基于物聯網的家電遠程控制系統設計

黃藝聰

（賽客（廈門）醫療器械有限公司，福建廈門，361026）

0 引言

伴隨科技水平不斷提高，物聯網技術發展給智能家居帶來了諸多便利。基于無線WIFI技術實現遠距離智能控制已成為當前智能家居發展的主要技術手段。無線WIFI技術與家居電器設備控制相結合，基于物聯網技術實現智能家電控制是當前的研究熱點。本文以無線WIFI為媒介，基于物聯網技術研究家電遠程控制系統，該系統可實現家居智能設備遠距離控制，有利于實現節能的同時提升生活品質和效率。

本設計主要包括系統硬件、云服務器與控制端等三大功能部分。WIFI 作為系統硬件接入互聯網的工具，與云服務器進行通訊，安卓手機作為控制端。硬件選用STM32F103C8T6型單片機作為驅動。在手機上安裝特定APP，即可通過手機接入互聯網，與服務器進行交互。云服務器核心信息中繼樞紐，是實現遠程控制的重要一環。獲取控制端數據后轉發至主機，硬件解析服務器發來的數據生成控制指令，實現對相應電器工作過程的控制。

1 系統控制方案確定

■1.1 主控芯片選擇

方案一：選用 STC89C52RC 芯片。STC89C52RC 每次可以處理8位數據，編程簡單，非常適合初學者入門使用。方案二：選用STM32F103C8T6芯片。該芯片采用Cortex-M3內核，擁有64K程序存儲空間，數據處理速度快，穩定性高。

綜上對比，方案一功能簡單、開發方便，但運行處理速度較慢，方案二穩定性更高，在家電遠程控制系統中，與WIFI模塊的通信中，對運行速度和穩定性提出了很高的要求，所以，方案二更貼合該套系統的實際需求。

■1.2 無線通信模塊選擇

對比無線通信方案，方案一：選用Zigbee芯片，使用Zigbee無線技術組成一個設備網絡，通過外設網關與手機進行通信；方案二：使用ESP8266系列無線WIFI芯片，通過WIFI直接進入互聯網，與服務器進行通訊。無線通信模塊是除主控芯片外最重要的部分，決定了系統性能。Zigbee可接入節點高達6萬多，但Zigbee穿墻能力較弱、傳輸速率慢，且在使用時需配備Zigbee網關支持才可與智能手機進行通信。WIFI在傳輸速率上具有較大優勢，且穿墻性能較強、覆蓋范圍廣，可實現100-300米區域覆蓋，開發使用方便，能夠直接接入互聯網，并且可以在局域網內與智能手機進行直接的點對點通信，其主要缺點是功耗大，網絡容量小，目前已知家庭WIFI路由器最大接入數量是64個節點，一般家庭用戶的接入點為10個左右。

結合系統實際應用對比，方案二傳輸速率快、覆蓋范圍廣、穿墻性能好、使用方便，成本低廉。WIFI技術應用普遍且自身可成為中心節點，也可作為結構節點或直接接入互聯網，實際應用中方案二的優勢突出，選用WIFI作為無線通信模塊。芯片選擇ESP8266系列的ESP-12F超低功耗芯片用以彌補WIFI功耗大等缺點。

2 硬件電路設計

系統硬件主要由控制器、無線 WIFI模塊、溫濕度模塊、電磁繼電模塊和顯示模塊等組成。控制器讀取溫濕度傳感器采集到的數據，將數據傳輸到無線模塊。無線模塊接入互聯網與服務器鏈接后傳輸溫濕度數據、電磁繼電器通斷數據，服務器繼續將數據轉發至智能手機控制端，手機通過 APP 即可訂閱服務器下發的數據。當用戶在 APP 上發送指令數據時，也是通過服務器作為中轉，發送至無線 WIFI芯片，通過串口傳遞給控制器進行數據的處理，進而控制電磁繼電器的通斷，達到控制家電的效果。系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構圖

