CN203366055U - 基于手机控制的家电控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于手机控制的家电控制系统，包括无线智能网关和多个家电控制器节点，家电控制器节点分别连接在所述无线智能网关上，并包括节点Zigbee模块和与相应家电设备相匹配的红外控制器，用户手机通过Wifi网络接入无线智能网关，并发出带有相应目标节点号的手机指令，无线智能网关接收手机指令并传送给网关Zigbee模块，网关Zigbee模块解析获得手机指令中目标节点号，将手机指令转换为Zigbee指令发送给相应家电控制器节点上的节点Zigbee模块，节点Zigbee模块将Zigbee指令通过串口发送给红外控制器。本实用新型通过智能网关实现用户手机与红外控制器的无缝连接，以控制家电，具有成本低、实施简单、可扩展性强的优势。

Description

基于手机控制的家电控制系统

技术领域

本实用新型涉及家电控制系统，具体涉及基于手机控制的家电控制系统。

背景技术

在智能家居领域，各家电设备的互联与控制关键在于家电设备所能提供的接口以及各设备之间相关通讯的实现方式。国内外厂商针对智能家居领域制定了很多标准和协议，然而协议标准的制定者出于自身利益的保护，在解决方案中可能会制造障碍，限制竞争对手的设备接入，降低了各标准之间的互联兼容性。

因此，目前市场上大部分家电的遥控装置依然以红外遥控为主，不同的家电设备对应不同的遥控器，并无其它可统一控制的接口。但是，红外遥控存在以下缺点：

（1）如今一个家庭中普遍存在多个具有红外遥控功能的家电设备，众多遥控器易混淆，且存在便携性不佳、用户使用不方便的缺点；

（2）红外遥控必须对准家电，以近距离操作为宜，不具备隔墙操作和远程操作特性，用户体验差。

为克服这一问题，一些高校和公司开始着手面向红外遥控家电的智能家居专用系统的开发，如中国发明专利CN102769555A公开了一种智能家居系统，采用Zigbee网络组网，并设计了专用的控制设备，然而该系统具有较大的封闭性，且不能采用手机等移动终端对家电进行控制，一方面设备成本高，另一方面在用户体验和普及性上难以均衡；

中国发明专利CN102789218A公开了一种基于多控制器的Zigbee智能家居系统，能实现手势、语音等控制，但是都是做到专用设备上，没有充分利用目前智能手机具有丰富的加速度传感器和较为成熟的语音搜索引擎，具有资源重复开发的劣势，且成套设备造价较高，普及面窄。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有的智能家居控制系统存在可扩展性差，不便于第三方系统集成以及解决方案成本高的问题。

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种基于手机控制的家电控制系统，包括无线智能网关和多个家电控制器节点，

所述无线智能网关包括无线路由器、LAN转串口模块和网关Zigbee模块，实现Wifi通讯与Zigbee通讯的物理层数据交换；

所述家电控制器节点包括节点Zigbee模块和与相应家电设备相匹配的红外控制器，所述节点Zigbee模块通过Zigbee通信与网关Zigbee模块连接；

用户手机通过Wifi网络接入无线智能网关，并发出带有相应目标节点号的控制相应家电设备的手机指令，所述无线智能网关通过Wifi网络接收所述手机指令并经LAN转串口模块传送给所述网关Zigbee模块，所述网关Zigbee模块解析获得所述手机指令中目标节点号，根据所述目标节点号将所述手机指令转换为Zigbee指令发送给相应家电控制器节点上的节点Zigbee模块，所述节点Zigbee模块将所述Zigbee指令发送给红外控制器，以控制相应的家电设备。

在上述系统中，所述红外控制器包括MCU处理器、EEPROM、红外接收模块和红外发送模块，红外接收模块连接至MCU处理器的PCA脉宽捕捉管脚，实现红外遥控指令波形的捕捉；EEPROM通过I2C接口连接至MCU处理器，实现红外遥控指令波形的永久性存储，红外发送模块通过三极管放大电路将38KHZ调制频率及红外指令波形合成有效的红外遥控信号，实现对家电设备的控制。

