基于WiFi 技術(shù)的智能家居控制研究

劉衛(wèi)莊，洪先亮，方 蒙，李瑞敏

（合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

社會的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展，使人們對生活，尤其是居住的環(huán)境要求相應(yīng)提高，人們對生活設(shè)施的智能化也越來越重視，而智能家居由于安全性、便捷性等特點，也備受人們的青睞。網(wǎng)絡(luò)信息化的社會將人類的生活從物理空間的大小拓展到了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的云端。通過手機、電腦和遠(yuǎn)程遙控移動終端，家中家電由你掌控，窗簾燈光隨意開關(guān)，享受愜意生活。系統(tǒng)是以WiFi 網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸途徑，以STM32 控制器為中央控制主控單元，以ATKRM04 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口模塊為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換橋梁，將上位機信息（手機、電腦、PAD）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給中央控制器，控制家中家用電器。

1 系統(tǒng)原理和組成

一個完整的智能家居系統(tǒng)包括內(nèi)部家庭網(wǎng)絡(luò)和外部互聯(lián)網(wǎng)兩部分，整個系統(tǒng)所要完成的任務(wù)也是由這兩個部分共同實現(xiàn)。系統(tǒng)采用STM32 處理器作為智能家居的中央控制器，以WiFi協(xié)議為基礎(chǔ)組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，WiFi 無線信號的發(fā)射和接收為根據(jù)，利用智能手機或者PDA 上的WiFi 功能，實現(xiàn)對開關(guān)的遠(yuǎn)程控制。具體來講，就是在手機或者PDA 上安裝一款A(yù)PP，當(dāng)需要打開家里某個用電設(shè)備時，只需打開手機或者PDA 上的APP，開啟WiFi 功能，APP 會自動識別并連接到遠(yuǎn)程開關(guān)的硬件系統(tǒng)上，建立通信，這時點擊APP 上的按鈕，手機或PDA 上的APP 將會通過WiFi 或者3G/4G 無線網(wǎng)絡(luò)向硬件發(fā)送一個字符串指令，控制器接收到字符串命令并分析判斷，與之連接的系統(tǒng)終端硬件繼電器會做出相應(yīng)的動作（斷開或閉合）。當(dāng)命令執(zhí)行成功后，硬件控制器會回傳一個信息給上位機軟件APP，APP 軟件會自動更改終端設(shè)備的指示狀態(tài)。

中央控制器系統(tǒng)通過主控端ATK-RM04 模塊1 把網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)化成串口（RS232）信息傳送給STM32 中央處理器，經(jīng)STM32中央處理器分析判斷節(jié)點端信息，再經(jīng)主控端ATK-RMO4 模塊2 發(fā)送給每個節(jié)點設(shè)備，節(jié)點端通過相應(yīng)的命令控制執(zhí)行元件的相應(yīng)動作。同時中央控制器也查詢接收節(jié)點設(shè)備端的信息，經(jīng)過ATK-RMO4 模塊2 將信息傳輸給中央控制器分析處理并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)符串通過ATK-RM04 模塊1 將信息發(fā)送到Internet網(wǎng)或者5G/4G 網(wǎng)上，這樣用戶就可以通過互聯(lián)網(wǎng)查看和控制家中家電的狀態(tài)即遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)的流程如圖1 所示。

圖1 智能家居WiFi 控制系統(tǒng)流程

從系統(tǒng)流程上看，該智能家居控制系統(tǒng)主要包括無線路由器、STM32 中央控制器、UART-ETH-WIFI-ATK-RM04（串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)）模塊，設(shè)備終端點，遠(yuǎn)程訪問等部分，各系統(tǒng)相互控制，相互通信，達(dá)到通過Internet 或手機3G/4G 網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的目的。

2 STM32 系統(tǒng)的中央控制器

2.1 主控器CUP 簡介

STM32L 系列產(chǎn)品基于超低功耗的ARM Cortex-M3 處理器內(nèi)核，CPU 數(shù)據(jù)處理速度快，具有32 位寄存器，可靠性強，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，這里選用STM32F103RBT6 系統(tǒng)作為智能家居的中央處理器核心，是因為它有著豐富的接口資源和低功耗等特點[3]。

2.2 中央控制器硬件電路（圖2）

2.3 STM32F103RBT6 系統(tǒng)的串口接口功能

串口作為中央控制器系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)接口，它有著非常重要的作用，傳輸上位機的控制指令和對家電控制設(shè)備的狀態(tài)反饋。通過串口功能的擴展，不用增加過多的數(shù)據(jù)通信線纜，就可以完成一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

串口接口采用RS232 DB9 針母口，這樣設(shè)計可用市面上的標(biāo)準(zhǔn)串口通信線作為數(shù)據(jù)傳輸線纜。串口通信采用外部8M 晶振，設(shè)置波特率為9600，1 位停止位，7 位數(shù)據(jù)位，1 位奇偶校驗位。

