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中文摘要
在这个科技电子信息大爆炸的时代下,社会的运行无时无刻的不在使用着网
络,信息通讯、手机冲浪、电脑办公、无人汽车驾驶技术、甚至是军事导航运用
和航空事业的发展无一不在表明网络已经成为千家万户各行各业的必需品,科技
的快速发展、生活质量的提升以及人们工作节奏的加快和对美好生活的向往,智
能化的科技性、便捷性、安全性以及可以满足人们对生活品质的需求等诸多特性
越来越受到各个年龄阶段的追捧。本文的基于 WIFI 的家用电器远程控制设计将
会成为现代智能家庭电路控制不可或缺的重要部分。
本文是以单片机为基础的利用 WIFI 模块、继电器模块和手机 APP 通信设计
的家用电器远程控制设计,合适的单片机芯片和模块的选择有助于方案设计的安
全、可靠和成本的节约。文中首先阐述了国内外智能家居的发展现状和研究意义,
通过各个方案优缺点的比较选定了基于 WIFI 的智能家居远程控制设计系统,继
而对系统的硬件方面和软件方面展开了详细的叙述和讲解,在整个系统中以单片
机作为基础,WIFI 模块作为系统连接纽带,通过手机 APP 发送指令传输单片机
中处理,控制继电器的打开和关闭,利用继电器的小电流控制大电流的特性控制
家用电器的工作状态,通过一套完整的系统的软件和硬件调试完善系统的快速响
应精度,在极短的时间内完成操作,节约时间。
本文整个系统设计成本低廉,系统稳定性高,结构合理,通过测试反应迅速,
实验结果达到了设计功能全部的要求,本文接下来将重点对方法和思路进行介
绍。
关键词:智能家居控制;ESP8266WIFI 模块;继电器;手机应用程序;单
片机。
第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
从以前的农耕文明到工业时期的过程中,每一步的变革都是上一个时期的供
需不同而衍生出来。现如今已经不是凡是都要亲历亲为的时代了,社会的发展步
入了机械智能时期,科技的迅猛进展带动了人们对生活的品质有了更高的要求,
改变了以往的生活方式
[文献 1]
。智能家居的诱人前景和巨大市场加上人们更加渴
望自动化、简便化、智能化的产品,在供需的关系中智能产品如同雨后竹笋般快
速生长,越来越多的智能性的产品已经进入了广泛的社会大众生活中去了,像手
机、电脑、耳机等,由他们所代表的智能产品都体现出了无线、远程、控制的功
能,这些功能与作用也是当今社会所认可和乐于接纳的。智能化的家用电器也在
国内开始逐渐的普及和应用,手机与家用电器的远程连接和控制也让更多家庭从
中受益,通过手机控制各种家用电器的案例也在快速的增加[文献 13],例如控
制电视、控制窗帘、控制灯的状态、人脸识别考勤等。
1.2 国内外的发展现状
随着经济的增长和科技的发展,社会进入了信息化时代。电子信息化的不断
提升,智能家居系统的设计与应用的概念在国内和国外也开始被广泛接纳。
在国外智能家居的起步发展比较早,早在 20 世纪 80 年代就开始发展起来。
最为典型当属 1984 年美国的第一栋智能建筑,然后在 1998 年 5 月新加坡举办的
“98 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上,通过在场内模拟“未来之家”,
推出了新加坡模式的家庭智能化系统[文献 15]。它的系统功能包括三表抄送功
能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接
入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接
入和统软件配置等。在当时引起了很大的反响,宣布了智能家居的开始,紧接着
日本、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚经济的发达国家相继研发和提出各种智
能家居的方案,从此揭开了智能家居的时代。
目前在新加坡也有近 30 个社区(住宅小区)近 5000 户的家庭采用了“家庭智
能化系统”,20 世纪 80 年代智能家居的理念便来源于的美国, 被称为“Smart
Home”随着时间的推移[文献 20],美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家
庭智能化系统”,相信到了 21 世纪将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能
化系统产品。目前美国有一种占据市场主流的产品 X-10,销售已超过 1 亿个,
设计户型为单体别墅,应用多为旧房改造,仅在美国便有超过 400 万个家庭在使
用。但这些产品技术限制较多,并不适合在我国原样照搬使用应用。三星从今年
