基于Android 平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

李 琪 ，秦會斌 ,，楊永舒 ，張 雄 ，屈力揚(yáng) ,3

（1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院 浙江 杭州 310018;2.滁州市質(zhì)監(jiān)局 安徽 滁州 239000;3.中電科技集團(tuán)第52研究所 浙江 杭州 310012）

智能家居是以住宅為平臺，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將家居生活有關(guān)設(shè)施整合，在智能家居控制系統(tǒng)的管理下，最終實現(xiàn)方便、舒適、安全的家居環(huán)境，并達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。隨著智能家居的不斷發(fā)展，如何實現(xiàn)用戶隨時隨地遠(yuǎn)程控制家居，并實時了解家中信息，成為目前最迫切的需求。因此，設(shè)計出一款人性化的智能家居控制終端則成為主流趨勢。

1 智能家居遠(yuǎn)程客戶端的優(yōu)勢比較

在智能家居的推廣應(yīng)用中，設(shè)計出功能齊全、操作簡單的控制終端成為成敗的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的智能家居控制方式中有很多方案，如本地鍵盤控制、Web控制、電話控制、PC控制等[1]?；诒镜劓I盤控制裝置，需要對控制終端進(jìn)行硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計，過程復(fù)雜，對于設(shè)備的后期開發(fā)、維護(hù)成本較高，且用戶只能在家里控制，違背設(shè)計初衷“智能化”；基于Web頁面控制的智能家居是利用網(wǎng)絡(luò)信號，用瀏覽器建立客戶端與家具設(shè)備之間的連接，缺點是在信號不好的情況下，Web頁面刷新速度慢，工作效率低，無法處理大批量的數(shù)據(jù)；基于電話控制的智能家居通常功能很單一，無法對家中所有的設(shè)備進(jìn)行控制，更不具備對家中環(huán)境實時監(jiān)測的功能；基于家庭或辦公電腦作為控制終端，是通過電腦對家居設(shè)備進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程控制，其缺點是攜帶不方便，移動性差，用戶體驗效果不好。

對于上述方案中存在的問題，設(shè)計出以Android智能手機(jī)作為家居控制終端，通過WIFI接入ARM服務(wù)器，底層利用Zigbee無線技術(shù)將被控終端組建成一個內(nèi)部無線局域網(wǎng)，最終實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。

2 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由3個部分組成：遠(yuǎn)程控制終端，ARM服務(wù)器和底層家電控制相關(guān)設(shè)備[2]。智能手機(jī)或者平板控制終端，安裝好控制程序以后，就可以通過觸摸屏和用戶進(jìn)行交互。整個系統(tǒng)以ARM服務(wù)器為中心，客戶端通過ARM服務(wù)器與底層設(shè)備進(jìn)行雙向通信。一方面，智能手機(jī)通過wifi或者其他網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的指令，服務(wù)器將收到的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給底層設(shè)備，實現(xiàn)手機(jī)終端和家用電器的交互；另一方面，Zigbee無線節(jié)點實時采集環(huán)境信息，并上傳到服務(wù)器，服務(wù)器對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將結(jié)果上傳到控制終端，并將數(shù)據(jù)顯示在終端上。此種交互，不僅可以讓住戶實時了解居住環(huán)境，而且當(dāng)家里發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄露等意外事故或者家里出現(xiàn)小偷等情況時，可以通過Android終端顯示的傳感器的值及時了解家中情況，并作出相應(yīng)的處理。系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖Fig.1 Structure diagram of the smart home control system

3 終端程序設(shè)計

3.1 Socket通信

在網(wǎng)絡(luò)編程方面，Android提供了很好的支持。在智能家居的應(yīng)用原則中，最常用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是TCP和UDP協(xié)議。針對TCP傳輸，Android提供Socket類和ServerSocket類。針對UDP傳輸，Android提供DatagramSocket類和Datagram-Package類。TCP協(xié)議是可靠的面向連接的協(xié)議，提供可信賴的字節(jié)流服務(wù)。而UDP是無連接的、不可靠的協(xié)議，只提供“盡力而為”的數(shù)據(jù)報服務(wù)。在此我們對可靠性要求比較高，因此采取雙向通信的TCP協(xié)議[3]。其中Socket通信如圖2所示。

