智能家居--WIFI远控系统（开关）项目科研结项报告.docx

信息工程学院学生科研项目结 项 材 料项目名称：智能家居-WIFI远控系统（开关）项目编号：主 持 人: 周陆洲指导教师：李国朝（教授） 王晓涓二一四年十一月目录一、项目简介3二、研究的创新之处4三、项目背景、现状分析、研究目的与意义51.项目背景52.现状分析53.研究的目的和意义6四、项目的主要功能71、项目的基本科学原理72、项目的主要功能83、项目的性能指标数据及关键性数据84、优势和特点95、项目技术实现的具体方法106、成果状态及未来假想图10五、项目理论研究和探索122.串口转接板(选配)153.无线适配器(选配)154.原理图研究175.连接相关研究176.通过WIFI连接18六、项目研究的主要成果22七、问题及思考23八、参考文献24一、项目简介首先，智能生活是未来科技发展的一个趋势，我们的项目要做得的就是关于智能生活的，我们的产品符合时代发展的必然潮流。其次，在国内智能家居几乎是个空白，所以我们的产品在国内的市场非常巨大！不管是普通百姓，还是学校、各大商场，对我们的产品都存在潜在的需求。远控开关可以极大的方便人们的生活，革命性的改变人们的生活方式，是现代人亟需的一款产品。简单的说，我们的项目就是设计制作一个WIFI可远控开关，就是通过手机App或者电脑的Wifi信号来控制的开关。可以通过自己设计的App，利用每款手机都有的wifi功能来发射控制信号，当信号被开关上的wifi信号接收器接收到之后，马上通过继电器控制打开或者中断电路，然后遥控开关将对控制端命令的处理情况反馈给控制端，从而实现用手机遥控并能查看用电设备工作状态的目的 。从技术上说，现在的智能手机都具备WIFI无线功能，以手机作为控制的载体，不仅能使用户使用起来更加的方便，而且节俭了控制端的研发和制作成本；控制原理上，我们通过WIFI实现无线遥控的目的，WIFI相关的技术，现在应用非常的广泛，这使我们的产品可以拥有更多的扩展性，跟进未来科技的发展。我们的项目，主要研究内容包括软件和硬件两部分。软件上，我们需要一个手机控制端的APP来实现控制功能，并存储相关的配置参数等信息；硬件上，主要是寻找合适的WIFI接收器，实现WIFI转串口和控制器的通信、继电器对电路的控制、以及相关的电路。二、研究的创新之处A、智能手机和智能生活的结合。21世纪，智能生活是人类科技发展必然的趋势和潮流，随着生活水平的提高，居家日益繁多的家用电器和繁杂的操控给生活带来不便。我们研究的项目就是把对电器的操控完全放到人手一部的智能手机中，方便生活 ！B、技术上采用WIFI转串口芯片实现手机信号和控制信号的转换。我们通过WIFI转串口芯片实现把手机和控制器连接起来，实现通信，这样做的好处是，无需采用新的通信技术，直接使用手机内置的WIFI技术，并且可以利用WIFI信号相比蓝牙技术可以远距离传输的好处！最重要的是今后改进设计的时候可以通过WIFI技术直接把开关联网，通过互联网控制！三、项目背景、现状分析、研究目的与意义1.项目背景目前在该领域中已经有数家智能家居的公司企业，但是安装一套动辄就要数万元，对于普通的家庭来说，根本就没有经济能力体验科技带来的便捷。对于该项目未来的发展趋势，有文件指出，在十二五期间智能家居产值将达千亿元规模，政府对智能生活也有扶植，近些年，智能家居也在不断的升温，智能家居就是人类未来生活的一个趋势。我们要做的产品，优势在于价格低廉，是面向广大普通消费者的产品，安装简单，无需整体的布线、装配，随买随用，简单方便。家家都能用得到，人人都能买得起！2.现状分析就目前国内现状来看，智能家居作为一个新生产业，处于一个导入期与成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。从国外来看，在一些发达国家和富豪家庭已经普及，也在渐渐渗透到普通家庭。因而，智能家居有很大的商业发展潜能。我们的研究正是朝向这个方向，当然，我们现在的研究仅仅是一个小小的起步，研发一个智能开关。如果该项目成功立项，随着我们知识与技能的提升，我们也将继续朝这个方向发展、努力。尽可能的实现其使用价值和商业价值。3.