基于Android和ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：在未來(lái)世界的家居生活中，智能家居是不可扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，它使得人們的生活更加便利、舒適和安全。根據(jù)人們實(shí)際生活的需求，結(jié)合Android平臺(tái)、ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)與ARM技術(shù)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)家用電器的開(kāi)關(guān)，窗簾、窗戶或者帷幕等電機(jī)開(kāi)關(guān)的控制，還可以采集環(huán)境信息，具有家庭安防的功能。實(shí)踐表明：本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，易于升級(jí)和維護(hù)。

關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；Android

中圖分類號(hào)：TP273.5；TN925

隨著智能家居熱潮在世界范圍內(nèi)的日漸興起，隨著中國(guó)電子技術(shù)的飛速發(fā)展、人們生活水平的不斷提高以及智能電子技術(shù)在生活中的廣泛應(yīng)用，智能家居已經(jīng)成為未來(lái)家居裝飾潮流發(fā)展的最新方向。人們對(duì)家居的要求早已不只是物理空間，人們更進(jìn)一步關(guān)注的是一個(gè)安全、舒適、方便的居家環(huán)境。家居智能化也在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生了。智能家居系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)正朝著一下幾個(gè)方面發(fā)展：組網(wǎng)技術(shù)由有線向無(wú)線發(fā)展，硬件平臺(tái)性能日益提高，設(shè)計(jì)事項(xiàng)功能模塊化及系統(tǒng)平臺(tái)智能化，遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)多樣化，個(gè)性化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本智能家居系統(tǒng)由ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器、一個(gè)CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、若干繼電器開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)等組成，功能模塊中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集溫度、濕度、繼電器開(kāi)關(guān)的狀態(tài)通過(guò)ZigBee協(xié)議與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)及命令的傳送。

2 Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)2個(gè)步驟完成組建：網(wǎng)絡(luò)初始化和終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)ZigBee節(jié)點(diǎn)完成了網(wǎng)絡(luò)初始化工作后，協(xié)調(diào)器會(huì)周期性的發(fā)送信標(biāo)幀，只有ZR或者ZED節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀，才能夠建立網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程如圖1所示：

當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功組網(wǎng)后，ZED將在指定的報(bào)告周期時(shí)間內(nèi)，通過(guò)zb_SendData Request原語(yǔ)向ZC發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)包。ZC通過(guò)RS-232接口將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到Android模塊，然后通過(guò)Socket將數(shù)據(jù)包傳遞到用戶終端。

3 Android智能終端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立完成后，用戶還不能如愿的獲取環(huán)境信息與進(jìn)行家居控制，這時(shí)就需要設(shè)計(jì)一款界面友善、人性化、功能豐富的人機(jī)界面軟件，在考察了現(xiàn)階段各種智能家居網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)選用情況后，本文決定使用智能終端作為上位機(jī)。又考慮到目前Android平臺(tái)占智能終端大部分市場(chǎng)份額的實(shí)際情況，所以，最終決定在Android平臺(tái)上編寫應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的采集與控制。軟件的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從軟件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，要實(shí)現(xiàn)Android智能終端充當(dāng)本系統(tǒng)上位機(jī)，最主要的兩個(gè)需要解決的問(wèn)題是：Android智能終端與ZigBee協(xié)調(diào)器之間的串口通信；Android智能終端之間通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)的Socket通信。

3.1 Android終端與ZigBee協(xié)調(diào)器端口通信

Android終端作為智能家居的控制器，解決Android設(shè)備和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元通信是關(guān)鍵問(wèn)題。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，Android設(shè)備和ZigBee協(xié)調(diào)器可通過(guò)相應(yīng)的端口連接以實(shí)現(xiàn)它們之間的通信，不同的Android設(shè)備可能端口不同，但是對(duì)端口的獲取和操作的過(guò)程是一樣的，首先要在HAL層獲取到某個(gè)端口的ID，在Linux中，HAL層驅(qū)動(dòng)是在Linux文件系統(tǒng)的dev文件夾下，只需要加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)文件，就可以獲取到相應(yīng)的端口；然后，在控制臺(tái)設(shè)置這個(gè)端口的讀寫權(quán)限，打開(kāi)這個(gè)端口；最后，根據(jù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，使用相應(yīng)的輸入輸出流傳輸和接收數(shù)據(jù)，當(dāng)程序完成操作后關(guān)閉相應(yīng)的端口，以免數(shù)據(jù)溢出。

