基于Android手机的家居设备集中控制系统设计

2014-01-24杨振南何如意

湖南科技学院学报 2014年5期

关键词：低电平遥控网关

杨振南何如意

(湖南科技学院计算机与通信工程系，湖南永州 425199)

基于Android手机的家居设备集中控制系统设计

杨振南何如意

(湖南科技学院计算机与通信工程系，湖南永州 425199)

文章介绍一种使用Android手机通过蓝牙信号连接家居集中控制网关，以实现控制各种不同家居设备的方法，被控制设备包括红外遥控家电、遥控照明和电动窗帘电机。依据这种方法设计的软硬件系统样品经过测试，证实能够实现对家居设备的集中遥控。

Android；智能家居；集中遥控

1 引言

智能家居是物联网的一个重要应用领域，我国智能家居起步晚，但是行业发展迅速。与厂商大量涌入不相符合的是，用户对智能家居的接受程度却不高。分析其主要原因包括：(1)智能家居产品成本高昂，普通家庭难于承受；(2)智能家居产品实用性不强，不能真正让用户感觉到实用价值；(3)智能家居系统安装复杂，操作困难[1]。

另一方面，Android智能手机已经逐步普及，这种手机具有强大的处理能力、方便明了的操作界面和丰富的外设。通过Android手机实现对家居照明系统，家用电器，电动窗帘的控制将能够提高用户的体验好感，加快智能家居的推广。本项目的目标就是设计一套软硬件系统以实现通过Android手机对家居设备的集中控制。

2 系统设计

本系统主要由Android智能手机，家居集中控制网关和家居设备组成。如图1所示。家居设备主要包括：红外遥控家用电器，遥控照明和电动窗帘；家居集中控制网关能够发射红外遥控信号去控制各种家用电器，发射无线射频信号以控制遥控照明和电动窗帘；Android手机提供给用户进行操作，手机通过蓝牙信号发送命令和数据到控制网关。用户只需一次性配置好网关，就可以直接使用Android手机直接遥控所有的家居设备。

图1 系统组成图

2.1 家居集中控制网关的设计

家居集中控制网关的作用是接收Android手机发来的蓝牙命令数据，然后把数据解压出来，根据解压的数据判断，需要发送出红外编码信号、315MHz射频信号或者433MHz信号。网关的硬件方框图如图2所示。网关的控制核心选用的是STC89C52单片机。蓝牙收发模块使用的是广州汇承信息科技有限公司的型号为HC05的蓝牙标准模块，该模块通过UART与STC89C52连接，使用AT命令进行控制。红外发射模块主要由4个红外发射二极管及其驱动电路组成，4个红外发射二极管指向四个不同的方向，以确保一个房间内的所有家电都可以接收到信号。RF射频发射模块包括一个315MHz和一个433MHz发射模块，每次发射选择其中的一个模块工作。

图2 控制网关硬件方框图

2.2 红外信号及射频信号的编码实现

由于家用电器的种类多品牌杂，使用的红外编码协议各不相同。设计一个能够兼容所有红外编码格式和所有射频编码格式新的数据格式是此项目实现的关键。在文献[2]中已经对各种红外编码信号研究了统一实现发射的方法。结合该方法，本项目中制定了特殊的数据帧格式以兼容各种不同的红外编码信号。数据帧由Android手机通过蓝牙发送到家居集中控制网关。详细格式定义如表1所示。

表1.数据帧格式

一个数据帧由16的整数倍个字节组成。分成两个部分，低16个字节为格式控制，高字节为信号压缩编码，长度为16的整数倍，具体长度依据Len的值确定。

TLM表示引导码高电平持续时间；TLS表示引导码电平持续时间；T0~T3分别表示引导码之后的数据中高低电平可能的持续时间；Len表示原始红外信号中除去引导码之外的高低电平个数；Reserved表示预留信息；CODE为原始红外信号的压缩编码。所有的时间以微秒为单位。编码的压缩采用类游程编码的方法。下面以康佳电视遥控频道加键为例进行说明。该键的红外信号如图3所示。(由于编码过长，图中省略了中间的部分信号)

