智能电器通信系统设计与实现

摘要:电器产品是人们工作生活的必需品，物联网的发展为电器智能化提供了可能。设计了一个以WiFi无线网络为基础的智能电器通信系统。在该系统中，路由器作为无线接入点建立WLAN网络，用户通过智能手机可以查询和控制电器设备的工作状态。电器通过内嵌的WiFi模块接收无线信号并通过UART传送给单片机处理，单片机负责查询电器的状态并执行相关的指令。通过智能手机也可以远程检测和控制电器设备。

关键词:智能电器;无线通信;WiFi模块;单片机

物联网技术是当代信息技术的一个重要标志，改变了人们的生产生活方式，使传统电器变得更加便捷而智能。智能电器是将微处理器、传感器技术、网络通信技术引入家电设备后形成的新型产品［1］。通信接口是智能电器的重要组成部分，用来实现通信节点之间信息的发送和接收。稳定的通信接口为智能电器系统的正常运行提供了有力保障。电器的控制方式分为有线控制和无线控制。有线控制是将控制器放置于强电箱内，开关和中控主机分别通过弱电控制线路进行控制。有线控制的优点:安全、稳定、不受干扰;有线控制的缺点:方案设计要求高、线路架设要求高、后期拓展改动困难。随着物联网和智能电器的发展，有线通信逐渐被无线通信所替代。当前普遍使用的无线通信技术主要有RFID技术、蓝牙技术、ZigBee通信技术、Z－Wave技术和WiFi技术［2，3］。WiFi通信技术是智能手机终端接入Internet的主流模式，其他类型的通信设备要接入Internet需要网关进行转换［4］。局域网络中的无线路由多采用WiFi技术与各节点进行无线通信，不用另设网关和网络改造便可实现系统搭建。智能手机可以通过局域网和广域网控制设备的工作状态。

1智能电器系统构成

智能家电系统由无线路由、智能终端、智能电器三大主要部分构成，如图1所示。无线路由为系统提供WiFi无线网络，是局域网络通信的基础部件，若要实现远程控制，需要与Internet连接进行广域网3G通信［5］。智能手机和平板电脑等智能终端可以在无线网络下，对处于网络中的智能电器节点进行控制操作。智能家电内需要集成WiFi无线通信模块接收控制指令，实现电器的非接触型智能控制。系统的操作流程:首先，配置模块要连接的路由器的名称(SSID)、密钥和服务器的IP地址;然后，手机等控制终端连接服务器下达操作命令;最后，控制系统根据指令完成相应的动作或查询等操作。智能手机和智能电器通常以STA站点形式入网，即作为无线网络的终端使用，形成客户端－客户端方式通信。也可以设置电器为AP，即作为无线接入点形成自组网络。无线WiFi模块在使用之前需要通过串口写入智能电器的MAC地址、网络名称、密码和IP等配置信息。图2为智能电器的系统框图。

