法普及。
另外一个是新加坡研发的8x系统，由于其内部功能很容易被拓展使得该系统很实用，但是在某些技术方面达不到要求所以也没能流行起来。
我国国内的家电智能化发展很晚。
直到目前为止，我国大部分地区已经普及互联网。
除了国外的一些智能家居系统之外，我国国内也有出现了一些智能家电的系统：
海尔的e家庭，这套系统必须以海尔的电脑为控制中心，海尔的移动终端为移动控制中心。
除此之外清华同方也推出了类似的产品数字家园，针对中国家庭的具体情况设计，遵循国际的智能系统标准，提出的智能家居系统。
移动互联网出现之前，远程控制是建立在移动2G网络的中转模式下，短信或者电话操作，操作成本高，过程烦琐，但是将互联网的开发模式移植到移动互联网的时候有些技术并不能通用，比如基于B/S模式的远程控制系统在移动终端平台上效果很差，尽管很多企业公司以及科研机构都已经加快了这方面的研究，但是真正能普及商业化的产品还在反复试用跟不断改进，很多产品都需要给被控制的家电安装定制的功能模块，改装成本高，不利于广泛普及。
国内在智能家居领域研发投入比较积极的有小米科技公司，以及很多传统的家电厂商也在向智能家电转型。
1.3研究背景以及意义
近几年来WIFI网络技术有了很大的进步，硬件设备也得到了长足的发展，智能系统概念的诞生：
智能手机、智能家居等等一系列让人惊叹的科技成果的出现正在逐步渗透到社会的各个领域。
手机移动终端的普及和发展，移动智能平台越发的稳定和成熟，五门八花的手机应用被植入移动平传统的远程控制技术大部分是基于中国移动，中国联通等移动通信网络，通信网络效率低，控制效果不稳定，很容易受到外界信号的干扰，随着计算机信息处理技术的发展，让人们能随时随地与世界互联；基于当下成熟的手机应用平台和无线网络的高度普及与高速运行的大环境下，层出不穷的智能设备，很多东西都被贴上智能的标签，智能机器人，智能家电，智能无人飞行器，其中智能家电最贴近人们的生活，也是最有开发前景的行业，近场通信WIFI网络依托便捷的路由中转器，利用路由器连接智能家具成为一种很有发展潜力的方向。
智能手机平台的远程控制技术刚刚起步，然而B/S框架下的软件系统在手机平台应用效果很差，不能满足人们高速即时的控制要求。
因此基于C/S框架的无线远程控制系统成为时代的主流。
2.系统架构的总体方案
2.1总体设计
本套系统基于手机应用平台，基于C/S架构设计控制应用软件实现手机客户端与中介服务器的稳定通信，服务器能将接收的控制指令即时转发给被控制的家电，在各种部件的通信之间找到最合理的通信方式跟成本低廉的实现方案。
设计一套成熟稳定的智能家居无线远程控制系统。
本系统主要解决两个大问题：
一是如何在C/S架构下开发出手机应用与控制现场之间的稳定通信和控制程序的设计；二是如何尽量简化系统构造，又不影响该系统控制的稳定性。
路由器对与任何人已经不再陌生，WIFI的兴起也带动了路由器的发展，如今路由器的功能在不断被丰富，如果能把智能家具通过路由器连入互联网，建立一套基于“移动终端---嵌入式服务器---微型控制器--家电”的远程控制系统。
图2-1系统整体框架图
2.2技术路线
本系统是一套软硬件兼顾的系统方案，既有智能家电现场控制的合理布局，也涉及远程控制系统的硬件设备组装，软件开发方面同样遵循软件工程学的原理设计，因此该系统的技术路线分软件跟硬件两个方面设计。
（1）硬件技术路线图
图2-2系统整体框架图
硬件系统工作流程：
手机终端发送指令，经由互联网发送至工控服务器，再转发至可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器识别指令后，发送脉冲信号至驱动装置，以此控制智能家电的运作。
（2）软件系统技术路线
本系统的软件设计与开发工作主要包括三部分的内容：
1）手机终端上运行的客户端程序：
2）嵌入式服务器上的服务器程序；3）plc或者单片机内部的控制指令程序，本系统的软件开发中用到了很多的开发工具，使用了eclipse跟androidSDK来搭建开发环境，并使用了java来编写程序，在开发工控机的应用程序时，使用windows应用开发环境，使用C#来开发应用程序。
2、研究方法
本课题根据实际功能实现的要求选择相应的硬件，再结合软件技术的开发，赋予硬件设备相应的指令功能，整体布局，局部实现，再重新整合系统。
本系统中关键的几个问题有：
（1）实现手机终端与嵌入式服务器之间的稳定通信。
（2）嵌入式服务器与逻辑控制器之间的通信。
（3）现场设备的合理布局。
2.2可行性分析
2.2.1技术可行性