在上述系统中，红外控制器的MCU模块指令完成家电控制命令后进入停机模式以节省待机功耗，所述节点Zigbee模块根据接收到的Zigbee指令发出复位信号，用于MCU处理器的停机唤醒。

在上述系统中，所述EEPROM分成256个扇区，每个扇区为512字节，对应一条红外指令的波形数据，根据MCU处理器收到的存储指令，将RAM中的波形数据存储至存储指令指定的EEPROM扇区中；MCU处理器收到转发红外遥控指令命令后，从命令中指定的EEPROM扇区中取出指令波形，通过38KHZ调制和红外发送模块发出，进而实现对相应设备的控制。

本实用新型，通过智能网关实现用户手机与红外控制器的无缝连接，实现家电遥控命令的学习、存储和转发，进而可通过手机控制相应家电，具有成本低、实施简单、可扩展性强的优势。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中Zigbee家电控制节点原理图；

图3是本实用新型中Zigbee Base处理流程图；

图4是本实用新型中Zigbee Node处理流程图；

图5是本实用新型中红外遥控器处理流程图；

图6是本实用新型中Android手机控制软件功能框架；

其中：101-Android手机；201-无线智能网关；202-无线路由器；203-LAN转串口模块；204-网关Zigbee模块Zigbee Base；301-家电控制器节点1；302-家电控制器节点2；303-家电控制器节点3；401-第一家电；402-第二家电；403-第三家电；404-第四家电；405-第M家电；501-节点Zigbee模块Zigbee Node；502-红外控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做出详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供的基于手机控制的家电控制系统主要由以下三部分组成。

1）无线智能网关201，实现Wifi-以太网-Zigbee混合通讯。无线智能网关201负责Wifi通讯与Zigbee通讯的物理层数据交换，实现用户手机（Android手机）101与多个Zigbee家电控制器节点之间的通信。

2）Zigbee家电控制器节点，实现家电红外遥控指令的学习、存储与转发功能。

Zigbee家电控制器节点可根据需要进行增减。本实施例中，假设需要控制1个客厅和2个房间的家电，则需要设置三个家电控制器节点301、302和303，对应的Zigbee Node节点号分别为0x02、0x03和0x04，智能网关201的Zigbee Base204的节点号为0x01，各Zigbee模块的射频功率调到最大，实现单跳的异步通讯。家电控制器节点的红外发射模块需朝向家电的红外接收器，且距离在5m以内，无大型物件遮挡。

3）手机101（例如采用Android手机），其安装有本系统的控制软件，作为用户控制输入和执行反馈显示设备。

无线智能网关201由无线路由器202、LAN转串口模块203和网关Zigbee模块Zigbee Base204组成，各组成部分的原理及功能描述如下：

无线路由器202具有Wifi接入功能和RJ-45LAN接口，Android手机101通过Wifi接入无线路由器202后，可与连接至同一路由器的RJ-45LAN接入设备实现双向通讯；

LAN转串口模块203具有ServerSocket功能和UART串口接口，采用NP801EIO模块实现，该模块通过RJ-45接口连接至无线路由器202的LAN口上，Android手机101连接至无线路由器后，可通过Socket连接LAN转串口模块203的ServerSocket进行通信，进而通过UART接口实现手机101与Zigbee Base204的数据交换；

Zigbee Base204由Telosb平台实现，该平台集成了CC2420Zigbee芯片和MSP430F1611单片机，采用TinyOS低功耗嵌入式操作系统，负责Zigbee Base和家电控制器节点上的Zigbee Node模块之间的通信，并转化为UART串口数据，通过LAN模块203实现与无线路由器202的数据交换，以达到智能网关201与用户手机101之间的通讯目的。Zigbee通讯在TinyOS嵌入式操作系统基础上开发，采用Low Power Duty Cycle的异步通讯机制，占空比为1%，具有低功耗优势。

