基于APP和Cortex A8的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄧知輝

摘 要：提高便捷和降低成本是智能家居系統(tǒng)是否能夠廣泛推廣的核心問題，針對目前市場上智能家居系統(tǒng)存在的價格高、管理與操控不便等問題，介紹了一種基于ARM Cortex A8為核心，通過Android手機進行操控的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能安防、家電控制、娛樂休閑等功能，可以通過手機客戶端實時監(jiān)測家庭環(huán)境、操控電器設(shè)備、播放音視頻和查看報警記錄等系列事件。實踐證明客戶端采用手機操控，不僅節(jié)省了主控平臺的觸摸屏，且不受數(shù)量限制，從而大大降低了設(shè)備體積，也有效提高了操作的便捷性和降低設(shè)備成本。

關(guān)鍵詞：智能家居；系統(tǒng)設(shè)計；ARM Cortex；Android

中圖分類號： TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

Design and Implementation of Smart Home System based on APP and Cortex A8

DENG Zhihui

（Department of Information Engineering，Hunan College of Information， Changsha 410200，china）

Abstract： Convenience is one of the important problems in the research of the smart home system， aiming at the problems such as the difficulty of installation， operation and management of the smart home system. A kind of home robot based on Android control platform is designed. Robot intelligent home services， without disrupting existing home environment； based on Android platform of home robot control， the user can at any time any place to realize remote monitoring of home， and can control robot remote visual cruise and achieve a variety of manipulation. With the maturity and development of WIFI technology and 4G network， as well as the wide application of Android system， the home robot based on Android control platform will be widely concerned and applied.

Keywords： Smart Home； System design； ARM Cortex； Android

0 引 言

人們生活水平不斷提升，智能家居產(chǎn)品已逐漸成為矚目焦點，但卻因其購買成本可觀、電路改造困難和安裝使用不便等問題，進一步限制了其普及性的應(yīng)用拓展[1]。而與此同時，我國通信業(yè)也正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢。迄至2014年，我國移動電話保有率可達(dá)94.5部/百人，智能手機普及率則達(dá)50%，兩者均已遠(yuǎn)超全球平均水平[2]，特別是Android手機2014年上半年則占據(jù)我國智能手機89.9%的市場份額，已然占居主導(dǎo)地位[3]。在此背景下，本文介紹一種基于Android手機為操控平臺，并以ARM Cortex為內(nèi)核的智能家居系統(tǒng)，研發(fā)后系統(tǒng)不需加裝操控設(shè)備或屏幕，而是直接利用客戶手機即可隨時隨地實時監(jiān)測家居環(huán)境和操控家居電器，從而能有效降低設(shè)備成本，同時為用戶提供更多現(xiàn)實便利。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

家居系統(tǒng)由基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（如電機驅(qū)動器、空調(diào)燈光控制器和溫濕度傳感器等節(jié)點）、基于ARM Cortex A8為核心的嵌入式系統(tǒng)（含網(wǎng)關(guān)）和基于Android的移動客戶端三大部分構(gòu)成，其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖則如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 Structure diagram of smart home system

由圖1可見，系統(tǒng)通過各傳感器節(jié)點采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上傳到嵌入式系統(tǒng)進行處理，得到的結(jié)果再通過WIFI或3G網(wǎng)絡(luò)，傳達(dá)到客戶端手機；用戶則基于下傳數(shù)據(jù)和信息，再通過手機APP軟件下達(dá)相關(guān)控制命令到嵌入式系統(tǒng)；系統(tǒng)接到命令后，將進行解析和處理，并再經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送到執(zhí)行器節(jié)點，從而實現(xiàn)對家居環(huán)境的監(jiān)測和家中電器設(shè)備的有效控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)智能家居系統(tǒng)的特點，主要選定設(shè)計了環(huán)境監(jiān)測、模式切換、娛樂休閑、家電控制、安全防范與報警等功能，具體來說，則對應(yīng)著包括嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)模塊、無線傳感器節(jié)點、溫濕度傳感模塊、氣體煙霧傳感模塊、熱釋電紅外傳感模塊等在內(nèi)的多個主題的研發(fā)實現(xiàn)。下面將分別展開論述。

2.1 嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)模塊

嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用Exynos4412處理器，內(nèi)置四個1.6G主頻的Cortex A9，運算能力達(dá)16 000DMIPS，采用32納米HKMG工藝，二級緩存1MB，內(nèi)存為雙通道64bit，支持HDMI1.4，集成 Mali -400MP圖形處理器，圖像處理較前代提升50%，整機性能提升60%，功耗下降20%，而且能流暢運行Android4.1操作系統(tǒng)[4]。同時，又因其功耗低、電路簡單、運行速度快等特點，從而非常適用于智能家居和物聯(lián)網(wǎng)終端等產(chǎn)品。嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)包括TF卡模塊（存放應(yīng)用程序）、USB/OTG（下載或外接U盤）、DHMI（高清視頻輸出）、聲卡（休閑聽歌）、RS232（ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接口）和WIFI（與手機通信）等模塊。

圖2 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.2 Block diagram of embedded gateway system

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee節(jié)點

ZigBee節(jié)點主要采用TI公司的CC2530處理器作為核心，它是用于ZigBee、RF4CE和2.4GHz IEEE802應(yīng)用則是一個SoC解決方案。具體來說，其接收靈敏度高、成本和功耗均低，而且又具有強大的抗干擾性能[5]。CC2530的外圍電路如圖3所示，該節(jié)點可提供有如下三種功能，分別是：通過A/D端口對傳感器數(shù)據(jù)進行采集、通過無線RF模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、對I/O端口所接終端或設(shè)備進行控制。

