基于Android的WiFi智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

瑚琦+吳瑩+石彬彬

摘要：短距離無線技術（Wireless Fidelity，WiFi）是成熟且流行的通信技術之一，在智能家居系統(tǒng)廣泛使用。設計了一種低成本、易拓展、面向家庭的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Android設備作為智能控制終端，通過WiFi實現(xiàn)各種設備間的通信，配合傳感器和外圍電路等模塊，實現(xiàn)了智能家居的終端遠程監(jiān)控。20小時的持續(xù)工作測試結果表明，智能終端發(fā)送的控制命令均被正確執(zhí)行，同時能夠在系統(tǒng)中正確添加新的智能終端并控制家居工作。系統(tǒng)運行期間無任何Bug，驗證了智能家居系統(tǒng)的高準確性、高穩(wěn)定性和可拓展性，具有良好的應用前景。

關鍵詞關鍵詞：智能家居；WiFi；Android；ESP8266；智能終端

DOIDOI：10.11907/rjdk.171993

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011004704

0引言

隨著面向家庭控制及自動化的短距離無線技術（Wireless Fidelity， WiFi）發(fā)展及移動智能設備的普及，基于WiFi技術和智能手機等終端的家庭智能化應用越來越普遍，其應用之一就是智能家居[12]。與普通家居相比，智能家居不僅兼顧了傳統(tǒng)家居所擁有的功能，同時還具有易操作、易實現(xiàn)和低成本等優(yōu)勢[2]。它將家庭的各種設備通過WiFi[34]連接到一起，實現(xiàn)了家長控制、照明控制、環(huán)境監(jiān)測等多種一體化功能。但智能家居存在安裝過程復雜、維護成本過高、穩(wěn)定性差、終端設備使用不方便、用戶體驗欠佳等問題[56]。

為解決上述問題，本文提出了一種基于Android的WiFi智能家居系統(tǒng)，利用傳感器和外圍電路對家居環(huán)境進行實時監(jiān)測和控制，以Android手機作為智能家居控制終端，通過WiFi建立手機和各種家居的通信連接，并采用云平臺轉發(fā)消息方式，實現(xiàn)對各種家居的監(jiān)測、操控和查詢。智能家居系統(tǒng)經過20小時的持續(xù)工作測試，沒有出現(xiàn)任何Bug，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1系統(tǒng)架構設計

智能家居系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測、智能終端和WiFi通信3部分構成。其中智能終端部分普遍使用的是智能手機或平板電腦；環(huán)境監(jiān)控部分由用于獲取溫度、濕度、可燃氣體、光照等環(huán)境狀態(tài)的各類傳感器和空調、電燈、冰箱等構成；WiFi通信連接部分由ESP8266WiFi模塊構成。

系統(tǒng)總體架構如圖1所示，智能終端上的APP（Application）基于TCP/IP通信協(xié)議，通過智能終端的WiFi功能建立與WiFi模塊間的通信。ESP8266 WiFi模塊作為路由+服務器端（AP+SERVER），Android智能終端作為客戶端（CLIENT）給服務器端發(fā)送指令，WiFi模塊接收客戶端發(fā)來的指令并對其進行解析，通過通信網絡連接到服務器獲取數據并作出一系列處理，從而達到控制家用電器的目的。環(huán)境監(jiān)控部分的設備運行狀態(tài)通過無線模塊上傳至云服務器，實時在終端設備上顯示家居的最新狀態(tài)。

2系統(tǒng)硬件設計

硬件電路由具有微控制終端的ESP8266 WiFi系列模塊組、負責信息采集的傳感器和部分供電電路組成，硬件框架如圖2所示。

圖2智能家居系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)WiFi通信部分選用高性價比、低功耗的ESP12E WiFi模塊，實現(xiàn)智能終端到串口的傳感器節(jié)點數據傳輸和遠程指令發(fā)送控制等功能。該模塊內置32位CPU，能獨立運行，也可作為從機搭載于其它主機的MCU上運行。其內部高度集成，外圍電路可拓展性良好，能夠嵌入其它系統(tǒng)[7，8]。ESP12E具有強大的片上處理能力和存儲能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其它應用設備。圖3為ESP12E的最小系統(tǒng)組成。

圖3ESP12E最小系統(tǒng)組成

燈具、窗簾等由GPIO口外接繼電器，通過控制GPIO口的高低電平實現(xiàn)繼電器的通斷進而控制開關狀態(tài)。傳感器選擇響應快、抗干擾能力強、性價比高，同時兼具數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術的DHT22型傳感器[9]?？扇細饽K選用MQ2型煙霧傳感器，通過傳感器電導率的變化捕捉煙霧狀態(tài)。系統(tǒng)最前端負責信息采集的傳感器直接與WiFi模塊相連，將數據傳送至云端。

