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摘 要：基于掌上生活的理念，设计了一套智能家居控制系统。该系统由远程监控及GSM模块、空调及电视遥控模块、家电开关控制模块以及语音识别模块组成。用户通过手机即可实现模拟遥控器、控制家用电器开关以及监控家庭的安全状况等功能。该系统项目与其他产品相比，创新特点明显，市场前景广阔，若加以推广，必能产生巨大的经济效益。
关键词：掌上生活；家电控制；智能家居
1 作品简介
以手机中的App作为上位机，以无线WiFi路由器OpenWrt作为服务器，以STM32单片机作为下位机。上位机与服务器之间通过WiFi通信，下位机与服务器之间通过RS 232串口通信。下位机作为主控单片机，与其他各节点的单片机通过2.4 G无线模块通信。系统整体框图如图1所示。
图1 系统整体框图
手机可以通过WiFi发送指令，如控制家电开关或模拟遥控器指令，单片机接收到指令后，进行相应的操作，从而实现手机控制家电开关，以及手机模拟遥控器的功能。
摄像头采集的数据通过服务器处理后向外传输，当需要时，手机通过WiFi访问服务器便可得到摄像头采集的图像数据，当看到门口的访客时，可通过GSM模块选择与其对话。
2 工作原理
2.1 手机App上位机设计
安卓上位机主控界面如图2所示。主控界面分为四大模块，分别为远程监控及GSM模块、空调及电视遥控模块、家电开关控制模块、语音识别模块。
图2 安卓上位机主控界面
2.2 手机控制家电开关模块
手机通过WiFi向单片机发送指令，单片机接收到指令并作出识别判断后，控制相应的继电器动作，以实现对家用电器开关的控制。家电开关控制流程如图3所示。
图3 家电开关控制流程
继电器采用电磁继电器，电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样，单片机通过在电磁继电器两端加或不加电压，便可控制继电器动触点与静触点吸合和断开，从而实现开关的功能，以此来控制家用电器的开关。
2.3 手机模拟遥控器
手机通过WiFi向单片机发出控制指令，单片机接收到指令并识别判断后，单片机内部模拟遥控器的红外协议通过红外发光二极管将信号发出，从而向电视机、空调等发出指令，实现手机充当遥控器的功能。模拟遥控器控制流程如图4所示。
图4 模拟遥控器控制流程
遥控器的实质是产生不同的编码脉冲，输出各种以红外线为媒介的控制脉冲信号，这些脉冲是指令代码，用来控制家电的操作。遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，即RC-5码和NEC码。我们以NEC码为例说明，当发射器按键按下后，即由遥控码发出，按键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征：
（1）采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565 ms，间隔为0.56ms，周期为1.125 ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565 ms，间隔为1.685 ms，周期为2.25 ms的组合表示二进制的“1”。
（2）大部分电视遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，后16位为8位操作码（功能码）及其反码。当按下遥控器按键时，将发射一组108 ms的编码脉冲，这108 ms发射代码由一个起始码 （9 ms），一个结果码 （4.5ms），低8位地址码（9～18 ms），高8位地址码（9～18ms），8位数据码（9～18 ms）和这8位数据的反码（9～18 ms）组成。
我们通过单片机模拟相应遥控器的编码输出来控制红外二极管将指令发出，从而实现对家电的控制。
2.4 手机无线监控家庭环境
采用无线WiFi路由器，通过刷机将其刷成OpenWrt系统，此时该路由器便相当于一台小型电脑，可在上面安装一些摄像头驱动，从而驱动摄像头。这样摄像头采集到的数据便可通过D103N路由器向外发出，当需要时，手机可通过访问该路由器得到摄像头采集的数据。无线监控控制流程如图5所示。
图5 无线监控控制流程
我们采用两个摄像头，门口一个，房内一个。房内的摄像头只负责监控房间内的情况。门口的摄像头负责监控门口访客，当有人来访时，通过触动门铃按键，单片机检测到按键按下后，通过GSM模块向手机发送短信提示，提示有人来访。这样，我们就可以通过手机App查看门口摄像头的图像，从而可以看到访客。当我们不在家中时，还可以通过手机采用GSM模块与访客进行对话。