系統(tǒng)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)采用了串口作為編譯、調(diào)試與通信端口，Android終端主控制器S3C2410與無(wú)線收發(fā)芯片CC2530之間采用異步串口的方式進(jìn)行通信。S3C2410片內(nèi)集成有USART，簡(jiǎn)單設(shè)置后即可工作于異步模式。異步數(shù)據(jù)格式和ZigBee通信協(xié)議幀相同。

3.2 Android終端之間Socket通信

當(dāng)Android終端通過(guò)串口接收到來(lái)自ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)后，用戶只能在本地的Android終端上獲取環(huán)境信息發(fā)送控制命令，為了實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程登錄本系統(tǒng)，本文又引入了第二個(gè)Android終端，其中本地終端作為數(shù)據(jù)的收集者通過(guò)無(wú)線通信公網(wǎng)建立Socket連接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給異地終端，異地終端也可以通過(guò)相同的Socket連接將控制命令發(fā)送給本地終端，然后再由本地終端通過(guò)串口傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的控制。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果與分析

為了驗(yàn)證智能家居網(wǎng)絡(luò)的有效性，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)各個(gè)性能參數(shù)，搭建了ZigBee測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，該測(cè)試網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與顯示，可以通過(guò)終端設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)智能家居的控制功能。Android終端應(yīng)用如圖3，圖4所示。

圖3，圖4應(yīng)用程序分為協(xié)調(diào)器端和用戶終端兩種，其中協(xié)調(diào)器端應(yīng)用包含了端口通信程序和Socket通信程序，在初始界面中有4個(gè)選項(xiàng)，端口設(shè)置、服務(wù)器設(shè)置、智能家居和退出選項(xiàng)。端口設(shè)置選項(xiàng)中可以對(duì)Android設(shè)備的通信端口和對(duì)應(yīng)的波特率進(jìn)行設(shè)置，Android可以通過(guò)cd/dev文件來(lái)發(fā)現(xiàn)新的端口，包括串口、USB口和MINI USB口等。服務(wù)器設(shè)置的作用是通過(guò)用戶自己輸入的服務(wù)器IP地址和服務(wù)器建立Socket鏈接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送與接收。智能家居選項(xiàng)是APP的主體應(yīng)用，在設(shè)置好端口和服務(wù)器后進(jìn)入智能家居菜單，這樣程序就開(kāi)始接收Z(yǔ)igBee協(xié)調(diào)器發(fā)送來(lái)的信息，通過(guò)建立好的Socket連接發(fā)送到用戶終端的應(yīng)用中。用戶終端的應(yīng)用程序采用了比較簡(jiǎn)潔的操作界面，當(dāng)用戶點(diǎn)擊刷新按鈕時(shí)發(fā)送更新數(shù)據(jù)請(qǐng)求到協(xié)調(diào)器端，協(xié)調(diào)器接收到請(qǐng)求后發(fā)送實(shí)事的環(huán)境信息給用戶終端。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)人們實(shí)際生活的需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以采集環(huán)境信息，控制繼電器實(shí)現(xiàn)家用電器的開(kāi)關(guān)，控制電機(jī)開(kāi)關(guān)家里的窗簾、窗戶或者帷幕，控制嗡鳴器的家庭安防功能。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)由于采用對(duì)等的Android控制模式，減少了發(fā)送端GPRS模塊和用戶終端硬件與軟件的開(kāi)支，達(dá)到了預(yù)期的系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃卉.智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011（02）：449-450.

[2]王勵(lì)，金晶.物聯(lián)網(wǎng)智能家居的發(fā)展前景[J].信息科技，2013（06）：214.

作者簡(jiǎn)介：李玲香（1976.03-），女，湖南郴州人，碩士，畢業(yè)于重慶郵電大學(xué)，講師；楊振南（1982.04-），男，湖南永州人，碩士，畢業(yè)于湘潭大學(xué)，講師。

作者單位：湖南科技學(xué)院，湖南永州 425199

基金項(xiàng)目：永州市科技局資助項(xiàng)目，永科發(fā)[2012]9號(hào)。