2通信接口设计

2.1通信接口构成在由路由器构建的WLAN无线网络中，智能手机可以和电器中的WiFi模块进行通信。通信串口WiFi模块内嵌TCP/IP协议，通信接口如图3所示。硬件构成主要是由内嵌的一个单片机和WiFi模块构成，单片机主要实现裸机驱动程序和TCP/IP协议;WiFi模块则必须完成数据的无线接收和发送。模块内部集成了TCP/IP协议栈和WiFi模块，用户可以实现串口设备的无线网络功能。嵌入式WiFi模块对外提供UART串口或者SPI接口，其通信标准为IEEE802．11b/g，支持WPA/WPA2PSK加密，支持AES和TKIP加密算法。智能终端和WiFi模块的通信格式常用的通信协议有HTTP、TCP/IP和Socket，HTTP是应用层协议;TPC/IP协议是传输层协议;Socket是应用层与TCP/IP协议的中间软件，是对TCP/IP协议的封装和应用抽象层［6］。面向嵌入式系统的通信协议多采用Socket协议。2.2Socket通信协议软件实现采用Socket通信协议客户端的通信过程:①建立通信;②查询连接;③发送数据;④接收数据;⑤关闭连接。Android手机建立连接指令为newSocket(HOST，PORT)，关闭连接指令为socket．close()，发送数据调用getOutputStream()方法，接收数据调用getInputStream()方法。服务器的通信过程可概述为:1)建立服务器端的Socket，侦听网络中的连接请求;2)当检测到连接请求时，向客户端发送收到连接请求的信息并建立连接;3)完成通信后关闭Socket连接。图4为客户端和服务器的通信流程，图中的bind()和listen()方法用来绑定并监听Socket和端口号，accept()用来接收来自客户端的连接请求。当点击智能手机界面上的功能按键，后台会将数据以Socket格式发送给WiFi模块，发送指令被电器控制系统接收后，便会执行检测、开启、关断、调节等响应动作，并可根据需要将执行结果返回给智能手机。2.3单片机通信接口设计1)硬件设计通信接口和执行机构的硬件设计以单片机为核心，包括单片机最小系统及其电路设计，把单片机、无线模块、继电器等模块有机的结合在一起。WiFi模块的TX和RX与其串口相连，负责信息指令的接收和发送;WiFi模块和单片机的通信采用串口模式(UART)，串口波特率可达115200bps，执行命令由普通I/O口输出，可控制执行部件响应动作指令;配以光照、温度等传感器装置送入单片机自带ADC模拟数字转换接口，可以检测环境状态并作出相应动作，使电器更加智能。图5是单片机控制继电器的硬件连接示意图，WiFi模块的UART_TX和UART_RX与单片机串口的RXD和TXD相连，完成UART口双向通讯功能;继电器K与普通I/O口相连，通过继电器电路可以实现对智能电器的开关控制。当模块收到合上指令时，输出高电平，继电器的线圈有电流流过，继电器的触点吸合，给负载供电;当模块收到断开指令时，端口输出低电平，执行断电操作。设计了传感器的AD转换接口，实现了可以根据环境状态的检测结果控制继电器的动作。2)软件设计单片机系统上电复位后，首先进行硬件初始化，WiFi模块的初始化在函数Config()中完成，在函数中完成波特率、初始化接收、发送数据的中断类型等设置。模块开启后，寻找并连接网络，建立数据连接，由单片机封装数据后通过WiFi模块发送给智能手机。接收数据时，单片机程序不断地对WiFi模块进行扫描查询，查询数据缓冲区BUF中是否有数据，当查询到模块接收到手机用户发送操作或者查询指令时，根据Socket协议格式提取相关信息，对指令进行处理并执行相关动作，并通过UART串口返回数据到手机端。接收手机端数据需要使用外部中断来完成，能够确保数据传输的同步性和实时性，接收8位为一帧有效数据。单片机主程序流程如图6所示。单片机设置了监测环境光照功能，由光敏传感器经过ADC芯片转化后送到单片机，数据与阈值电压比较，当超过阈值时关断电器设备。

3结论

该智能电器通信系统在无线网络的平台下，在传统电器上接入无线WiFi模块，实现了智能终端对智能家电的远程监测与控制功能，单片机能够实时的对接收到的指令进行处理和响应，满足了设计要求。该系统安全、可靠、性能稳定。为大规模智能电器远程的监管与控制提供了可能。

参考文献

［1］刘远聪．物联网智能家居远程控制技术的研究［D］．兰州:兰州交通大学，2015．

［2］曹方．物联网与短距离无线通信［J］．上海信息化，2013(5):32－35．

［3］郑先海，吕海华，杨弘平．基于AndroidPN技术的Zig-bee无线网络的物联网数据采集［J］．沈阳工程学院学报:自然科学版，2014，10(4):370－372，381．

［4］吴吉义，李文娟，黄剑平，等．移动互联网研究综述［J］．中国科学:信息科学，2015，45(1):45－69．

［5］罗军舟，吴文甲，杨明．移动互联网:终端、网络与服务［J］．计算机学报，2011，34(11):2029－2051．

［6］卢伟国．蓝牙家庭网关及其在智能家居系统中的应用研究［D］．重庆:重庆大学，2003．

作者：张倩 周春阳 冯北北 王蓉 单位：沈阳工程学院自动化学院工程实践中心