圖3 基于CC2530的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電路

Fig.3 ZigBee wireless network node circuit based on CC2530

2.3 DHT11溫濕度傳感模塊

為提高溫、濕度測量的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用AM2302集成溫濕度傳感器。該傳感器集成了一個 NTC 測溫元件和一個電容式濕感元件，可在內(nèi)部對輸出信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)格式如表1所示。同時，再由單總線通過特定時序與外部進行通信。該款產(chǎn)品具有成本低、性價比高、響應(yīng)快，且抗干擾能力強等優(yōu)點[6]，正廣泛應(yīng)用于各類環(huán)境的溫濕度檢測任務(wù)中。實現(xiàn)原理圖可如圖4所示。

表1. AM2302數(shù)據(jù)格式表

數(shù)據(jù)位 0-7 8-15 16-23 24-31 31-39

含義 校驗位 溫度

低8位 溫度

高8位 濕度

低8位 濕度

高8位

圖4 AM2302模塊原理圖

Fig.4 Module principle diagram of the AM2302

2.4 氣體煙霧傳感模塊

危害家居環(huán)境的氣體主要有甲烷、液化氣、煤氣和煙霧等，為此系統(tǒng)采用MQ-5氣體煙霧傳感模塊。這是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件，可將天然氣、液化氣和煤氣等有害氣體濃度轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的0～5V輸出的標(biāo)準(zhǔn)電信號，并且具有靈敏度高、探測范圍廣、穩(wěn)定性高和電路簡單等特點[7]。結(jié)合報警模塊與無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，即可對煙霧、有害氣體泄露進行有效監(jiān)測，若能進一步結(jié)合室內(nèi)換氣功能則還能實現(xiàn)有害氣體排放，進而提高安全系數(shù)。

2.5 熱釋電紅外傳感模塊

防盜是智能家居的一項重點預(yù)設(shè)功能，當(dāng)處理外出模式和睡眠模式時，系統(tǒng)會默認(rèn)開啟紅外傳感器，即通過內(nèi)部的探測元、濾光窗和場效應(yīng)管阻抗變換器來檢測人體輻射的紅外線信號，該傳感器只對移動的人體或接近人體體溫的移動物體起作用。其實現(xiàn)電路簡單、靈敏度高、性能穩(wěn)定，但輸出信號很弱，需在外圍電路中進行放大，原理電路如圖5所示。

圖5 熱釋電紅外傳感器原理圖

Fig.5 Principle diagram of pyroelectric infrared sensor

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

Fig.6 Main program flow chart

系統(tǒng)的控制方式主要有在家模式、外出模式和睡眠模式三種情況。系統(tǒng)根據(jù)默認(rèn)或用戶設(shè)定情況對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)分別進行自動或手動控制。手動控制是通過系統(tǒng)中斷實現(xiàn)，默認(rèn)為自動控制。自動控制時，系統(tǒng)將各傳感器采集的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊匯總到主控制器，再將這些信息或數(shù)據(jù)進行智能分析與處理，做出相應(yīng)的控制策略和決策，最后發(fā)送控制命令到相應(yīng)模塊或節(jié)點。

4 Android UI客戶端設(shè)計

系統(tǒng)客戶端是基于Android平臺的APP軟件，這是系統(tǒng)人機交換的唯一窗口。UI功能的設(shè)計，不僅要能查看各類信息，還要能操控各種家電等功能，同時更要求界面美觀、操作方便、且功能齊全。基于上述需求，在主界面設(shè)計了溫度、濕度、光照、煙霧、紅外等家居環(huán)境信息顯示功能，滿足了用戶方便、快捷查看各類信息的心理需求；同時在主界面還設(shè)計了模式選擇、娛樂休閑、報警報告、家電控制和系統(tǒng)設(shè)置等快捷操控圖標(biāo)，對系統(tǒng)各類功能分類進行設(shè)置或操控，滿足了用戶方便、快捷操控各種功能的實際需求。客戶端UI用例如圖7所示。

圖7 APP客戶端UI用例圖

Fig.7 APP client UI use case diagram

5 結(jié)束語

通過樣機測試，智能家居系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能豐富，客戶端利用手機通過WIFI進行操控，省略了主控平臺的觸控屏，大大降低了智能家居系統(tǒng)的體積，且數(shù)量不受限制，同時更有效提高了操作的便捷性和設(shè)備成本的可控性。

參考文獻(xiàn)

[1] 智能家居發(fā)展中存在的5大主要問題探秘[N/OL].http：//yancheng.zxdyw.com /HTML/ 2011/8/201184121234.html.

[2] 工信部2014年通信運營業(yè)統(tǒng)計公報[N/OL].http：//www.miit.gov.cn /n11293472/n11293832/n11294132/n12858447/16414615.html.

[3] 艾媒咨詢.2014上半年中國智能手機市場監(jiān)測報告[N/OL].http：//www.iimedia. cn/37560. html.

[4] 張淑艷，王超，肖萍萍，朱娟.基于Cortex-A9和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（23）：46-47.

[5] 王風(fēng).基于CC2530的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[6] 劉德全. 智能溫室溫濕度檢測實驗系統(tǒng)電路設(shè)計與仿真[J].實驗室研究與探索， 2015（2）：92-95.

[7] 王顯維. 基于MQ-5和AT89C51的煤礦瓦斯監(jiān)測報警器的設(shè)計[J]. 黑龍江科技信息，2014（13）：108-109.