中央控制器通過RS232 串口將控制指令數(shù)據(jù)發(fā)送給ATKRM04 模塊，ATK-RM04 模塊將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為WiFi 數(shù)據(jù)信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給各個控制節(jié)點設(shè)備和移動終端系統(tǒng)。

圖2 中央控制器電路

2.4 智能家居中央控制器的數(shù)據(jù)協(xié)議

智能家居終端設(shè)備品種繁多，且功能不一樣，不同的設(shè)備要進(jìn)行統(tǒng)一控制，必須對每個設(shè)備進(jìn)行抽象處理，把它們定義為單獨的數(shù)據(jù)代碼（表1）。

表1 不同設(shè)備定義

數(shù)據(jù)代碼定義說明：

每個數(shù)據(jù)包有5 個字節(jié)

（1）0xaa：數(shù)據(jù)頭字節(jié)。

（2）0xfx：0xfa 代表開機，0xfb 代表關(guān)機。

（3）0x0x：例如0x01 代表1 號設(shè)備，0x02 代表2 號設(shè)備，最多可以控制255 個設(shè)備。

（4）0x0x：0x01 表示對應(yīng)設(shè)備開啟，0x00 表示對應(yīng)設(shè)備關(guān)閉。

（5）0xcc：數(shù)據(jù)結(jié)束位

3 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

在中央控制器上有一個UART-ETH-WiFi（串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)）模塊將網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)換為串口信息，同時在每一個節(jié)點端都包含一個WiFi 模塊，通過這些WiFi 模塊的連接，數(shù)據(jù)就可以在中央控制器和節(jié)點端之間傳送。

3.1 ATK-RM04 模塊功能及特點

WiFi 網(wǎng)絡(luò)控制功能采用ATK-RM04 模塊，其特點低成本，低功耗，小體積。ATK-RM04 模塊采用串口（RS232/LVTTL）與MCU（中央控制器）通信，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3 個接口之間的轉(zhuǎn)換。

3.2 串口轉(zhuǎn)WiFi 模式（COM-WiFi）

串口轉(zhuǎn)WiFi 模式如圖3 所示。

該模式下，WiFi 使能工作在Client 模式下，ETH1（WLAN）、ETH2（LAN）功能關(guān)閉。通過設(shè)置，COM 口的數(shù)據(jù)WiFi 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。WiFi STA 可以配置為動態(tài)IP 地址（DHCP），也可以配置為靜態(tài)IP 地址（STATIC）。并且支持目前所有的加密方式。此模式下，模塊通過WiFi 連接到無線路由器設(shè)備上，成為WiFi 局域網(wǎng)下的設(shè)備。

圖3 串口轉(zhuǎn)Wifi

3.3 ATK-RM04 模塊的串口工作狀態(tài)

ATK-RM04 模塊將串口的工作狀態(tài)定義為2 種模式。①透傳模式；②AT 指令模式。這兩種模式可以相互轉(zhuǎn)換。如圖4 所示。

正常上電后，模塊會檢查當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)串口配置是否正常，如果配置正常，測模塊自動進(jìn)入透傳模式，否則進(jìn)入AT 指令模式。從AT 指令模式進(jìn)入透傳模式非常簡單，只需要發(fā)送at+out_trans=0，這個指令就可以進(jìn)入透傳模式。

3.4 和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ATK-RM04 模塊串口和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分為4 種 模 式：TCP Server、TCP Client、UDP Sever、UDP Client。這里選擇TCP Server 模式（圖5）。

圖4 工作模式交互圖

圖5 TCP Server 模式圖

該模式下，模塊監(jiān)聽指定的端口，等待TCP Client 連接，連接上后，所有TCP 數(shù)據(jù)直接發(fā)送到串口端，串口端的數(shù)據(jù)發(fā)送到所有的TCP Client，最終和上位機軟件終端數(shù)據(jù)交互。

4 智能家居拓?fù)鋱D（圖6）

圖6 智能家居拓?fù)鋱D

5 結(jié)束語

系統(tǒng)運用現(xiàn)階段比較流行的WiFi 傳輸技術(shù)，綜合多種協(xié)議克服了傳統(tǒng)的有線傳輸布線問題。智能家居系統(tǒng)主要依靠核心終端接收節(jié)點相應(yīng)信息，再以設(shè)定的程序發(fā)送相應(yīng)的信息給其他控制節(jié)點，從而控制家中的電子產(chǎn)品。通過對WiFi 智能家居的研究，對現(xiàn)代的WiFi 技術(shù)有了更深刻的認(rèn)識，更深入的體會了智能化將對人們的生活帶來便捷。