■2.1 核心控制模塊

控制采用的STM32F103C8T6 芯片是STM32入門首選芯片之一。單片機核心板（MCU）原理圖如圖2所示。其中包括復位電路、電源濾波電路和時鐘電路，系統采用3.3V電源供電。但部分外部電路供電電壓高于3.3V，采用電源穩壓電路實現，穩壓電路原理圖如圖3所示，將穩壓電源作為MCU供電電源。

圖2 STM32核心板電路原理圖

圖3 穩壓電路原理圖

■2.2 溫濕度傳感模塊

選用DHT11 數字式溫濕度傳感器作為溫濕度信息采集模塊。DHT11 具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等市場優勢。DHT11供電范圍為DC 3.3~5.5V，超出此范圍會損壞傳感器。若低于此范圍傳感器將會讀取到錯誤溫濕度數據而導致不工作。設計時DATA引腳直接與單片機相連，并在DATA引腳處連接1個10kΩ上拉電阻，以保證信號穩定性。DHT11采用單總線數據協議，通過DATA引腳與控制器進行通信，每次發送40位數據。接收數據后，需要對數據進行校驗。DHT11電路原理圖如圖4所示。

圖4 DHT11電路原理圖

■2.3 無線控制模塊

無線模塊采用安信可科技基于樂鑫 ESP8266 核心開發的ESP-12F串口轉無線模塊。ESP-12F模塊提供了2種啟動模式，在本系統中作為從機使用，使用 FLASH 啟動模式，使用RXD、TXD引腳用于串口通信，GPIO 0、GPIO 2、GPIO 15 用于確定模塊啟動方式，該模塊電路原理如圖5所示。

圖5 無線模塊電路原理圖

其中，VCC 接外部3.3 V穩壓電源，GND接電源地。GPIO15串聯1個下拉電阻接電源地，用于拉低 I/O電平信號，GPIO 0和 GPIO 2引腳懸空，默認為高電平，模塊上電后從 FLASH 模式啟動。TXD和RXD與MCU的RXD和TXD對接，通過串口進行數據收發。CH_PD 使能端串聯1個上拉電阻，拉高使能端電平信號，使模塊工作。REST 引腳接入復位電路，在系統上電時自動復位。

■2.4 繼電控制模塊

本系統采用5V電磁繼電器，設計時使用EL357N 光電晶體管光耦合器、SS8050 NPN型三極管、IN4148整流二極管，電路原理圖如圖6所示。因電磁繼電器工作電流遠高于MCU 等器件，需要對驅動電流進行放大。SS8050三極管主要起放大電流和開關作用。在該模塊部分電路設計中，接線端口“2”號為公共端，與“1”號相接為常開電路，與“3”號相接為常閉電路，為用戶提供更多的家電控制選擇。

圖6 繼電控制模塊電路原理圖

■2.5 其他電路模塊

較之液晶顯示，OLED分辨率較高，亮度和響應速度性能更佳。可有效顯示中文字符，符合國內用戶需求。該顯示模塊可直接與 MCU 相連，原理圖如圖7所示。其工作電壓為 3.3 - 5V。具有 DC、CS 等 7 個功能引腳。

圖7 鋸齒波仿真波形

圖7 顯示模塊電路原理圖

系統設置有源蜂鳴器作為聲音報警系統，電路設計如圖8所示。為了使蜂鳴器聲音盡可能大，采用SS8050 NPN型三極管集電極對蜂鳴器驅動。

圖8 蜂鳴報警電路原理圖

3 軟件程序設計

設計時采用 Keil MDK作為系統驅動開發工具，可為 ARM7/9、Cortex-M 提供開發、固件燒寫和在線仿真，操作界面簡單，功能十分豐富，需進行MCU輸入輸出GPIO口分配。

■3.1 溫濕度傳感驅動

分析DHT11溫濕度傳感器工作時序圖，總體通信流程步驟如下：

步驟一：DHT11 上電后，會有一段不穩定時間，需要等待 1 秒才能繼續操作，然后對環境溫濕度數據進行檢測并記錄。DATA保持高電平輸入狀態，檢測外部信號。

步驟二：MCU的 I/O 輸出低電平。18毫秒后將 MCU的 I/O改變為輸入狀態，通過上拉電阻拉高MCU的I/O 電平信號，等待DHT11作出響應。

步驟三： DATA 檢測到低電平信號時，延時輸出 80 微秒的低電平響應信號，然后輸出 80 微秒的高電平信號通知 MCU 準備接收數據。

步驟四：由 DHT11 的 DATA 引腳輸出 40 位數據。在檢測過程中，可以先將 MCU 的 I/O 電平拉低50微妙，延時40微妙后，再檢測 DATA 的電平信號。