圖2 Socket通信Fig.2 Socket communication

3.2 SQLite數(shù)據(jù)庫

由于智能家居控制系統(tǒng)信息量小，時期短，無需較大的數(shù)據(jù)庫，所以本應(yīng)用程序采用Android平臺內(nèi)置的SQLite數(shù)據(jù)庫。優(yōu)點是可移植性好、容易使用、很小、高效且可靠性高。

對于SQLite的操作，Android提供了 SQLiteDatabase和SQLiteOpenHelper兩個類。SQLiteOpenHelper類提供兩個方法onCreate()和onUpgrade()，對SQLite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行創(chuàng)建和更新,提供 getWritableDatabase()或 getReadableDatabase()方法來獲得數(shù)據(jù)庫對象。SQLiteDatabase類則提供一些方法，可以創(chuàng)建、刪除、執(zhí)行SQL指令、完成常規(guī)的數(shù)據(jù)庫管理任務(wù)，如execSQL()可以執(zhí)行SQL語句，insert()可以插入表項，update()可以更新表項等[4]。

數(shù)據(jù)庫主要存儲如下信息：用戶注冊信息，家用電器設(shè)備類型，各個設(shè)備的信息狀態(tài)(開關(guān)、溫度、濕度)等。

3.3 用戶界面設(shè)計

系統(tǒng)界面設(shè)計主要包括注冊登陸界面和功能區(qū)界面。功能區(qū)界面按功能劃分有家電控制、環(huán)境監(jiān)測、情景模式、設(shè)置4個部分，主界面如圖3所示。

圖3 主控制界面Fig.3 The main control screen

1)家電控制選擇相應(yīng)的按鈕對其進(jìn)行可視化操作，如電燈、窗簾、空調(diào)、電視等；其中電視界面如下圖4所示。窗簾部分界面右側(cè)部分采用大量圖片疊加，調(diào)節(jié)過程中實現(xiàn)其動態(tài)效果，如下圖5所示。2)環(huán)境監(jiān)測主要負(fù)責(zé)對環(huán)境信息的實時采集并顯示在終端上，用戶可及時掌握居住環(huán)境質(zhì)量如何；3)情景模式功能提供白天模式、夜晚模式、離家模式、回家模式、會客模式等多種選擇，實現(xiàn)一鍵操控所有家居設(shè)備；4)設(shè)置功能分背景、語言、字體顏色、IP和端口四個功能。背景設(shè)置部分，此應(yīng)用程序內(nèi)置大量背景圖，為用戶提供多樣化選擇；語言支持英文操作，方便軟件的推廣；字體顏色方面提供常見顏色資源，更加人性化；IP和端口設(shè)置，在無需改變Android安裝包的情況下，自己輸入新的系統(tǒng)服務(wù)器IP和端口號即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。如圖6所示。

圖4 電視控制界面Fig.4 TV control interface

4 ARM服務(wù)器設(shè)計

ARM服務(wù)器在整個系統(tǒng)中作為一個橋梁，使得客戶端與底層設(shè)備進(jìn)行交互。主要作用為：與客戶端實現(xiàn)控制指令的傳輸以及數(shù)據(jù)的傳遞；通過串口與底層zigbee協(xié)調(diào)器進(jìn)行交互。

圖5 窗簾控制界面Fig.5 The curtain control interface

圖6 設(shè)置功能Fig.6 Setting function

基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)提供免費的源碼開放且內(nèi)核簡單，性能高、穩(wěn)定，具有實時性、可裁剪性，價格便宜，支持多體系結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，本文選定該操作系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)。