图3 康佳频道加键的红外编码图

图中IDLE表示空闲状态，即没有发射红外信号时的状态。第一个3毫秒为引导码的高电平宽度，第二个3毫秒为引导码低电平的宽度，后面为遥控器的原始编码数据。统计得出原始编码数据部分的高电平和低电平的宽度所有可能值为：520微秒，1480微秒，2500微秒和4000微秒。除去引导码外，原始编码数据中的高低电平个数总数是35个。则应用以上的数据帧格式进行描述时有：TLM=3000；TLS=3000；T0=520；T1=1480；T2=2500；T3=4000；Len=35。CODE部分使用类游程编码压缩的方法实现如下：引导码后，第一个为520us高电平，与T0相等，因此使用二进制数据“00”表示；第二个为1.48毫秒低电平，与T1相等，用二进制数据“01”表示，第八个为2.5毫秒低电平与T2相等，用二进制数“10”表示，倒数第二个为4000毫秒低电平，用二进制数“11”表示。把所有这些二进制数据从左到右排列在一起，转换成16进制数，这些16进制数就是CODE部分的值。同时由于CODE部分长度为16的整数倍即16N字节，可以表示高低电平的总长度为16N ×8÷2=64N个，图3中的编码总长度为35，不足64个，取N=1，且多余的比特以二进制“0”填充。由此，有完整的康佳频道加键的数据帧内容如表2所示：

表2.康佳频道加键数据帧内容

遥控照明，电动窗帘是家居中出现的新设备，其无线控制使用射频信号实现。目前市面上使用的有315MHz和433MHz两个频率，且不同厂家使用的射频调制编码不同。比较常见的是使用2262进行编码，使用2272进行解码，比如海乐遥控电灯开关。也有使用自定义编码格式，比如杜亚电动窗帘电机的遥控信号。图4所示为杜亚电动窗帘电机打开键遥控编码示意图。(由于编码过长，图中省略了中间的部分信号)

图4 杜亚电动窗帘电机打开键遥控编码示意图

对比图4和图3可以发现，射频编码也可以使用前面定义的数据帧格式唯一描述。但是，与红外不同的是调制载波不同，此处使用了433MHz射频信号，因此为了区分调制载波，在上面的数据帧格式的部分用第13字节来表示载波类型：数值0表示红外信号，数值1表示315MHz射频信号，数值2表示433MHz射频信号，其他数值预留使用。套用以上数据格式，则其各部分数据如表3所示。由于编码较长，Len为80，因此取N=2，整个数据帧长度为48字节。使用2262编码发送的射频遥控信号也可以使用这种数据格式唯一描述，此处不再详细举例说明。

表3.杜亚电动窗帘电机打开键遥控编码数据帧内容

2.3 单片程序设计

设计中使用两个IO口分别控制315MHz和433MHz射频发射模块，使用一个独立的IO引脚输出38KHz方波到红外发射模块。使用定时器T0控制红外或射频调制的脉冲宽度和脉冲间隔。使用定时T1产生38KHz定时频率。单片机的主要工作流程如下：

图5中发出控制信号部分软件，实现解压数据帧中CODE的部分数值，并通过控制端还原出原始的控制信号。主要通过定时器T0实现。根据数据帧中的第13字节选择被控制端。然后读取数据中的CODE部分数值，每个字节的数据处理4次，通过移位运算每次提取出2个比特数据，然后以这2个比特数值为索引读取T0~T3中的数据，并把读来的数据加载到定时器T0作为定时时间长度。T0定时时间结束则变换控制端输出状态，由此实现在控制端产生交替变化的数字脉冲。如此循环不断地进行，直到发送的高低电平数与数据帧中的Len区数值相等时结束发送。红外发射模块和射频发射模块在控制端的高低电平控制下下发射出原始的红外信号或者射频信号，从而实现对家居设备的控制。

2.4 Android手机应用程序设计

Android手机端的应用程序设计成多个用户界面，由一个主界面进行引导。他们之间的关系如图6所示。用户在主选择界面上选择需要控制的家居设备，然后进入相应的家居控制界面，在家居控制界面上设计有各种功能按键，用户通过触摸这些按键，就可以直接控制家居设备。

图5 单片机主流程图

图6 Android手机界面关系图

3 设计实现及测试结果讨论

依据以上设计方案，设计了实验样品。硬件样品如图6所示，Android手机软件如图7所示。初步收集了康佳LED32E330C彩电的部分遥控编码，美的遥控风扇FS40-6DR部分遥控编码，金通慧电灯开关以及杜亚窗帘电机的射频遥控编码。并进行了测试。测试结果证明该设计达到预期目标。若能够进一步收集现有市场所有门类家居设备的红外和射频控制代码，则可以真正实现Android手机对家居设备的集中万能遥控。