基于手機APP的遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)設(shè)計

王艷萍,遲宗濤

(青島大學(xué) 電子信息學(xué)院，青島 266071)

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基于手機APP的遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)設(shè)計

王艷萍,遲宗濤

(青島大學(xué) 電子信息學(xué)院，青島 266071)

介紹一種利用WiFi技術(shù)，通過手機APP實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家用電器的系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)備采用STM32F030C8T6高性價比單片機作為控制核心，單片機通過串口WiFi模塊(ESP8266)聯(lián)網(wǎng)。設(shè)備和手機則通過互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器進行連接。其中，設(shè)備通過UDP內(nèi)網(wǎng)穿透的方式和服務(wù)器建立連接。該系統(tǒng)實現(xiàn)了手機-服務(wù)器-內(nèi)網(wǎng)設(shè)備3點間的通信，解決了遠(yuǎn)程控制內(nèi)網(wǎng)設(shè)備的問題。

ESP8266; STM32F030C8T6；手機APP；UDP內(nèi)網(wǎng)穿透

引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，WiFi技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。WiFi是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備(如PDA、手機)等終端以無線方式進行互連的技術(shù)，為用戶提供了無線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪問[1]。由于速度快、覆蓋范圍廣、可靠性高、健康安全、無需布線等特點，WiFi已成為當(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)接入的主流標(biāo)準(zhǔn)。隨著 WiFi 信號覆蓋范圍越來越廣，其在各種便攜式設(shè)備上的應(yīng)用也將變得越來越多。目前，具有WiFi功能的手機也越來越普遍，人們對基于WiFi技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品的需求越來越大，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子產(chǎn)品都將提供 WiFi無線接入功能[2]。用戶幾乎可以隨時隨地上網(wǎng),人們迫切希望能夠通過WiFi技術(shù)來控制生產(chǎn)、生活中的各類設(shè)備，以達到便捷、舒適的目的。

基于此目的，本文設(shè)計了一種基于WiFi技術(shù)的電燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件方面，采用單片機STM32F030C8T6作為控制核心，通過ESP8266WiFi模塊進行聯(lián)網(wǎng)。這兩款芯片成本低，功耗小，開發(fā)方便且具有較高的處理能力。軟件方面，采用美國Keil Software公司生產(chǎn)的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)Keil。該軟件界面簡潔友好，容易上手，且對ARM內(nèi)核支持較好，是目前市場上的主流開發(fā)環(huán)境。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。本系統(tǒng)設(shè)計預(yù)實現(xiàn)的功能如下：手機遠(yuǎn)程控制電燈，該遠(yuǎn)程控制是通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的[3]。電燈利用WiFi無線通信技術(shù)進行聯(lián)網(wǎng)，WiFi模塊則采用軟件AP的方法設(shè)置路由器的SSID和密碼。因為電燈在內(nèi)網(wǎng)，無法直接進行訪問，所以本設(shè)計選擇用UDP內(nèi)網(wǎng)穿透的方式對其進行訪問。

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 STM32F030C8T6單片機

STM32F030C8T6是一款由美國ST公司生產(chǎn)的高性能單片機。該款單片機是基于ARM的32位單片機，因其采用精簡指令集(RISC)，所以具有時鐘周期短、指令周期短的特點。此外，STM32F030C8T6單片機還具有價格低廉、功耗較低、資源豐富等特點。該款單片機工作頻率為48 MHz，有48個引腳，具有一個12位ADC、6個通用的16位定時器和一個高級控制PWM計時器；采用LQFP48封裝，其具有8 KB的SRAM存儲器、64 KB的Flash閃存，保證了其高速的存儲速度；具有2路串行口，所有設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口(兩個I2C、兩個SPI和兩個USART), I/O接口資源豐富，且接口電路比較簡單，可完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。

圖2 AC/DC部分電路圖

1.2.2 串口WiFi模塊ESP8266

ESP8266是一款芯片內(nèi)部帶微處理器內(nèi)核的超低功耗的WiFi單片解決方案，即一個芯片實現(xiàn)WiFi+單片機功能。ESP8266有2種使用方案：一是直接使用內(nèi)部自帶的處理器，對芯片進行二次開發(fā)，通過I/O口控制設(shè)備，例如繼電器、傳感器等，此方案節(jié)省成本，但開發(fā)難度較大；二是ESP8266模塊外接單片機，而其僅用來完成網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的任務(wù)，使用AT命令操作，通過串口和外接的單片機通信，此方案開發(fā)快，性能穩(wěn)定，但成本相對較高。

ESP8266支持AP和STA兩種模式。AP即接入點，日常生活中的路由器就是AP模式，手機電腦等可以連接到AP；STA是設(shè)備模式，即設(shè)備連接AP。因每個家庭的路由器SSID和密碼都不同，所以需要對WiFi模塊進行配置，常見配置方案有2種：其一是通過屏幕和鍵盤(但很多設(shè)備沒有屏幕和鍵盤)；其二是虛擬AP，WiFi模塊預(yù)先設(shè)置為AP模式，手機連接設(shè)備，發(fā)送SSID和密碼給WiFi模塊，WiFi模塊切換為STA模式連接路由器。此設(shè)計中采用第二種方案，即虛擬AP。