GSM模块是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送SMS短信、语音通话、GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。
单片机通过RS 232串口与GSM模块进行通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如发送短信、拨打电话等。
2.5 语音识别
语音识别通过语音控制家电。语音识別功能通过在App中添加科大讯飞的jar包，从而使用科大讯飞的语音识别库，说出指令后，手机将联网查询并识别接收到的指令。手机识别指令后，将指令通过无线发送给下位机，从而实现控制功能。例如，当用户打开语音识别界面后，说“开灯”，手机便通过访问科大讯飞库实现语音识别，识别出“开灯”后，通过无线向下位机发送指令，从而实现开灯控制。
3 创新性
本项目具有理念上的创新性，是在了解了当前形势的情况下大胆提出的。随着智能家居的成熟，智能手机的推广，“掌上生活”理念必会得到推广。与目前市场上的其他产品相比，该项目具有如下创新特点：
（1）手机控制家电开关同当前已有的遥控插座相比，可控制家中所有电器的开关，而当前的遥控插座只能控制一种电器；可对任意电器实施定时功能。
（2）手机充当遥控器同小米电视相比，无需更改当前家电的结构，极大地节约了成本；可学习市面上绝大部分家电遥控器；可对家庭内部任意家电在任何位置实施控制。
（3）手机监控及防盗与可视化门铃相比，可远程监视，并远程与来访人员交流；具备报警功能；可对房间内状况予以监督及远程监督。
4 市场前景
随着智能手机的普及，智能家居的推广，人们越来越希望能够用一台智能手机控制家中的一切，让自己的智能手机成为家庭生活的钥匙，实现掌上生活。目前虽然以智能家居为产品的公司不少，但是市场份额都非常小，而且都处于初级起步阶段。即使当前以智能家居为主题的公司很少提出掌上生活的理念，如小米的智能电视，格力的智能空调，也只是单纯地用手机控制电视或者空调，而我们所提出的掌上生活的理念，则是用手机控制家庭中的一切，不只能够利用手机模拟遥控器，还能够用手机控制家用电器的开关及监控家庭的安全状况，从而在产品性能及创新性方面完胜其他对手。
该方案既有广阔的市场前景，又有独特的创新精神，如果得到推广，定会获得巨大经济效益。
关键词：掌上生活；家电控制；智能家居
1 作品简介
以手机中的App作为上位机，以无线WiFi路由器OpenWrt作为服务器，以STM32单片机作为下位机。上位机与服务器之间通过WiFi通信，下位机与服务器之间通过RS 232串口通信。下位机作为主控单片机，与其他各节点的单片机通过2.4 G无线模块通信。系统整体框图如图1所示。
图1 系统整体框图
手机可以通过WiFi发送指令，如控制家电开关或模拟遥控器指令，单片机接收到指令后，进行相应的操作，从而实现手机控制家电开关，以及手机模拟遥控器的功能。
摄像头采集的数据通过服务器处理后向外传输，当需要时，手机通过WiFi访问服务器便可得到摄像头采集的图像数据，当看到门口的访客时，可通过GSM模块选择与其对话。
2 工作原理
2.1 手机App上位机设计
安卓上位机主控界面如图2所示。主控界面分为四大模块，分别为远程监控及GSM模块、空调及电视遥控模块、家电开关控制模块、语音识别模块。
图2 安卓上位机主控界面
2.2 手机控制家电开关模块
手机通过WiFi向单片机发送指令，单片机接收到指令并作出识别判断后，控制相应的继电器动作，以实现对家用电器开关的控制。家电开关控制流程如图3所示。
图3 家电开关控制流程
继电器采用电磁继电器，电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样，单片机通过在电磁继电器两端加或不加电压，便可控制继电器动触点与静触点吸合和断开，从而实现开关的功能，以此来控制家用电器的开关。
2.3 手机模拟遥控器
手机通过WiFi向单片机发出控制指令，单片机接收到指令并识别判断后，单片机内部模拟遥控器的红外协议通过红外发光二极管将信号发出，从而向电视机、空调等发出指令，实现手机充当遥控器的功能。模拟遥控器控制流程如图4所示。
图4 模拟遥控器控制流程