硬件部分采用 ARM9系列 Mini2440開發(fā)板，Samsung S3C2440A作為主處理器，外部擴(kuò)展了 NAND Flash、DDR RAM、JTAG、按鍵等基本的功能外設(shè)和調(diào)試工具。控制系統(tǒng)軟件在Red Hat 4.0操作平臺上進(jìn)行設(shè)計，采用C/S（客戶/服務(wù)器）模式設(shè)計。通信過程由Android客戶端發(fā)送控制指令，通過服務(wù)器傳送至Zigbee網(wǎng)絡(luò)；而Zigbee網(wǎng)絡(luò)接收到底層傳感器設(shè)備反饋的信息后，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并最終在客戶終端顯示。

5 家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

Zigbee網(wǎng)絡(luò)層支持3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形結(jié)構(gòu)（star）、簇狀結(jié)構(gòu)（Cluster tree）和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）。Zigbee 典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性的傳感器數(shù)據(jù)采集、間歇性的家庭自動化控制數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸量不大，因此簡單的星形網(wǎng)絡(luò)就可以保證數(shù)據(jù)通信[5]。

星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)核心是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖7所示。

協(xié)調(diào)器主要用戶建立無線網(wǎng)絡(luò)，分配Zigbee終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，向終端節(jié)點發(fā)送控制指令和接受來自子節(jié)點的環(huán)境信息，并將收到的數(shù)據(jù)通過服務(wù)器上傳到終端并實時顯示。

各終端節(jié)點用戶采集檢測信息并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并接受來客戶端發(fā)來的指令實現(xiàn)家具的智能化控制。此星形結(jié)構(gòu)，終端與終端之間不能進(jìn)行通信。

圖7 星形網(wǎng)絡(luò)圖Fig.7 Star network diagram

6 測試驗證

本智能家居控制系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后，達(dá)到預(yù)期的效果，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。具體實現(xiàn)功能如下：

1)燈光控制：實現(xiàn)各個房間燈光的開關(guān)以及亮度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍從0-100%可調(diào)。

2)窗簾控制：實現(xiàn)窗簾動態(tài)調(diào)節(jié)，用戶可根據(jù)控制界面實時查看當(dāng)前窗簾開關(guān)程度。

3)空調(diào)控制：空調(diào)開關(guān)，調(diào)節(jié)風(fēng)速，模式轉(zhuǎn)換等，實現(xiàn)了基本調(diào)節(jié)功能。

4)電視控制：模擬電視遙控如開關(guān)、選臺、調(diào)節(jié)音量等。

5)環(huán)境監(jiān)測：實時顯示家中環(huán)境信息，當(dāng)監(jiān)測到異常信息時用戶能夠有效處理。

7 結(jié)論

本文簡要的介紹了基于Android平臺的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)。通過智能手機(jī)接入家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家居，實時監(jiān)測家居內(nèi)部環(huán)境信息，為人們更加智能化和網(wǎng)絡(luò)化的家居生活。該系統(tǒng)既可用于普通的住宅家庭用戶，也可用于酒店等子系統(tǒng)，可擴(kuò)展性好[6]。與傳統(tǒng)的基于Internet的遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)相比，基于Android手機(jī)的控制系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢和前景。

[1]ZHANG Zhong-shan,HUANG Fu-wei,LONG Ke-ping,et al.On the designing principles and optimization approaches of bio-inspired self-organized network:a survey[J].Science China(Information Sciences),2013,7:5-32.

[2]高闖,李海平,王國棟,等.基于android平臺的智能家居手機(jī)客戶端軟件設(shè)計[J].電子測試,2013(12):71-72.GAO Chuang,LI Hai-ping,WANG Guo-dong,et al.Intelligent home furnishing mobile phone client software design based on Android platform[J].Electronic Test,2013(12):71-72.

[3]徐峰.基于Android平臺的智能家居客戶端系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2012.

[4]王劍龍.基于Android的智能家居控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué),2013.

[5]尚麗麗.基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué),2010.

[6]宋威,黃進(jìn),尹航,等.基于WIFI物聯(lián)網(wǎng)的家電智能控制系統(tǒng)信息控制端的研究[J].信息通信,2013(1):199-200.SONG Wei,HUANG Jin,YI Hang,et al.The research of WIFI Internet of Things appliances intelligent control system control terminal[J].Information and Communications,2013(1):199-200.