1.2.3 供電模塊

該設(shè)計系統(tǒng)各模塊的用電情況為：設(shè)備上直接連接220 V電使用，WiFi模塊供電為3.3 V，而單片機供電則為3.3 V。所以系統(tǒng)供電部分的設(shè)計為：首先通過AC/DC模塊，把220 V電轉(zhuǎn)成5 V電供WiFi模塊使用；然后，用LDO模塊把5 V電轉(zhuǎn)成3.3 V電，供單片機使用。本設(shè)計中AC/DC部分采用的光耦反饋的隔離型開關(guān)電源，選用THX208芯片，該芯片是一款國產(chǎn)的使用量很高的開關(guān)電源芯片。LDO部分選用的則是AS1117芯片，系統(tǒng)AC/DC部分的電路圖如圖2所示。

1.3 軟件設(shè)計

1.3.1 通信協(xié)議

手機和設(shè)備間通信的配置命令設(shè)置如下：{SSID:xxxxxxPASSWORD:xxxxxxxxxxS:xxx.xxx.xxx.xxxPORT:xxxxx}

其中，“PASSWORD”代表WiFi密碼，“S”代表服務(wù)器IP，“PORT”代表服務(wù)器端口。

設(shè)備和服務(wù)器的通信過程為：設(shè)備每隔30 s向服務(wù)器發(fā)送心跳包，服務(wù)器發(fā)送回執(zhí)[4]。服務(wù)器收到手機指令后向設(shè)備發(fā)送控制指令，設(shè)備發(fā)送回執(zhí)。

1.3.2 UDP內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)

UDP內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)主要有兩種情況:一是一臺內(nèi)網(wǎng)機器連接外網(wǎng)通信的情況;二是兩臺內(nèi)網(wǎng)之間互聯(lián)的情況[5]。本設(shè)計中選用第一種，即只需內(nèi)網(wǎng)主動發(fā)起連接即可。內(nèi)網(wǎng)機器A(xxx.xxx.x.x:xxxx)要求連接外網(wǎng)服務(wù)端S(xx.xx.xxx.x:xxxx)，其發(fā)出的連接請求被A網(wǎng)所在網(wǎng)關(guān)B(xx.xx.xx.x)獲取后，B將A的地址轉(zhuǎn)變?yōu)槠渥陨淼刂罚⒎峙渑R時端口用作通信。于是，當(dāng)初的 A→S就變成現(xiàn)在的 A→B→S。那么，S接到請求后看到的并不是A的地址，而是B的IP和Port，此時S按照此地址進行回復(fù)，則B收到回復(fù)。因為B此時創(chuàng)建了通信臨時會話，所以在一定時間內(nèi)仍會將信息轉(zhuǎn)給A。至此，通信成功。

1.3.3 軟件AP的WiFi模塊設(shè)置

軟件AP的WiFi模塊設(shè)置如下：按住設(shè)備上的配置按鈕3 s后進入配置模式；單片機把WiFi模塊設(shè)置為AP模式，SSID設(shè)為Smart Light，密碼無。手機連接這個WiFi，從APP輸入路由器的SSID和密碼。APP用UDP廣播發(fā)出帶有SSID和密碼的數(shù)據(jù)。單片機收到數(shù)據(jù)，然后設(shè)置WiFi模式為STA模式，連接路由器。設(shè)置AP模式的程序如下：

if(key_value==2){

key_value = 0;

if(sysmode==CFG_MODE){}

else{sysmode=CFG_MODE;

at_cipclose_single();

change_to_ap_mode(ID[3]);

delay(100);

set_single_link();

delay(100);

create_single_udp_link();

delay(100);

USART2_flag = 1;}}

2 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

設(shè)計出的基于WiFi技術(shù)的電燈控制系統(tǒng)硬件電路圖如圖3所示。系統(tǒng)測試表明，用戶通過該系統(tǒng)，可以利用手機中的APP成功地對家庭中的電燈實現(xiàn)控制。實驗效果良好，達到了預(yù)期設(shè)計的目的。

圖3 系統(tǒng)硬件電路

結(jié) 語

[1] 王志賀,馬國旗,紀(jì)億.淺談WiFi技術(shù)[J].魅力中國,2011(16):213-213.

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[6] 曾磊,張海峰,侯維巖.基于WiFi 的無線測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表,2011,48(7).

王艷萍(碩士研究生)、遲宗濤(教授)，主要研究方向為電子測量與電子計量、智能傳感器技術(shù)。

參考文獻

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種浩(在讀研究生)、陳小平(教授)，主要研究方向為信號處理、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-08-01)

Remote Control System of Home Application Based on APP of Phone

Wang Yanping,Chi Zongtao

(School of Electronic and Information Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China)

In the paper,the APP of phone to control the household appliances remotely is introduced.The STM32F030C8T6 is adopts as the control core,and the microcontroller connectes to the Internet through a serial port WiFi module(ESP8266).The equipment connectes with the mobile phone by the server of Internet.Among them,the equipment connects with the server by the UDP net penetration.The system realizes communication between the 3 points such as the phone,the server and the equipment of network,which solves the problem of controlling devices in network remotely.

ESP8266;STM32F030C8T6;APP of phone;UDP net penetration

TP393.1

A

?迪娜

2016-07-07)