基于Android平台与SMS的智能家居能量管理系统※

纪盼莹，李帅

（1.中南民族大学化学与材料学院，武汉430074；2.华中科技大学）

引 言

智能电网是电力行业比较时髦并且很有发展前景的行业，作为智能电网中非常重要的家庭用电单元，其用电智能化程度是智能电网系统中不可或缺的一环。基于Android平台与SMS技术的智能家居能量管理系统着眼于智能家居能量管理，试图把人们日常生活中的一些常用设备进行简单的改造来实现远程控制家用电器、了解家庭用电情况的功能，从而实现家居用电的智能化。

相对于总线、以太网以及电力线等有线通信方式以及WiFi、ZigBee等无线通信方式来说，基于SMS与TR24无线通信模块的方案实现起来比较简单，成本较低，而且可靠性也比较高。

1 总体设计框图

该系统可分为以下三个部分：基于Android平台的手机客户端；以STC12C5A60S2单片机为主控单元、用于实现与手机客户端以及智能插座通信的智能电表部分；以STC89C52RC单片机为主控单元，用于实现与智能电表通信并控制电器开关的智能插座部分。智能家居总体结构图如图1所示。

图1 智能家居总体结构图

其中，基于Android平台的手机客户端用于发送对智能电表的控制指令或者接收智能电表反馈回来的信息。智能电表通过SIM300模块实现与手机客户端的通信，接收来自手机客户端的控制指令，并经过处理后将此控制指令通过TR24无线传输模块发送到相关智能插座；智能电表也可以通过TR24无线传输模块接收来自智能插座反馈回来的信息，并经过处理后通过SIM300模块送至手机客户端。智能插座通过TR24无线传输模块实现和智能电表的通信，对相关电器进行控制，或对周围状况（温度等）进行监测。

2 硬件设计

2.1 智能电表总体结构

智能电表主要的作用是实现与手机客户端的远程通信以及与各个智能插座近距离无线通信。目前实现的功能只是对家用电器的控制，以后会进一步加入对家居的监测（包括温度、用电功率等），不断扩充智能电表的职能。通过SIM300模块实现与手机客户端的通信，通过TR24无线传输模块实现与智能插座的通信。智能电表的总体结构略——编者注。

2.2 智能电表电路设计

2.2.1 控制器电路设计

智能电表控制器采用STC12C5A60S2单片机，此系列单片机是宏晶科技生产的单时钟／机器周期（1T）的单片机，是高速／低功耗／超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A／D转换（250kbps）。控制器电路图如图2所示。

图2 控制器电路图（智能电表）

2.2.2 SIM300模块电路设计

SIM300模块是小体积即插即用模块中完善的四频GSM／GPRS，解决方案使用工业标准界面，这使得具备GSM／GPRS 850／900／1800／1900MHz功能的SIM300以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM300模块电路略——编者注。

2.2.3 供电、显示等电路设计

智能电表供电单元由常用的220V转9V的充电器和线性稳压器MIC29302、78M05构成，其电路图如图3所示。

图3 稳压电路图

显示屏采用Nokia 5110液晶显示屏，可以方便地显示任何英文、数字、中文和图形等信息，而且价格很便宜。电路接口如图4所示。

图4 显示屏电路图

为了能和PC机通信，以实现单片机程序的烧入等功能，采用MAX3232芯片来构成收发器，收发器电路略——编者注。

STC12C5A60S2单片机提供了两组串口，可以用单片机串口配置电路进行选择配置，此图略——编者注。

2.2.4 TR24无线收发模块电路设计

无线收发模块选用TR24，该模块频率范围为2400（1／2M可选）～2485MHz，工作电压为2.1～3.6V，可编程输出功率为－15／－5／0／5dBm，调制方式为GFSK／FSK。