本系统结合最新的硬件设备条件跟智能平台的手机客户端软件，硬件系统采用三层结构的版块模式，分别是手机客户端，嵌入式服务器端，以及现场控制的微处理器控制现场的智能家电，各个层次的硬件模块都是建立成熟的技术基础上，基于TCP/IP协议层次的通信方式，无线网络支持各类硬件之间的通信顺利进行，软件系统是基于安卓平台的APP方式开发，嵌入式服务器与APP之间的通信渠道是开放的，利用SOCKET套间字对两者之间产生信息交互的请求，现场控制端微型处理器对相应驱动的支持都符合开发效果的需求。
2.2.2经济成本可行性
相比过去效率低下且推广成本过高的智能家电系统，本系统基于成熟的无线网络，大大压缩了远程控制的布线以及安装成本，通过一体化的控制系统，在同一局域网内的所有智能家电接入同一服务器网络，节省了大量的人力物力，本系统采用的服务器也是裁剪后的嵌入式服务器，购买安装成本低，安装方便，具有很强的普及推广性。
3.基于方案的硬件系统设计
--------窗户控制系统为例
硬件系统工作流程：
手机终端发送指令，经由互联网发送至工控服务器，再转发至可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器识别指令后，发送脉冲信号至驱动装置，以此控制智能家电的运作。
3.1框架整体
硬件平台是远程控制系统的基础，一个好的硬件系统不仅能够正确实现目标功能，还能为系统的拓展和升级留下足够的冗余。
本设计中搭建的硬件平台分为四部分：
（1）核心控制器：
主要由PLC（可编程逻辑控制器）组成
（2）远程控制部分：
主要由串口转WiFi模块（serial2NET）、继电器模块组成
（3）驱动部分：
主要由步进电机与电机驱动器组成。
（4）传动装置：
两相步进电机
图3-1手机远程控制平台硬件框架
3.2上位服务器与下位PLC之间的通信设计
系统在工作时，首先对程序进行初始化，设置串口通信模式以便接收上位工控机转发的来自远程用户的控制命令，在收到串口信息帧后，PLC对数据帧判断得到相应的控制命令。
图3-2嵌入服务器与下位PLC之间的通信流程图
3.3基于移动智能操作平台与远程工控服务器的通讯设计
基于安卓移动智能平台开发出控制类的专用软件，在工控服务器端开发出通信的软件，两应用程序之间虽然编写的语言不同，但是通信的协议是可以互通的，所以两者通过TCP/IP协议进行通信，服务端的软件将控制客户端的指令进行接收，然后转发给下位机。
3.4plc对现场设备的控制与通信
针对不同被控制的智能家电设备，plc储备不同的控制指令，不同的指令控制智能家电的不同运作，每一条指令都对应不同的触发指令，当PLC接收不同的触发指令时，不同的控制指令就会运行，对现场设备进行控制跟监控。
图3-4PLC与现场设备之间的控制关系图
3.5现场控制设备
本系统采用移动智能终端作为控制器，工控服务器作为信号中转站，可编程逻辑控制器作为现场控制设备。
3.5.1PLC（可编程逻辑控制器）
如图3-5-1-3所示，远程控制平台的控制器采用的是西门子S7-200PLC，PLC抗干扰能力强，可靠性高，有丰富的I/O接口模块，扩展能力强。
PLC的功能结构区由CPU、存储器、输入输出模块三部分组成。
而其工作原理与微型计算机相比有很大的不同。
PLC从0号存储地址所存放的第一条用户程序开始,在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。
然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态，对输入、输出信号采取集中批处理的方式。
其结构框图和信号处理图及其硬件连接图如下图2、3、4所示：
图3-5-1-1可编程控制器结构框图
图3-5-1-2PLC内部运行和信号处理图
图3-5-1-3S7-200硬件连接电路
3.5.2继电器模块
4路带光耦继电器模块用于接收开关量，其中光耦原理是用一个信号控制另一信号，而继电器用小电压控制大功率开关，起开关功率放大的作用。
应用于系统上，替代了按键开关，为用手机APP无线发送信息给PLC控制器提供了可能。
如下图5所示：
本系统中，嵌入式服务器将接收到的信号以数字信号转发给继电器，继电器通过识别高低电平来实现开关的中断，从来达到系统的功能目的。
图3-5-2继电器模块硬件连接电路
3.5.3串口转WiFi模块