无线智能网关201上的Zigbee Base204通过UART串口连接在LAN转串口模块203上，两者均采用5V供电。LAN转串口模块203通过RJ-45接口连接至无线路由器202的LAN端，LAN转串口模块203采用NP801EIO模块，可将TCP/IP协议的Socket通讯转换成串口通讯，实现无线路由器202与Zigbee Base之间的数据交换。无线路由器202为市场上主流Wifi路由器，只要具备Wifi接入和RJ-45LAN接口，均可满足本系统要求。

Zigbee家电控制节点原理如图2所示，家电控制器节点301由节点Zigbee模块Zigbee Node501和红外控制器502组成。其中Zigbee Node501与智能网关中的Zigbee Base204具有相同的结构，均采用Telosb平台，该平台的设计者为美国加州伯克利分校的研究人员，在无线传感器网络中得到广泛的应用。Telosb平台采用TinyOS操作系统，以事件触发为核心和高效的能量管理是该操作系统的特色，非常适合电池供电等应用场合。红外控制器502由MCU处理器601、EEPROM存储器602、红外接收模块603和红外发送模块604构成，其中MCU处理器采用C8051F410单片机，EEPROM采用AT24C1024芯片，红外接收模块采用HS0038，红外发送模块采用2个2N3904三级管构成的放大电路驱动红外发射管。红外控制器负责红外遥控指令的学习、存储和转发功能。

Zigbee Base的处理流程如图3所示，在TinyOS操作系统中加了三个核心监听任务：1）串口数据接收；2）射频数据接收；3）看门狗超时。串口数据接收负责监听LAN转串口模块203的数据，当用户手机101发出手机指令后，经无线路由器202的RJ-45接口传到LAN转串口模块203，由LAN转串口模块203的串口TX线发送至Zigbee Base的RX端，TinyOS采用UartStream接口接收数据，并判断指令结束符，收到完整手机指令后，进入解析阶段，解析手机指令中的目标节点号，并根据目标节点号将手机指令通过射频模块发送给相应的Zigbee家电控制器节点。射频数据收发通过TinyOS提供的LowPowListening接口，该接口专门针对DutyCycle的异步通信，使得射频侦听在大部分时间处于休眠状态，降低了平均侦听电流。在正常模式下，射频侦听需消耗20mA左右的电流，采用该技术后（DutyCycle设置值为100），其平均消耗电流小于1mA，并且通讯延迟不超过1s。所接收的射频数据通过UART接口的TX线转发给LAN转串口模块203。看门狗超时是防止系统受到干扰后的意外死机，当未在规定时间内给看门狗定时器清0，则看门狗复位，重新启动系统。

Zigbee Node的处理流程如图4所示，当Zigbee Node成功接收到射频数据包后，复位唤醒红外控制器MCU处理器601，再通过UART串口的TX线将指令转发给控制器MCU处理器601，控制器执行完指令后，MCU处理器601通过串口发送反馈信息给Zigbee Node，Zigbee模块在UART串口RX线上成功收到反馈信息后通过LowPowListening射频接口向Zigbee Base204转发数据，进而由智能网关201将数据反馈给用户手机101。Zigbee Node同样具备看门狗监听功能，以防止意外死机。

红外控制器502的处理流程如图5所示，该控制器具有两种复位模式：上电复位和Zigbee复位。红外控制器502采用电池供电，为了最大限度地降低红外控制器的功耗，MCU处理器601执行完任务后，处于停机模式，需要RST#硬件复位才能唤醒。当Zigbee Node接收到智能网关201发送的Zigbee指令后，对MCU处理器601产生RST#复位，从而唤醒MCU处理器601进入串口侦听，接收Zigbee Node转发的命令，将RX数据存入指令缓冲，当检测到命令结束符后，从缓冲中取出整条指令，解析并执行相应的指令，执行完毕后，通过串口发送反馈信息给Zigbee Node，进而由Zigbee Node和智能网关将执行状态反馈给用户手机101。MCU处理器执行完命令后，重新置为停机模式，以最大限度降低功耗。