TR24无线收发模块电路图略——编者注。

3 智能插座总体结构

智能插座主要的作用是实现与智能电表的近距离通信以及控制插座上各个电器的运行状况。通过TR24无线传输模块实现与智能电表的通信。智能插座的总体结构图略——编者注。

3.1 智能插座电路设计

3.1.1 控制器电路设计

智能插座控制器采用STC89C52RC单片机，此为宏晶科技推出的新一代高速／低功耗／超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟／机器周期和6时钟／机器周期可以任意选择。用户应用程序空间为8KB。控制器电路图略——编者注。

3.1.2 TR24无线收发模块电路设计

智能插座端TR24无线收发模块电路图5所示。

3.1.3 接口转换电路设计

通过PL2303芯片实现USB信号与RS232信号的转换，从而达到PC机与STC89C52RC单片机通信的目的。PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232－USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便嵌入到各种设备。该接口转换电路如图6所示。

图5 TR24无线收发模块电路图（智能插座端）

3.1.4 供电电路设计

智能插座供电电路将220V交流市电通过变压器变成交流15V，然后由二极管1N4007组成的整流桥变成直流，再由芯片78M05稳压到5V。供电电路如图7所示。

4 软件设计

4.1 智能电表控制器软件设计

智能电表控制器软件设计可分为两层：底层和上层。底层是整个软件控制系统工作的基础，主要包括LCD模块、定时器模块、SIM300模块、串口模块等的驱动。上层通过调用底层提供的接口，完成界面显示、无线通信、串口通信等功能。智能电表控制器的软件设计结构图如图8所示。其控制流程图如图9所示。

图6 PL2303接口转换电路图

图7 供电电路图

图8 智能电表控制示意图

4.2 智能插座控制器软件设计

智能插座控制器只需要检测与TR24的IRQ引脚连接的I／O口是否产生中断，然后进行相关控制。主要代码都是关于TR24驱动的，这些内容都可以在相关芯片手册上查阅得到，这里不再赘述。

4.3 手机客户端软件设计

智能手机市场中，Android操作系统占很大比例，使用人数众多。Android平台以其开放性的优势吸引了越来越多的开发者，随着用户和应用的日益增多，Android平台也渐渐走向成熟。

图9 智能电表控制流程图

4.3.1 设计概况

系统主要包含了主界面模块、数据存储模块、电器控制模块、系统设置模块、截取和处理消息包模块、短信发送模块、时间获取及显示模块共7个子模块。系统设计模块图如图10所示。

图10 系统设计模块图

主界面模块：此为软件启动后默认进入的界面，此界面可分别进入系统设置模块和电器控制模块。

系统设置模块：在此模块下可选择要控制的智能插座和电器，点击保存即可退回到主界面。

电器控制模块：在此模块下可对所选电器进行远程控制，并且可以显示所选电器目前的开关状态。

数据存储模块：采用SQLite轻型数据库，对软件各状态变量进行存储。

截取和处理消息包模块：采用广播接收的方式对消息包进行处理，利用BroadcastReceiver类及其onReceive函数，实时监测消息的到达及其内容，进而更新数据库并且调用其他相关活动。

短信发送模块：建立了相关的类和函数，通过调用安卓系统的接口函数进行短信发送工作。

时间获取及显示模块：通过调用java.util.Date Date函数来获取时间，并做一定的处理，然后显示到手机屏幕上。

4.3.2 界面展示

客户端图标如图11所示，命名为“SmartHomeSystem”，图标图片为一个给自己充电的灯泡机器人，寓意为家用电器的智能化控制。

主控界面如图12所示，可选择电器控制、系统设置两个子界面进行相关操作的设置。按home键可以使程序后台运行。

图11 客户端图标

图12 主界面

系统设置界面、电器控制界面略——编者注。

结 语

智能家居目前逐渐成为社会上的研究热点，本系统通过普及度非常高的安卓手机及家用电表实现远程电器控制的智能化，这使得这项技术能够非常简单快捷地走进千家万户。并且，本系统不需要对家用电器进行太多的改造，使得使用者能在不更换已有家用电器的情况下采用本系统，大大节省了成本。远程控制、友好的手机客户端将使用户能够非常便捷地使用本系统。

本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

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