本设计因为要实现通过手机APP远程控制家电，运用serial2NET即串口转WiFi模块实现手机终端与控制器件之间的通信，而serial2NET是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现户串口、以太网、无线网（WIFI）3个接口之间的转换，通过SERIAL2NET模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，WF-U-09T是一款多功能UART接口Wi-Fi数据传输模块，它内部集成了支持ARP、ICMP、UDP、TCP/IP、DHCP客户端以及DHCP服务器等诸多协议TCP/IP协议和Wi-Fi驱动，具备通用串口，具有系统接口灵活，编程控制方便等诸多优点。
网络结构上，模块支持基础网络（infra）和特殊的Ad-hoc网络结构。
加密认证方面，模块支持开放性、WEP64/128,WPA,TKIP,AES等诸多安全协议。
由于灵活的结构设计使得模块在功能完备的前提下拥有更低功耗和较高的数据吞吐率。
用户利用它可以轻松实现嵌入式设备的无线网络功能，节省人力物力和开发时间，使产品更快的投入市场，增强竞争力。
模块可以工作在-10℃～70℃的温度范围内。
UART接口波特率可最高波特率是115200B，具有TCP，UDP数据传输模式，并且支持串口和网页两种配置参数的方式，方便使用。
1.工作指示灯
模块自身带有1个指示灯。
指示灯
功能
说明
闪烁
连接状态指示
正在准备网络连接
闪烁后灯灭
连接状态指示
网络功能工作正常
2.引脚说明
模块的CPU工作电压为3.3V，模块的引脚间距为2.54mm，100mil，具体说明如下。
引脚
功能
说明
RECALL
输入
引脚输入低电平时间大于5s以上，模块将系统配置参数复位为系统出厂默认值，通过串口配置模块的时候此引脚处于低电平
正常运行状态，默认低电平，串口发送时高电平，这种方式专门用于支持485通讯
RESET
输入
模块复位，低电平有效
BT0
输入
保留
3V3
电源
电压3.3V
O2
输出
开关量输出
O3
输出
开关量输出
TXD
模块数据发送
模块的232数据发送端TTL电平可接3.3V单片机
RXD
模块数据接收
模块的232数据接收端TTL电平可接3.3V单片机
GND
接地
接地
O1
输出
开关量输出
O0
输出
开关量输出
LED
输出
链路扫描时输出方波信号，连接正常后输出高电平，未连接输出低电平
PWM2
输出
PWM脉宽调制波形输出
PWM1
输出
PWM脉宽调制波形输出
I0
输入
开关量输入
I1
输入
开关量输入
RST
复位
引脚上收到200ms低电平以复位整个模块。
通常你不必理会，悬空即可
天线
外接天线
对信号要求不高场合使用可悬空本管脚
3.连接框图
请一定注意模块的插针引脚是TTL电平，不要和232电平的设备进行直接连接，否则会烧坏模块。
其模块主要芯片电路图如图7、8所示：
图3-5-3-2串口转WiFi模块wifiModule芯片原理图
图3-5-3-3串口转WiFi模块MAX232芯片原理图
3.5.4步进电机驱动模块
控制器与被控制电机需要用驱动器进行信号的调整，本设计采用东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动板Tb6560，主要特点有：
内部集成双全桥MOSFET驱动；最高耐压40V，单相输出最大电流3.5A；具有整步、1/2、1/8、1/16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有的输出；具有过流保护。
并由3部分电路组成：
控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。
其接线电路如下图8：
图3-5-4Tb6560驱动板接线电路图
3.6步进电机
步进电机是一种开环控制元件。
它将电脉冲信号转变为角位移或线位移。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为"步距角"，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，而不受负载变化的影响，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
本套窗户控制系统就是利用控制步进电机的正反转跟位移量来控制窗户的开关。
4.基于方案的软件系统设计