步驟五： DATA 輸出 40 位數據后，會輸出50 微秒低電平信號，然后更改為輸入模式，等待外部信號。MCU在接收完40位數據后，需要進行數據校驗，通過校驗才為正確的數值。

■3.2 無線WIFI模塊驅動

設計時，使用AT指令控制ESP-12F模塊工作在透傳模式。在使用ESP-12F模塊前，需要給模塊燒寫固件。本系統使用機智云服務器進行設計，選用機智云提供的 GAgent 固件版本。機智云在固件里嵌入了符合自身平臺開發的協議，在云端會下發已經封裝好的指令函數庫，開發者在開發時通過串口調試設置模塊透傳模式和服務器鏈接地址，在程序開發中調用其API接口。

數據賦值給結構體后，在主函數最后會執行gizwits Handle 函數，通過該接口可以完成設備數據的變化上傳，即程序循環一次就上傳一次數據。在設備上電并接入網絡后，會每隔 1 小時自動獲取一次網絡時間，進行網絡對時。在程序中，通過調用機智云的 NTP 協議接口gizwitsGetNTP函數實現自動對時功能。

■3.3 繼電控制模塊驅動

電磁繼電器模塊通過 EL357N 光電耦合器 DC-DC 轉換后，可直接使用低電平控制電磁繼電器工作。電磁繼電器狀態變更，并上傳變更數據：

在云端數據定義中，電磁繼電器閉合為 1，斷開為 0，MCU 程序中電磁繼電器閉合為 0，斷開為 1，所以需要進行 0=> 1 ，1=> 0 的數據轉換。

■3.4 云端服務器設置

服務器作為用戶與硬件設備的橋梁，對服務器選擇影響著系統的穩定性與易用性。因現有資源限制且自建服務器成本高昂，使用機智云服務器平臺。該平臺提供從定義產品、設備端開發調試、應用開發、產品測試等“一站式”服務的能力。建立項目后即可在項目內建立虛擬傳感器設備，并設置需要使用的變量。云服務器搭建完畢后，采用 MQTT 協議實現與服務器的通信。開發過程中，需要根據 MQTT 協議在 ESP8266 模塊中設置與云端的通信方式。在設置以及后續開發過程中，需要用到一個重要的Product Key產品密鑰。該密鑰是全網唯一的身份辨識碼，通過該密鑰進行身份識別，識別通過才能與云端進行通信。

針對硬件電路進行軟硬件聯合調試，測試硬件數據的準確性及穩定性。硬件測試部分不接入云端服務器，只考量系統中的離線控制功能，WIFI模塊在整機調試時加入。經調試表明時鐘計時準確，OLED模塊顯示正常；溫濕度檢測數據準確；蜂鳴器在溫濕度超出閾值時報警；電磁繼電器定時開關功能正常；獨立按鍵功能正常。

4 結論

物聯網技術已成為智能家居控制的重要手段。本設計主要實現家電遠程控制系統設計，基于單片機及ESP-12F無線 WIFI 模塊開發，通過安卓 APP 接入云服務器發送指令進行控制。實現從客戶端下發控制指令，通過無線 WIFI 模塊將數據傳輸給單片機，進而控制電磁繼電器的通斷，并從溫濕度檢測模塊獲取溫濕度數據，通過WIFI無線模塊傳輸給客戶端，達到家電遠程控制的需求。調試結果表明，該控制系統可實現遠程家電開關及節能控制，具有一定的使用價值和意義。但因條件所限，本設計主要依賴云平臺驅動服務，從 WIFI模塊固件到 MCU 驅動程序庫，再到作為通信橋梁的服務器，都是由機智云平臺提供，顯著降低了系統后期開發平臺的可移植性，有待進一步加強。