電源模塊采用USB_MINI接口，該接口防誤差性能適中，體積小巧，應用廣泛。電路的輸入端采用5V直流電，通過USB接口接入電路，給繼電器和傳感器供電。WiFi模塊的輸入端電壓為3.3V，通過LM317可調電壓調節(jié)器將5V直流電源轉換為3.3V。LM317模塊還提供電流限制和熱保護，具有一定的抗干擾能力。

3系統(tǒng)軟件設計

基于Android studio平臺的智能家居，網絡通信采用TCP/IP協(xié)議，圖4為系統(tǒng)工作流程。

系統(tǒng)上電時完成CPU和板極的初始化。初始化后，WiFi模塊作為服務器等待智能終端的接入，智能終端根據WiFi模塊綁定的靜態(tài)IP和端口訪問相應的URL網頁。模塊獲取智能終端的訪問請求，通過解析URL判斷智能終端APP的請求類型和請求內容。家用設備通過無線通信模塊接收智能終端發(fā)送動作指令并轉換為物理動作，作出相應處理，同時把相應信息通過無線模塊上傳到云服務器，實現(xiàn)智能家居環(huán)境的控制與監(jiān)測。

3.1硬件驅動程序設計

硬件驅動程序基于ESP8266物聯(lián)網SDK平臺進行開發(fā)。智能家居系統(tǒng)中，系統(tǒng)硬件驅動程序包括WiFi模塊和家居環(huán)境的通信、繼電器開關以及各類傳感器數據的獲取。

開發(fā)平臺的所有網絡功能均封裝在庫中，用戶的應用初始化功能通過user_main.c文件實現(xiàn)，void user_init（void）是上層程序的入口函數，給用戶提供一個初始化接口，用戶可在該函數內增加硬件初始化、網絡參數設置和定時器初始化等功能[78]。user_init（）主要程序指令及注釋如下：endprint

PIN_FUNC_SELECT（PERIPHS_IO_MUX_GPIO5_U，F(xiàn)UNC_GPIO5）；

gpio_output_set（0， BIT5， BIT5，0）；

wifi_set_opmode_current（0x02）；

wifi_softap_dhcps_stop（）；

IP4_ADDR（&info.ip， 192，168，1，177）；

IP4_ADDR（&info.gw， 192，168，1，1）；

IP4_ADDR（&info.netmask，255，255，255，0）；

wifi_set_ip_info（SOFTAP_IF，&info）；

wifi_softap_dhcps_start（）；

wifi_softap_get_config（&config）；//使用wifi_soft_get_config獲取當前配置

os_memcpy（config.ssid，"qifei"，strlen（"qifei"））；//設置wifi名稱

os_memcpy（config.password，"12345678"，strlen（"12345678"））；//設置wifi密碼

config.ssid_len=strlen（"qifei"）；//使用wifi_softap_set_config設置ap參數

wifi_softap_set_config（&config）；//設置wifi softap接口配置，并保存至flash

WiFi模塊用于softAP無線接入點和server服務器端。網絡通信采用TCP/IP協(xié)議以保證信息的可靠傳輸。SoftAP模塊是系統(tǒng)的中心節(jié)點，設置為TCP服務器。在DHCP關閉的情況下給模塊設置靜態(tài)IP并綁定端口號，客戶端可直接根據靜態(tài)IP和端口號訪問網絡。建立TCP連接的主要程序如下：

esp_conn.type=ESPCONN_TCP；//設置連接為tcp類型

esp_conn.state=ESPCONN_NONE；//設置連接狀態(tài)

esp_conn.proto.tcp=（esp_tcp*）os_malloc（sizeof（esp_tcp））；//分配內存空間

os_memcpy（esp_conn.proto.tcp->local_ip，local_ip，4）；//給TCP里面成員賦值

esp_conn.proto.tcp->local_port=1213；//設置連接的端口號

espconn_regist_connectcb（&esp_conn，server_listen）；// 注冊TCP連接成功回調函數

espconn_regist_reconcb（&esp_conn，server_recon）；//注冊TCP斷開重連回調函數

espconn_accept（&esp_conn）；//調用espconn_accept監(jiān)聽回調函數

TCP連接完成后，softAP模塊負責監(jiān)聽各電器的工作狀態(tài)，收集相關傳感器發(fā)送的數據并進行分類存儲，上傳至云服務器。圖5為WiFi事件處理函數工作流程。

圖5WiFi事件處理流程

3.2手機客戶端APP

智能終端是在Android studio開發(fā)平臺上開發(fā)的一款APP，用于用戶在手機上進行智能家居的控制和監(jiān)控。Android客戶端控制系統(tǒng)設計主要包括用戶界面UI、Httpclient網絡通信、SQlite數據庫和AsyncTask異步任務處理，功能包括用戶登陸、電器設備控制、智能監(jiān)控報警等。

