遠程智能家電控制系統設計與實現

2021-01-06 電子發燒友
遠程智能家電控制系統設計與實現

汪剛 張福斌 陳宇 發表於 2015-01-15 18:10:28

　　O 引言

　　計算機網絡、通信和控制技術的發展使家電的集中和遠程智能控制成為可能，將信息技術和家電技術相融合，在更大程度上實現家庭生活的信息化和智能化，滿足人們舒適、高節奏的生活需要。使所有的消費電子類產品具備連入網絡的能力，這也是家用電器未來的發展趨勢。

　　目前對智能家電領域研究有電話/手機網絡的遠程控制，基於網際網路的智能家電軟體設計等。但一般家電智能控制存在成本高、可靠性差，系統設計冗餘等缺點。本文針對以上問題，提出了基於網絡技術、CAN總線技術，如和ZigBee無線技術c43的控制系統設計，著重解決了ZigBee無線和網絡傳輸數據的，設計了一種簡單、低成本硬體設計方案，並在實驗室搭建了試驗平臺，驗證了控制效果。

　　1 遠程智能家電控制系統的基本組成

　　在達到性能指標要求的情況下，為了儘可能地降低成本，整個系統儘可能使用常用家電設備，以使系統簡單、易操作和低成本。控制系統分為：

　　a．遠程控制端。包括個人手機和個人電腦的遠程控制。

　　b．集中控制端。包括家用電腦和RS232一CAN轉接口。

　　c．家電控制端。包括ZigBee無線控制和CAN總線的有線控制。用戶可使用遠程控制端發送控制指令，控制指令通過網際網路到集中控制端的家用電腦，再由家用電腦把指令發送到所需控制的家電終端，例如冰箱、空調和電飯煲等。同時家用電腦作為集中控制的主機，實時給遠程控制終端返回家電的運行狀態，供用戶遠程控制查詢。

　　2 遠程智能家電控制系統的設計實現

　　系統設計實現主要包括：遠程控制端、遠程控制的網絡編程實現、集中控制端的控制軟體實現和家電控制端的控制電路實現。本文以家用電器常用的電飯煲為例，介紹系統的實現方法。用戶的控制界面顯示電飯煲相關控制信息，例如開機、關機、保溫和調溫等控制功能。首先，用戶依據遠程控制界查詢到的電飯煲當前工作狀態，例如關機，以確定所需要的操作，如開機。此時遠程控制端的PC機通過網際網路路由器發送電飯煲的開機指令，在集中控制端的控制軟體監聽到網絡發來的開機指令，然後把指令發送到電飯煲的控制電路，最後由控制電路實現控制操作。同樣，電飯煲的反饋溫度等運行狀態信息也可通過遠程控制端實時查詢。

　　3 遠程智能家電控制系統的硬體設計

　　遠程智能家電控制的硬體系統主要是家電的控制電路。它由供電模塊、控制模塊、通信模塊、傳感器和開關電路組成。其中供電模塊採用北京明鑫公司的MXA（S）2．5S5NI，控制模塊採用At—megal6AL單片機，CAN通信模塊採用MCP2515為CAN控制器，高速光偶6N137作為隔離電路，PCA82C250T作為CAN接口控制器，採用MAX232作為RS232串口的通信晶片。硬體實現原理框圖如圖1所示。

　　家電控制電路設計儘可能地簡單、可靠、低成本並具有可擴展性。控制電路總計由3個集成塊組成，結構簡單，功能成熟可靠，易維護。整個電路成本低（如表1所示），單個控制電路零售成本=集成塊價格+電阻電容價格十製版費，小於25元。At-megal6集成4組I/O口，還有16路預留，可實現功能擴展。

　　3．1 家電控制電路的供電模塊

　　由於家用電源為220 V交流，系統供電模塊要求把220 V家用交流電轉換為5 V直流供電電源，本文採用AC—DC電源模塊MXA（S）2．5S5N具有低輸出噪聲，165～265VAC寬輸入電壓範圍，輸入對輸出電壓隔離等特性，以上特性達到系統供電要求。

　　3．2家電控制電路的控制模塊

　　考慮到控制功能的實現和系統成本，採用At—megal6單片機作為控制微處理中心。Atmega接收到遠程控制端的控制指令信息，通過其數字I/O口輸出電平高低變化，控制開關電路的繼電器的功能切換，實現遠程開機、關機和調溫等狀態的切換控制。Atmegal6單片機亦能夠實時地把電飯煲溫度數據實時採集並判斷電飯煲運行狀態是否正常，若溫度異常，向遠程控制端發送報警信息，確保電飯煲能夠平穩、安全地達到需要加熱溫度。

　　3．3家電控制電路的通信模塊

　　ZigBee模塊具有低成本，低功耗特點。總線是一種有效的支持分布式控制的串行通信網絡，它具有多主站依據優先權進行總線訪問、無破壞性的基於優先權的仲裁和節點配置靈活的特點。設計實現框圖如圖2所示。

　　4 遠程智能家電控制系統的軟體設計

　　系統軟體如何對家電實時、準確遠程控制與通信是本文關鍵技術之一，本文基於TCP/IP協議，軟體採用Winsock開發C/S程序。即遠程控制端向集中控制端伺服器提出請求，伺服器接收到遠程請求後，提供相應的控制服務。

　　4．1 系統軟體設計與實現

　　遠程控制端開發了客戶服務程序，它可以顯示電飯煲的控制信息和運行狀態，並以預定的頻率刷新信息。在集中控制端開發了服務程序，當有控制請求時，必須讓伺服器程序自動觸發，此伺服器定時向客戶發送進程更新。例如，要監控電飯煲5個狀態，就需要5個遠程服務進程。這些進程周期地發送進程更新。如圖3所示，軟體採用流式套接字（SOCK—STREAM）編程，實現了面向連接、可靠的數據傳輸服務，數據無差錯，無重複的發送，且按順序接收。保證了控制信號的實時性和準確性。

　　家電反饋信息主要包括家電運行狀態和數據錯誤的報警。電飯煲的加熱溫度可用溫度傳感器實時測量返回，返回的溫度數據可在遠程控制端上進行查詢，為用戶下一步操作提供參考。

　　4．2遠程控制端用戶界面設計與實現

　　遠程控制端用戶界面包括控制信息記錄，控制家電目錄，伺服器IP位址127．0．0．1，服務6000，連接伺服器。信息記錄界面顯示家電控制令發送、家電運行狀態和報警信息等，控制家電目錄可對控制對象。界面採用MFC AppWizar個基於MFC的單文檔界面（SDI）實現。建戶界面如圖4所示。

　　遠程控制實驗中，電飯煲加熱溫度變化曲線如圖5所示。

　　5 結束語

　　以電飯煲為例，給出了一種基於Internet程家電控制系統，闡述了系統設計方案，詳細介紹了遠程家電控制過程、系統硬體實用性和遠程控制的實現方法。遠程控制發送開機命令後，由遠程控制端記錄的電飯煲加熱溫度數據曲線。試驗結果表明：該系統能夠很好地對電飯煲實現遠程控制，電飯煲的運行狀態也能實時地遠程查詢，系統易於操作、性能穩定。

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