春节后,开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统,通过机顶盒和网络,将家
居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面
的,面向宽带互联网的家居控制网络。
在国内 20 世纪 80 年代我国工业、科技、经济等综合发展水平相比于欧美以
及东南亚的发达国家还是有着很大的差距,由于种种原因在当时智能家居伊始之
期便造成了巨大落后,直到 21 世纪国内先后成立了多家智能家居生产研发的企
业,这些企业都集中在深圳、上海、天津、北京、杭州、厦门等沿海发达城市的
地方,国内才进入了开始的阶段;2005 年之后市场的大量需求引发了众多厂商
代理商的疯狂的增长,同时打乱了市场的秩序,智能家居陷入低迷的阶段[文献
16];几年过后,受我国的房地产产业的影响和国家经济的快速发展人们期待更
好的品质生活,智能家居迎来了快速发展的时期,目前规模最大同时又最为著名
的当属我国首富马云在杭州建的智能酒店,整个酒店建筑时刻透露着科技感、未
来感,酒店采用的均是智能化管理,人脸识别验证,语音机器人送餐,都是在天
猫精灵的整体把控中,各种智能化产品层出不穷,智能照明、智能门锁、智能门
窗、各种警报器等应有尽有。
目前智能控制的范围在逐渐的扩大,例如智能控制与工业发展有机结合在一
起 , 将有利于进一步提高我国工业化水平,实现流水线的智能化;将智能控制应
用到电力电子学中,可以优化控制,实现对电子电力学的深入研究,并进一步提高
设计者设计的水平[文献 3]。
1.3 本文的主要内容及组织结构
经过上述分析,目前智能化家居已经崛起,将会在越来越多的家庭中普及
使用,而随着家用电器的增多,本身的遥控器还有各种线路会对生活造成很大的
困扰,家庭电器迫切的需要进行统一管理,避免布线的杂乱无章,减少线路老化
等引起的安全隐患问题。本系统以单片机芯片、手机APP、WIFI 模块、继电器等
组成,通过无线网络在手机 APP 中实现控制家用电器的效果,便于统一调配。在
这个目的下要想实现手机 APP 的远程控制,就要解决单片机如何与网络通信,手
机 APP 的制作和数据的传输等问题。
本文组织结构如下:
(1)国内外智能家居的发展现状和研究的意义。
(2)方案的选择和比较。
(3)硬件和软件系统设计如电路设计等。
(4)系统整体性能的调试。对硬件和软件进行在线调试,在调试中不断修改、
完善硬件及软件。
第 2 章 方案比较与选择
基于 GSM 模块的远程控制系统
随着设备的开发以及移动通信网的建立,GSM 逐渐演变为“全球移动通信系
统”。GSM 模块的远程控制系统是利用短信对远程监控设备进行控制设计。短信
的功能和使用方式人人皆知,适用于所有的年龄阶段,并且短信 SMS 目前非常成
熟,应用广泛,用户不需要重新设置一个网络,节省了部分的网络开支和相关的
维护成本,彰显了设计的性价比[文献 2]。利用低价位的控制组件通过不同中断
对不同的家用电器的进行检测和控制,来实现远程的效果,但也具有明显的局限
性,由于短信 SMS 的承载的信息量少,会导致传输包含的功能少,同时也有显著
的慢性传输速度,这会导致信息的传输效率的降低。 由此可见 GSM 模块的远程
控制系统适合传输的信息量小,对传输速度要求不高和通信要求简单的模式,使
用 GSM 的短信服务功能就可以完成。
GSM 模块具有发送 SMS 短信,语音通话,GPRS 数据传输等基于 GSM 网络进行
通信的所有基本功能。GPRS 模块是具有数据传输、发短信、通话等功能的 GSM
模块,可以看作一部简易的手机,是手机的核心部分,如果把单片机芯片和 GPRS
模块通过 RS232 串口连接,通过 AT 指令便可以控制 GPRS 模块实现 GSM 的通信功
能。在众多行业领域广泛使用,例如车辆的行驶数据、家庭生活中仪器水表的实
时监控、无线报警系统和个人位置的定位监测防止老人和小孩的意外走失情况发
生。GSM 模块的厂商也从国外进口到自主研发进展,我国 GSM 模块的知名厂商就
有很多家,常见有华为华为、移远通信(Quectel)、Simcom、BenQ 等,模块由
于具有更高的性价比,已经逐渐替代了国外品牌在国内市场上占据了主流的地位
[文献 19]。
基于 GSM 模块的远程控制系统的工作原理是通过 GSM 处理短信以此实现设备
的远程控制,手机发送短信或特殊指令,该短信或指令通过 GSM 网络传送给设备,
装置接收触发信号之后 , 进而读取短信并执行相应的指令操作控制不同的电器
运行。
基于 GSM 的远程家电控制系统原理图
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