为了使得红外控制器节点处于更低的能耗，本实用新型从以下方面进行能量优化：MCU处理器601主频降至3.06MHZ，并由主频经80分频，产生38KHZ频率，作为红外发送模块604的调制波；UART波特率降至9600bps，在满足实际系统的信息传输实时需求的同时降低波特率时钟功耗；单片机执行完指令后进入停机模式，以最大限度降低功耗，并且能由Zigbee复位唤醒，接收串口数据并执行相应指令。红外控制器的遥控指令学习、存储和转发通过以下方式实现：红外接收模块603连接至MCU处理器601的PCA脉宽捕捉管脚，实现红外遥控指令波形的捕捉；EEPROM602通过I2C接口连接至MCU处理器601，实现红外遥控指令波形的永久性存储，本控制器通过WP#管脚控制EEPROM写保护功能，以防止所存储的数据被意外写入；红外发送模块604通过2N3904三极管放大电路，将38KHZ调制频率及红外指令波形合成有效的红外遥控信号，实现家电的控制。当单片机收到红外学习命令后，开启PCA脉宽捕捉，实现红外接收模块高低电平持续时间和电平类型的记录。当前主流家电的红外遥控指令主要分为重复型红外波形（如电视遥控器等）和单次型红外波形（如空调遥控器等），对于重复型红外波形，接收模块会收到2次以上的相同波形；对于单次型波形，则家电遥控发送完一个完整指令波形后不再重复发送。为了提高指令学习的兼容性，本控制器采用512字节RAM记录波形，并将电平持续时间超出87ms作为结束电平，当检测到结束电平时，提前结束波形记录；当未检测到结束波形，则记录至512个字节作为指令波形，从而实现单次型波形和重复型波形的记录。本控制器将128KB的EEPROM602分成256个扇区，每个扇区为512字节，对应一条红外指令的波形数据，当MCU处理器601收到指令存储命令后，将RAM中的波形数据存储至存储指令指定的EEPROM602扇区中。MCU处理器601收到转发红外遥控指令命令后，从命令中指定的EEPROM602扇区中取出指令波形，通过38KHZ调制和红外发送模块的放大电路实现红外遥控指令的转发，进而实现相应电器的控制。

为了提高红外控制器的可扩展性和可维护性，本实用新型设计了简洁的指令系统，通过固定格式的指令实现红外遥控的学习、存储和转发功能。本系统设计的指令借鉴了AT指令系统，设计了3种指令格式，每条指令包含操作类型、控制器节点号，指令格式2和格式3还包括扇区号，具体格式如下：

（指令格式1）AA.CC!

（指令格式2）AA.BB1.CC!

（指令格式3）AA.BB1.BB2.CC!

其中”!”为指令结束码，便于RX接收数据时对指令结束的判断；AA为操作码，由2个字节组成；BB1和BB2为地址码，每个地址码均由2个字节组成，表示范围为“00”-“FF”的十六进制数，构成0～255共256个EEPROM扇区号；CC为Zigbee节点号，由2个字节组成。本指令系统若采用二进制编码，能进一步缩短指令，但我们考虑到该网关和控制节点具有供第三方使用的便捷性，指令系统采用ASCII编码，虽然增加了指令编码长度，但具有良好的可阅读性和可调试性优势。

目前系统操作码AA主要有以下几种：

1）“ll”，由英文单词Learn转变过来，表示学习红外遥控指令，该指令为0地址指令，即指令格式1；

2）“st”，由英文单词Storage转变过来，表示存储所学的红外指令，该指令为1地址指令，即指令格式2；

3）“sc”，由英文单词Send Code转变过来，表示发送红外指令，为1地址指令，即指令格式2；

4）“cc”，由英文单词Combo Code转变过来，表示发送组合指令，为2地址指令，即指令格式3。

手机端控制软件采用基于Android系统的应用软件开发，通过Socket连接智能网关201的LAN转串口模块203，所有的红外遥控学习、存储、转发功能采用本实用新型设计的指令系统实现。软件界面支持用户增删家电按钮，并采用Sqlite数据库管理按钮和按钮对应的指令功能。