研究的目的和意义随着科技的进步，人们生活水平的提升，人们开始寻求更加便捷的生活方式。智能家居是人类未来智能化生活必不可少的组成部分，也是时代发展的必然趋势和潮流。我们的科研项目“WIFI远控系统（开关）”属于初级的智能家居，是开启我国中小城市甚至农村智能生活的一个尝试。我们想做的产品是个神奇的开关，一个可以通过你手中的手机远程遥控通断电的开关，这样，不管你在你家的那个角落，只要你拿出你的手机或者pad就可以掌控你家各种电器的开闭，真正实现“一机在手，掌控全有”，很大程度的方便人们的居家生活，使智能化的生活方式真正进入寻常的百姓家！四、项目的主要功能我们的项目，主要完成的功能是，通过一款手机上的APP应用无线控制插座的通断电，进而控制各种家用电器！1、项目的基本科学原理我们的项目以wifi无线信号的发射和接收为根据，利用智能手机或者pad上的wifi网络功能，实现对开关的远程控制。具体来讲就是，在手机上安装我们开发的一款app，当需要打开家里某个房间的灯时，只需打开手机app，开启wifi，app将自动识别并连接到远控开关的硬件控制器上，建立通信，这时点击app上的按钮，手机app将会通过wifi无线网络向硬件控制器上发射一个特定的字符串，控制器接收到命令信号并分析判断信号的类型，同时控制与之相连接的继电器做出不同的反应（断开或者闭合某个电路），当命令在硬件控制器上执行成功的时候，控制器会给手机app一个回馈，即命令执行成功或者失败的报告，手机app接收到回馈之后更改目标房间里电灯当前的状态。我们的项目，主要需要手机app或者pad上应用的开发，和硬件的wifi接收模块等。手机app的开发，在软件市场上已经非常成熟，不必多言。同时我们团队具备这方面的人才，具备开发手机应用的技术；wifi接收模块我们也可以在市场上廉价购得，通过对接收模块与各个元器件的拼接，就组成了我们需要的硬件部分，然后给硬件写入处理不同命令的程序，就能够实现接收手机命令信号处理判断做出反应的目的。这在技术上，是完全可以实现的。当公司达到一定规模的时候，我们就可以自行根据自己的需要设计wifi接收模块的电路，自行印刷电路板，降低成本。2、项目的主要功能我们项目的主要目的就是打造人们更加智能化的生活，引领人们更加方便快捷的生活方式。产品的目标人群是那些中低收入的家庭，让普通的人们也有机会体验科技给生活带来的便捷。对普通家庭来说，每个家庭都可以安装多个我们的产品或者用一个来控制多个开关，当冬天天气比较冷的时候，直接在床上就可以开灯，打开电饭锅电磁炉做饭；对于机关工厂来说，有时候需要同时打开或者关闭多个电源，这就需要去不同的地方来操作，但是如果用了我们的产品，你只需打开手机轻轻的敲击几下即可完成。我们的项目是为了方便大众的生活，让更多的人去体验到科技给生活带来的便捷。3、项目的性能指标数据及关键性数据技术指标：Awifi信号接收器的控制范围：我们采用TLN13UA06 串口wifi模块，具备超强的传输能力，无障碍的传输距离达450m，穿墙的传输距离也有50m，可以保证用户的基本需要。B信号的接收率：我们的设计，当硬件控制模块接收到控制命令的时候会给app一个反馈，当app收不到反馈的时候就会自动重新发送，直到信号被准确接收为止，因此可以认为信号的接收率为100%。CApp对硬件控制器的识别：app发送信号的时候，控制信号中就包含有相应硬件的识别码，这个识别码是唯一确定的，独一无二的，只有被写入特定识别码的控制器才会执行特定的命令，因此，app对控制器的识别是绝对的，安全的。D控制器对信号的接收和判断：信号在传输的过程中可能会丢失部分数据造成数据的不完整，但是我们会用一种特殊的编码来编码控制命令，提升控制命令的容错率，即使控制器接收到的控制命令有部分的错误，一样可以正确的做出判断。关键技术指标：硬件控制器接收信号并做出正确的判断4、优势和特点市场上，现在我国已有的智能家居公司都是面向高消费的少数人群，而我们的产品主要是面向中低消费水平的普通大众，在这一市场上智能家居几乎是个空白，我们公司的潜在客户巨大，因此有望在激烈的市场竞争的角逐中脱颖而出；价格上，相比市场上动辄数万元的智能家居解决方案，我们的远控开关价格会控制在200元以内，非常亲民，有利于推广和普及；技术上，我们采用传输能力比较强并且每个手机都支持的wifi信号作为控制命令的传输方式，可以实现远距离的遥控，弥补了蓝牙在这方面的不足，另外利用wifi网络有利于我们公司未来研发通过互联网控制的智能开关，实现物联网。