遥控器的实质是产生不同的编码脉冲，输出各种以红外线为媒介的控制脉冲信号，这些脉冲是指令代码，用来控制家电的操作。遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，即RC-5码和NEC码。我们以NEC码为例说明，当发射器按键按下后，即由遥控码发出，按键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征：
（1）采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565 ms，间隔为0.56ms，周期为1.125 ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565 ms，间隔为1.685 ms，周期为2.25 ms的组合表示二进制的“1”。
（2）大部分电视遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，后16位为8位操作码（功能码）及其反码。当按下遥控器按键时，将发射一组108 ms的编码脉冲，这108 ms发射代码由一个起始码 （9 ms），一个结果码 （4.5ms），低8位地址码（9～18 ms），高8位地址码（9～18ms），8位数据码（9～18 ms）和这8位数据的反码（9～18 ms）组成。
我们通过单片机模拟相应遥控器的编码输出来控制红外二极管将指令发出，从而实现对家电的控制。
2.4 手机无线监控家庭环境
采用无线WiFi路由器，通过刷机将其刷成OpenWrt系统，此时该路由器便相当于一台小型电脑，可在上面安装一些摄像头驱动，从而驱动摄像头。这样摄像头采集到的数据便可通过D103N路由器向外发出，当需要时，手机可通过访问该路由器得到摄像头采集的数据。无线监控控制流程如图5所示。
图5 无线监控控制流程
我们采用两个摄像头，门口一个，房内一个。房内的摄像头只负责监控房间内的情况。门口的摄像头负责监控门口访客，当有人来访时，通过触动门铃按键，单片机检测到按键按下后，通过GSM模块向手机发送短信提示，提示有人来访。这样，我们就可以通过手机App查看门口摄像头的图像，从而可以看到访客。当我们不在家中时，还可以通过手机采用GSM模块与访客进行对话。
GSM模块是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送SMS短信、语音通话、GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。
单片机通过RS 232串口与GSM模块进行通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如发送短信、拨打电话等。
2.5 语音识别
语音识别通过语音控制家电。语音识別功能通过在App中添加科大讯飞的jar包，从而使用科大讯飞的语音识别库，说出指令后，手机将联网查询并识别接收到的指令。手机识别指令后，将指令通过无线发送给下位机，从而实现控制功能。例如，当用户打开语音识别界面后，说“开灯”，手机便通过访问科大讯飞库实现语音识别，识别出“开灯”后，通过无线向下位机发送指令，从而实现开灯控制。
3 创新性
本项目具有理念上的创新性，是在了解了当前形势的情况下大胆提出的。随着智能家居的成熟，智能手机的推广，“掌上生活”理念必会得到推广。与目前市场上的其他产品相比，该项目具有如下创新特点：
（1）手机控制家电开关同当前已有的遥控插座相比，可控制家中所有电器的开关，而当前的遥控插座只能控制一种电器；可对任意电器实施定时功能。
（2）手机充当遥控器同小米电视相比，无需更改当前家电的结构，极大地节约了成本；可学习市面上绝大部分家电遥控器；可对家庭内部任意家电在任何位置实施控制。
（3）手机监控及防盗与可视化门铃相比，可远程监视，并远程与来访人员交流；具备报警功能；可对房间内状况予以监督及远程监督。
4 市场前景
随着智能手机的普及，智能家居的推广，人们越来越希望能够用一台智能手机控制家中的一切，让自己的智能手机成为家庭生活的钥匙，实现掌上生活。目前虽然以智能家居为产品的公司不少，但是市场份额都非常小，而且都处于初级起步阶段。即使当前以智能家居为主题的公司很少提出掌上生活的理念，如小米的智能电视，格力的智能空调，也只是单纯地用手机控制电视或者空调，而我们所提出的掌上生活的理念，则是用手机控制家庭中的一切，不只能够利用手机模拟遥控器，还能够用手机控制家用电器的开关及监控家庭的安全状况，从而在产品性能及创新性方面完胜其他对手。
该方案既有广阔的市场前景，又有独特的创新精神，如果得到推广，定会获得巨大经济效益。