用户端为Android手机101，安装本实用新型所开发的控制软件，即可实现家电的遥控指令学习、存储和转发功能，达到家电遥控器的管理和家电的控制目的。控制软件功能框架如图6所示，主要包括8个功能界面:主界面、背景设置界面、定时设置界面、设备管理界面、信息反馈界面、图标选择界面、模板布局设置界面和其他设置界面。各个界面包含的功能如下：

（1）主界面：在此界面中包括三项功能（空间管理、模板管理和按键管理），且每个功能下又包含多个子功能。空间管理实现用户对已添加的空间地点进行编辑（重命名）、删除和使用操作；模板管理实现用户对保存后的模板进行编辑（重命名）、删除和使用操作；按键管理实现用对当前所选空间中设备上的按键进行学习指令、更改图标、更改名称和删除操作。

（2）背景设置界面：实现用户可根据个人需要设置不同的主题背景色。

（3）定时设置界面：此界面包括任务编辑，时间、频率设置和执行事件设置三项功能，通过设置实现对电器设备的定时控制。

（4）设备管理界面：此界面包括添加、删除设备，设置节点，更改图标和更改名称四项功能。在当前所选空间下，用户可根据需要添加或删除设备，并可对不同设备设置不同的节点号、图标和名称，以方便使用和管理。

（5）信息反馈界面：此界面的设置主要是为用户提供一种反馈使用信息的途径。

（6）图标选择界面：此界面提供给用户一些常用的电器设备图标和按键图标，更好地实现用户对界面自定义美化。

（7）模板布局设置界面：此界面包含编辑、保存和使用三项功能，编辑功能实现用户根据个人习惯对按键布局的自主定制；保存功能实现对用户自主定制的遥控模板进行存储，以方便多次使用；使用功能实现用户对当前选择的电器设备使用所选遥控模板，此项操作简化了用户再次添加设备时进行按键添加的操作。

（8）其他设置界面：此界面提供了是否允许短信控制、是否允许语音控制和是否允许摇动控制三种扩展功能，给用户提供了更多操作方式，用户可根据需要进行设置。

本实用新型的具体应用如下：

假设要对ID号为0x02的家电控制器节点所控制的机顶盒进行“1频道”按钮的遥控学习、存储和控制功能，可由如下步骤完成：

Step1：将用户手机101的Wifi打开，连接至无线路由器202，打开本实用新型所开发的家电控制软件，通过Socket连接LAN转串口模块203。

Step2：利用用户手机101通过屏幕按钮发送指令“ll.02！”，或者通过摇动手机启动语音输入功能和Google的语音识别API识别按钮所设置的命令实现“ll.02！”指令的发送，或者接收指定号码并包含相应命令的短信实现“ll.02！”指令的发送；“ll.02！”指令字符串通过Wifi传送到LAN转串口模块203，进而由UART传送至Zigbee Base204；Zigbee Base监听到串口数据后，从命令中解析出目标节点号0x02，通过射频将剥离目标节点号后的命令“ll!”发送至ID为0x02的Zigbee Node；Zigbee Node通过射频监听收到完整命令后，将RST#置低电平100ms，对MCU处理器601硬件复位；红外控制器MCU处理器601从停机模式中复位，初始化硬件资源后，进入UART监听模式；Zigbee Node通过UART将“ll!”发送给MCU处理器601，MCU接收到完整命令后进行指令解析，开启PCA捕捉红外遥控接收模块603；用户将机顶盒遥控器对准红外接收模块，按下1频道；MCU捕捉并将波形存储于RAM中，学习完毕将反馈信息通过Zigbee Node和智能网关发送给用户手机；MCU置于停机模式，以降低系统功耗（内存中的红外遥控波形数据依然保留，不会丢失）。

Step3：通过用户手机101发送指令“st.24.02!”，则家电控制器节点1的Zigbee Node收到指令后，再次唤醒控制器MCU处理器601；MCU成功解析指令后，将WP#置1，解除EEPROM写保护，将RAM中的波形数据通过I2C接口写入到扇区为“24”的EEPROM602中，扇区与实际首地址的换算为扇区号×512；MCU将波形数据写入EEPROM完毕后，将WP#置0，启动写保护，并发送反馈信息给用户手机；MCU发送完反馈信息后，重新置回停机模式。