5、项目技术实现的具体方法A、开发一款可以与wifi接收模块硬件设备配对连接通信的手机app，我们团队具备软件开发的能力。B、用wifi接收模块、单片机、继电器、转换器、译码器等元件设计出可接收和发送wifi信号的接收模块。C、编程控制接收处理来自app端的控制命令，实现控制继电器开闭的目的，并烧录入单片机中。D、软硬件的配对，我们会给每一个硬件分配一个唯一标示的字符串，app索引到硬件设备的时候需要正确的填写硬件设备的标识码才能与之配对（标识码附在硬件设备包装上）。E、改造开关，将普通开关通过按钮控制的电路变成通过控制器上继电器控制的电路。6、成果状态及未来假想图成果状态：控制电路原理图需要的元件：Wifi信号接收器可编程的单片机一个220V继电器若干电路焊接设备若干检测装置未来设想：未来产品假想图公司创建初期我们主打上述的开关，等技术成熟之后，我们要将我们的智能开关接入互联网，实现通过网络控制，同时我们还会启动其它的研发项目，实现不光能够远程控制电路通断，还可以控制如空调、电视机、音乐、灯光等家电设备，利用wifi信号传输信息量大的特点，还可以实现远程监控，实时的监控自己家中的一切，真正实现智能家居。五、项目理论研究和探索在实现项目的过程中我们进行了很多的理论研究与探索。首先对TLN13UA06 模块进行研究和学习。1.TLN13UA06 模块介绍： TLN13UA06 是远嘉科技推出的全新的第三代嵌入式 UART-WiFi 模块产品。 UART-WiFi 是基于 UART 接口的符合 WiFi 无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11 协议栈以及 TCP/IP 协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。通过UART-WiFi 模块，传统的串口设备也能轻松接入无线网络。 全面更优的串口透明数据传输模式，真正实 现串口的即插即用 更小的功耗：430mW (typical) 更小的尺寸：20mm37mm 提供服务器软件、手机 APP 应用软件设计定 制服务，应用软件平台可灵活可选。产品特性 接口双排插针式接口：HDR254M-2X4支持波特率范围：1200115200bps支持硬件 RTS/CTS 流控单 3.3V 供电无线 支持 IEEE802.11b/g/i 无线标准 支持两种无线网络类型： 基础网（Infra）和自组网（Ad-hoc ） 支持软 AP，最多支持 4 个 STA 连接 支持多种安全认证机制： OPEN/WEP64/WEP128、TKIP/CCMP(AES) OPEN/WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK 支持快速联网 （指定信道与 BSSID） 支持无线漫游 支持协议节能（PS-POLL 方式） 支持网络不存在时自动创建其它 支持多种网络协议： TCP/UDP/ARP/ICMP/DHCP/DNS/HTTP 支持 DHCP Server、DNS Server 支持自动和命令两种工作模式 支持串口透明传输模式 支持 AT+控制指令集 支持多种参数配置方式： 串口/WEB 服务器/无线配置卡 内置友好的 Web 配置页面 通过 CE / FCC / WiFi / ROSH 认证TLN13UA06硬件尺寸如下图所示：LED指示灯说明：电源指示灯。：Link指示灯。在WIFI未联网的情况下为低频率闪烁，在WIFI联网情况下为高频率闪烁2.串口转接板(选配)通过串口转接板，可将本产品与PC端的串口建立数据连接。使用我们提供的配置管理程序，可方便快捷的对产品参数设置进行配置，或进行功能调试测试3.无线适配器(选配)使用无线适配器（无线网卡），可实现通过WIFI对本产品进行参数配置。用于无串口转接板的情况下，使本产品与PC端进行连接配置。另外没使用无线适配器，还可以实现对本产品的参数进行批量修改的功能。