本套控制系统在基于硬件系统的基础上需要各种环节更加完善的软件系统支持，该系统的软件部分包括手机平台的控制客户端，以及现场控制端PLC上的控制系统软件的设计，客户端软件以及嵌入式服务器上核心的软件部分是两者之间的通信程序的设计。
4.1手机客户端程序设计
本系统的手机端控制软件基于安卓智能的平台开发，应用Java语言进行编程，使用android-studio作为开发工具，开发了一个具有遥控功能的手机应用软件，具有很好的人机交互性和界面友好性。
可以通过串口转WiFi模块直接实现与PLC控制器的通信，方便通过手机设定电机状态。
下图是控制软件的工作流程图：
图4-1控制APP工作流程图
手机平台的APP控制客户端通过设计简洁友好的控制界面，主界面紧密布局需要控制的家电类选项，每个主界面的家电控制设计各自的控制Activity，整个APP软件系统设计的核心是建立起客户端与嵌入式服务器的稳定通信，本套系统的通信方式是利用基于TCP/IP协议的Socket套间字建立长连接，然后进行数据传送。
APP部分通信代码如下：
privatevoidinitClientSocket（）{
newThread（）{
publicvoidrun（）{
try{
/*连接服务器*/
socket=newSocket（SERVER_HOST_IP,SERVER_HOST_PORT）;
/*获取输出流*/
output=newPrintStream（socket.getOutputStream（）,true,"utf-8"）;
dout=newDataOutputStream（socket.getOutputStream（））;
din=newDataInputStream（socket.getInputStream（））;
handler.sendEmptyMessage（0）;
}catch（UnknownHostExceptione）{
handleException（e,"unknownhostexception:
"+e.toString（））;
}catch（IOExceptione）{
handleException（e,"ioexception:
"+e.toString（））;
}
};
}.start（）;
}
4.2嵌入式服务器端的软件设置
本套系统的服务端软件采用嵌入式串口转WIFI模块，该模块集成了WEB服务器的设置界面，实现了嵌入式设备通过UART接口与Wi-Fi网络中的设备进行数据交换，UART接口最高频率达到115200B；一个可编程控制的透明串口，用于数据传输；该款嵌入式服务器有几种工作模式，而本系统利用的就是该串口模式的服务器状态。
4.2.1PWM和IO模式
在任何工作模式下，WF-U-09T除了有透明串口通信的功能之外，还能够输出频率和占空比可调的PWM脉宽调制信号和开关量输入输出信号。
因为WF-U-09T内建了一个端口号为3176的TCPServer，模块上电后就在监听这个端口，外设发起连接请求时建立连接，再根据外设的相关命令控制PWM信号输出或者是IO信号输入输出。
这便于模块独立应用，而无需其他的MCU。
图4-2-1串口转WIFI工作模式图
PWM和IO模式的具体请求数据报格式、内容及实例参考如下：
1）TCP服务监听到（OUTPUT请求）
格式：
“OUTPUTX”
服务器接收到”OUTPUT请求”后将X中对应的低4bit值输出至相应的管脚，其中X为十进制数值的Ascall码。
如“OUTPUT15”，所有输出口将变为高电平。
2）TCP服务监听到（PWM请求）
格式：
“PWMXYZ”
服务器接收到“PWM请求”（请求格式采用10进制的ASCALL码字符串表示）后，将解析X,Y,Z三个字符串转换为10进制数，分别用于表示PWM通道号、PWM周期和PWM占空周期，所有字符串之间使用空格分隔。
如“PWM110050”字符串表示，PWM通道1输出高电平时间为50*10us，整个周期为100*10us，频率为1K，占空比50%。
通道与管脚对应关系：
PWM1:
PIN13
PWM2:
PIN14
3）TCP服务监听到（QUERY请求）
格式：
“QUERY”
服务器将返回2个INPUT输入端口（pin15、pin16）的当前状态，其中PIN15状态存储于字节bit1位，PIN16状态存储于字节bit0位。
返回格式采用Ascall编码的字符串“ANSWERX”返回给对方。
X为十进制数字的字符。
如PIN15为高，PIN16为低电平则服务器返回字符串“ANSWER2”（所有串采用空格隔开）。
4.3PLC控制步进电机的软件设计
西
升级会员 