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原理概述

整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：手機(jī)控制終端，ARM控制中心，智能插座節(jié)點(diǎn)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心在于節(jié)點(diǎn)智能插座的設(shè)計(jì)。

如圖所示為系統(tǒng)的總體組成框圖，其基本的工作原理是這樣子的：手機(jī)控制終端可以顯示和控制家庭內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；ARM是控制中心，與手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，發(fā)送控制信息給相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)； STM32控制的智能插座節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)家庭各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。手機(jī)終端與ARM控制核心通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，ARM控制核心與STM32控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZIGBEE進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)、以及嵌入式和安卓平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)原理框圖

硬件設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要是節(jié)點(diǎn)智能插座的硬件平臺(tái)以及ARM控制中心的硬件平臺(tái)。

智能插座作為網(wǎng)絡(luò)的重要的控制節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊的工作，是橋接家居網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的橋梁，。節(jié)點(diǎn)智能插座由電量檢測(cè)模塊、學(xué)習(xí)型紅外模塊、ZigBee模塊、GSM短信報(bào)警模塊、環(huán)境傳感器以及繼電器插座模塊組成。其中控制器選用的ST公司的M3內(nèi)核的ARM處理器STM32103RBT6，ZigBee模塊設(shè)計(jì)應(yīng)用到了TI公司的ZigBee芯片CC2530。學(xué)習(xí)型紅外發(fā)射電路中應(yīng)用到了TI的定時(shí)器芯片NE555，產(chǎn)生提供穩(wěn)定可靠的紅外載波。GSM短信報(bào)警模塊選常用SIM900A設(shè)計(jì)而成。

ARM控制平臺(tái)：橋接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WIFI無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的橋梁，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)傳輸，同時(shí)作為控制平臺(tái)，在ARM的操作界面上也能實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制。ARM控制器選用三星的ARM9處理器，外設(shè)連接有TI公司的ZigBee模塊以及WIFI模塊。

智能插座硬件組成框圖

ARM控制中心硬件組成

將各個(gè)模塊封裝完成后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)板將所有模塊整合在一起。系統(tǒng)板的原理圖如圖

系統(tǒng)板原理圖

軟件設(shè)計(jì)原理

軟件設(shè)計(jì)部分包括節(jié)點(diǎn)智能插座中模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、ARM控制驅(qū)動(dòng)程序以及安卓APP開(kāi)發(fā)。

首先，系統(tǒng)程序的編寫(xiě)主要由以下幾個(gè)模塊組成，即Zigbee模塊驅(qū)動(dòng)，溫度傳感器驅(qū)動(dòng)，濕度傳感器模塊，GSM模塊驅(qū)動(dòng)，插座驅(qū)動(dòng)，可調(diào)燈驅(qū)動(dòng)，測(cè)電量模塊驅(qū)動(dòng)，學(xué)習(xí)型紅外驅(qū)動(dòng)等。

其次手機(jī)客戶(hù)端程序的設(shè)計(jì)。由于Android操作系統(tǒng)存在開(kāi)源、自由的特點(diǎn)，并且Android操作系統(tǒng)在目前智能手機(jī)市場(chǎng)占有率高，價(jià)格相對(duì)便宜，因此主要介紹在Android智能手機(jī)上的智能插座應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)是使用Ecilpse+SDK+ADT開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于Android API Level 8開(kāi)發(fā)，應(yīng)用程序使用低版本的API進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便更高版本的設(shè)備都能與它兼容。由此開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序目前兼容市面上大部分的Android智能手機(jī)。Android智能手機(jī)上的智能插座應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：通過(guò)Wi-Fi與ARM板上的串口設(shè)備進(jìn)行連接、控制更改設(shè)置開(kāi)關(guān)狀態(tài)、設(shè)置情景模式，以多種形式展示家居插座運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括溫度，濕度，電量信息、實(shí)現(xiàn)紅外學(xué)習(xí)發(fā)送、短信控制等。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有用戶(hù)友好的界面。

驅(qū)動(dòng)控制總體流程

驅(qū)動(dòng)程序框架

手機(jī)軟件構(gòu)架

數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器設(shè)計(jì)流程

后臺(tái)視頻監(jiān)控程序

智能插座節(jié)點(diǎn)用于對(duì)家用電器的實(shí)際控制，可對(duì)控制端發(fā)送的數(shù)據(jù)作出響應(yīng)，如圖所示：    

圖1智能插座節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

ARM控制中心接受控制指令，傳送給STM32節(jié)點(diǎn)，并具備有視頻監(jiān)控的功能，如圖所示：

圖2 ARM控制中心硬件實(shí)物

手機(jī)登陸界面，可以用于用戶(hù)驗(yàn)證，填寫(xiě)用戶(hù)名、密碼等信息。使用Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)登錄至ARM控制中心，如圖3所示：

圖3手機(jī)終端登錄界面

功能界面如下圖4所示，選擇相應(yīng)功能會(huì)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)控制界面：

圖4手機(jī)終端功能選擇界面

紅外控制界面，可進(jìn)行模式切換，按鍵備注更改。學(xué)習(xí)模式下發(fā)送學(xué)習(xí)命令，等待學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)返回，收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。控制模式下，發(fā)送數(shù)據(jù)控制指令。如下圖5所示：

圖5 紅外控制界面

在插座控制界面，按下開(kāi)關(guān)更改其狀態(tài)，并發(fā)送控制命令，可以觸發(fā)開(kāi)關(guān)關(guān)斷，如圖6所示：

圖 6 插座控制界面

可調(diào)燈界面如圖7所示，滑動(dòng)滑塊到對(duì)應(yīng)的位置發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，使STM32控制可調(diào)燈輸出PWM波，改變可調(diào)燈的亮度：

圖 7 可調(diào)燈控制界面

情景模式按下后則切換到相應(yīng)模式下，對(duì)于控制節(jié)點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作。如圖8所示：

圖 8 情景模式

網(wǎng)頁(yè)登陸界面如圖9所示，將PC機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)連接到ARM控制中心后，開(kāi)啟瀏覽器可進(jìn)入登錄界面：

圖 9 網(wǎng)頁(yè)登錄界面

網(wǎng)頁(yè)照明燈控制界面如圖10所示，其控制方式和手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)功能基本上一致： 

圖 10 網(wǎng)頁(yè)照明燈控制界面

網(wǎng)頁(yè)視頻監(jiān)控如圖11所示，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控畫(huà)面的放大、縮小和播放、停止的功能，測(cè)試功能可用：

圖 11 網(wǎng)頁(yè)視頻監(jiān)控界面