Step4：用户通过手机101发送“sc.24.02!”，控制器执行指令时，从EEPROM602的“24”扇区中取出指令波形（即从首地址为24×512的EEPROM中连续取出512字节数据），并通过38KHZ调制和三极管放大，将红外波形数据通过红外发射模块604发出红外信号，该红外信号与机顶盒遥控器1频道所发信号一致，从而实现机顶盒“1频道”的控制。

假设机顶盒的“12”频道对应电视“中央6台”，控制器将机顶盒遥控“1”按键波形存储于扇区“24”，遥控“2”按键存储于扇区“25”中，则通过发送“cc.24.25.02!”即可实现一键切换到“中央6台”。本实用新型的控制器支持组合键，可实现电视节目的快速切换，提供了传统遥控器无法超越的功能。

本实用新型的有益效果是：通过Wifi-以太网-Zigbee智能网关实现用户端手机与红外控制器的无缝连接，使得用户可通过手机向红外控制器发送红外遥控学习、存储和转发命令，以达到管理遥控器指令和控制家电的目的。本实用新型支持多个Zigbee家电控制器节点的无线组网，采用LowPower Duty Cycle的异步通讯机制，具有组网灵活，待机功耗低的优势，可实现多房间不同方位家电的集中控制。对于一个智能网关+3个Zigbee家电控制器节点的系统，成本可控制在1000元以内，在实施上无需专门的有线通讯布线，具有成本低、实施简单、可扩展性强的优势；在使用上，可通过Android手机连接智能网关控制具有红外遥控接口的家电，无需额外的人机界面，既能保证良好的用户体验效果，又能最大限度地降低了用户的使用成本。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于手机控制的家电控制系统，其特征在于，包括：

无线智能网关，包括无线路由器、LAN转串口模块和网关Zigbee模块，实现Wifi通讯与Zigbee通讯的物理层数据交换；

多个家电控制器节点，每个所述家电控制器节点包括节点Zigbee模块和与相应家电设备相匹配的红外控制器，所述节点Zigbee模块通过Zigbee通信与网关Zigbee模块连接；

用户手机通过Wifi网络接入无线智能网关，并发出带有相应目标节点号的控制相应家电设备的手机指令，所述无线智能网关通过Wifi网络接收所述手机指令并经LAN转串口模块传送给所述网关Zigbee模块，所述网关Zigbee模块解析获得所述手机指令中目标节点号，根据所述目标节点号将所述手机指令转换为Zigbee指令发送给相应家电控制器节点上的节点Zigbee模块，所述节点Zigbee模块将所述Zigbee指令发送给红外控制器，以控制相应的家电设备。

2.如权利要求1所述的家电控制系统，其特征在于，所述红外控制器包括MCU处理器、EEPROM、红外接收模块和红外发送模块，红外接收模块连接至MCU处理器的PCA脉宽捕捉管脚，实现红外遥控指令波形的捕捉；EEPROM通过I2C接口连接至MCU处理器，实现红外遥控指令波形的永久性存储，红外发送模块通过三极管放大电路将38KHZ调制频率及红外指令波形合成有效的红外遥控信号，实现对家电设备的控制。

3.如权利要求2所述的家电控制系统，其特征在于，红外控制器的MCU处理器执行完家电控制指令后，进入停机模式以节省待机功耗，所述节点Zigbee模块根据接收到的Zigbee指令发出复位信号用于MCU处理器的停机唤醒。

4.如权利要求2所述的家电控制系统，其特征在于，所述EEPROM分成256个扇区，每个扇区为512字节，对应一条红外指令的波形数据，根据MCU处理器收到的存储指令，将RAM中的波形数据存储至存储指令指定的EEPROM扇区中；根据MCU处理器收到转发红外遥控指令命令后，从命令中指定的EEPROM扇区中取出指令波形，通过38KHZ调制和红外发送模块发出，进而实现对相应设备的控制。

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