软件启动模式选择介绍网络拓扑WiFi无线网络包括两种拓扑形式：基础网（Infra）和自组网（Ad-hoc），要说明无线网络的拓扑形式，首先了解两个基本概念：AP：即无线接入点，是一个无线网络的创建端，也是网络的中心节点。我们家庭或办公司使用的无线路由器就是一个AP，其他无线终端可通过AP相互连接。STA：即无线站点，是一个无线网络的终端。如笔记本，手机及其他可无线上网的设备。4.原理图研究5.连接相关研究通过串口连接将模块插到串口转接板，连接串口延长线至电脑串口端，连接5V直流电源给转接板供电。打开“UART-WIFI配置管理程序”，在“串口连接”中选择电脑使用的COM口，“设置”中确认波特率为“9600”、数据位“8”、效验位“无效验”、停止位“1”。点击“搜索模块”。如提示“串口被占用”，点击“退出透传模式”按钮或检查串口正常后再尝试。搜索模块成功后，软件将会显示模块当前配置参数信息6.通过WIFI连接 通过WIIF可连接多个模块，从而实现快速对模块批量操作。但使用本功能需要无线网卡并正确安装模块无线驱动程序，且同时对多个模块上电使其工作。 无线网卡工作正常后，安装模块无线驱动程序，在电脑网络配置器可看到“UART-WIFIDevice” 启动“UART-WIFI配置管理程序”，如果驱动安装成功，“无线连接”区域将处于激活状态。 点击“设置”按钮，输入系统密码（只有系统登录密码匹配的模块才会被扫描到）。 选择扫描信道，如果选择字段，将扫描所有信道，搜索模块时可能花费较长的搜索时间。 点击“搜索模块”按钮。将显示所有被扫描到的模块。设备控制端原理图 无线虚拟串口连接示意图 进过前面的层层研究，我们做了进一步探索的探索多网络连接模式 如图所示的一个基于本模块的多网络连接功能的网络拓扑结构图，此系统并不针对某种特定的应用，也不具有实用性，而仅作为一个模拟系统来用于功能说明。上述系统的设备控制端模块工作在命令模式，由用户通过输入AT+指令来控制其同时建立了四个TCP连接，包括2个Client和2个Server。而每个Server又有若干Client（即设备）接入。通过不同的ocket连接，设备控制端可以与图中所示的所有设备及服务器进行通信。 软AP模式如图所示为一个本模块作为AP时的网络拓扑结构图，此系统并不针对某种特定的应用，也不具有实用性，而仅作为一个模拟系统来用于功能说明。当本模块工作在AP模式时，最多可接入4个智能终端，终端的IP地址可通过本模块所提供的DHCPServer模块进行动态分配，也可静态设置，本模块DHCPServer所分配的IP地址租期统一为2小时，智能终端要定时的进行续约，智能终端和本模块建立无线连接后即可进行用户数据的通信，本模块工作在AP模式下时，用户数据通信方式同STA模式下，详见上文。此外，本模块工作在AP模式时，将自动使能AP模式DNSServer对本模块的域名进行解析，网卡域名可通过参数配置，例如，若模块域名为“”时，智能终端通过浏览器键入：http：/访本模块配置网页。六、项目研究的主要成果由于我们的科研项目涉及APP端的控制和WIFI信号的接收和控制，所以我们的研究成果主要包括APP软件的开发和硬件产品的研究与设计。在APP上，由于刚刚接触安卓开发，我们从没有接触过真正的安卓项目开发，所以软件的UI设计比较丑陋，功能相对比较简单，但是完全可以实现控制WIFI开关的功能，虽然软件看起来简单了点，但是涉及了手机网络的扫描连接，TCP、UDP通信协议等的问题，实际上小小的软件实现起来并不容易，最终我们咨询系里安卓课程老师、泡各种论坛，实现了UDP发送数据给WIFI接收器。在硬件方面，我们通过查阅相关的书籍，实现了WIFI接收器和STC单片机的通信，手机APP端发送特定的字符串给WIFI接收器，WIFI接收器接收到特定字符串之后把字符串发给STC单片机，单片机通过判断字符串中的内容，来向继电器发送指令接通电路或者断开电路。总的来说，我们研究出了怎样把手机的WIFI信号转换成继电器的控制命令，通过我们的研究成果，实际上我们可以把STC单片机换成集成度更高的芯片，WIFI接收器、继电器、变压器、芯片集成到一起，来把产品做得更小，完全容纳到插座盒中。另外我们的科研项目写成的论文，