圖6智能終端APP設計

設計智能終端APP時，采用Android開發(fā)中經典的MVC設計模式。該模式將邏輯、數據以及界面顯示3塊分開進行代碼編寫，把業(yè)務邏輯集中在一個結構中，使智能家居終端軟件有良好的可擴展性和維護性[9]。客戶端UI交互界面包含登錄界面、注冊界面和操作界面。其中登錄界面采用多個線性布局和相對布局相互嵌套，在布局控件中還添加了一些其它控件，比如用于輸入用戶名、密碼和服務器 IP的 EditText對話框。登錄成功后會進入一個初始主界面，界面包含當前所有聯(lián)網的電器設備列表，以及它們當前的開關狀態(tài)和所屬房間信息。在此界面上可直接對電器開關進行操作，還可增添新的電器設備。從房間配置界面可跳轉到具體設備的控制界面，對電器設備進一步設置，如定時開關等。圖6為客戶端軟件設計框圖，圖7為手機顯示界面。

圖7手機顯示界面

網絡通信常用的傳輸協(xié)議為TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。針對TCP傳輸，Android提供了socket和serversocket類。針對UDP傳輸，Android提供了Datagram Socket類和Datagram Package類[10]。在智能家居系統(tǒng)設計中，采用了TCP/IP協(xié)議中的HTTP協(xié)議。由于網絡操作為耗時操作，所以要單獨開創(chuàng)線程對其進行AsyncTask異步任務處理，通過創(chuàng)建httpthread類，重寫run方法實現(xiàn)http請求。為了實現(xiàn)網絡訪問，首先需要在Androidmanifest.xml中設置網絡訪問權限，創(chuàng)建httpclient對象，在httpthread中傳遞參數URL，指定請求URL，根據需要創(chuàng)建httpget或httppost對象，執(zhí)行URL請求，并通過輸入流輸出流讀取傳入的數據和服務器返回的響應內容，進而對數據進行相應處理。

由于智能家居信息量小、周期短、數據庫需求小，所以在程序中使用Android平臺內置的SQlite數據庫[11，12]。數據庫主要存儲以下信息：房間號、家用電器設備類型和各個設備的信息狀態(tài)（開關、溫度、濕度）。用戶登錄成功進入主界面后，智能控制終端與 SQLite數據庫交互查詢，根據規(guī)定的布局文件顯示這些界面，即智能家居控制界面。首先，智能控制終端對數據庫進行訪問，對文件是否存在進行判斷，若文件不存在則需要創(chuàng)建文件，若文件已經存儲在數據庫中，就要判斷是否需要覆蓋。隨后即可對數據庫進行其它基本操作，最終數據會顯示為不同的電器圖形、種類、開關以及傳感器上傳的數據等。endprint

4結語

本文在研究現(xiàn)階段智能家居的基礎上設計了一套基于Android的WiFi智能家居系統(tǒng)。采用Android智能手機或平板電腦等設備作為控制終端，通過WiFi實現(xiàn)手機和家用電器的通信，以ESP8266WiFi芯片作為主控芯片，實時監(jiān)控家居設備信息。

本文設計開發(fā)的APP應用軟件能在Android操作系統(tǒng)平臺上安裝和使用，應用范圍廣且易推廣。在20小時的持續(xù)工作測試中，手機發(fā)送的控制命令均能正確執(zhí)行，同時能在系統(tǒng)中添加新的智能終端并控制家居工作，系統(tǒng)運行期間無任何Bug，驗證了本智能家居系統(tǒng)的高準確性、高穩(wěn)定性和可拓展性，具有良好的應用前景。

參考文獻參考文獻：

[1]王飛，陳金鷹，劉香燕.智能家居應用現(xiàn)狀及其發(fā)展分析[J].通訊世界，2016（4）：267267.

[2]卿勇.智能家居發(fā)展及關鍵技術綜述[J].軟件導刊，2017（1）：180182.

[3]YAN W， WANG Q， GAO Z. Smart home implementation based on Internet and WiFi technology[C]. Control Conference. IEEE， 2015：90729077.

[4]WANG L， PENG D， ZHANG T. Design of smart home system based on WiFi smart plug[J]. International Journal of Smart Home， 2015， 9（6）：173182.

[5]賈陽靜，鄒念育，雷冬鳴，等.基于Android和WiFi通信的智能家居系統(tǒng)設計[J].大連工業(yè)大學學報，2016（1）：6771.

[6]扈樂華.基于Android的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電腦與電信，2016（8）：3233.

[7]ESP8266 NonOS SDK API參考[EB/OL]. http：//www.mrwu.cn/espressifesp8266_nonos_sdk_v200/ V2.0.2，2017.

[8]ESP8266技術參考[EB/OL].http：//download.csdn.net/download/qq_14876677/9544969，V1.2，2016.

[9]王煉.基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)的設計與研究[D].武漢：武漢科技大學，2015.

[10]KUMAR S. Ubiquitous smart home system using android application[J]. International Journal of Computer Networks & Communications，2014，6（1）：152158.

[11]胡俊波.基于Android的智能家居系統(tǒng)APP的研究與設計[D].桂林：桂林電子科技大學，2015.

[12]王朝華，陳德艷，黃國宏，等.基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2012，22（6）：225228.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）endprint