基于ZigBee和Android的智能家居終端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江新道　張芹

摘要：本文提出一種基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居終端系統(tǒng)方案，智能家居本地網(wǎng)關(guān)部分由ZigBee無線傳感器與家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)組成，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備，通過控制終端軟件與家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)連接，并通過本地網(wǎng)關(guān)獲取信息和控制智能家居設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)。其核心是解決移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與智能家居設(shè)備之間的相互通信。

關(guān)鍵詞： 智能家居；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；Android

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）18-0169-04

Mobile Internet-based Smart Home Terminal System Design

JIANG Xin-dao，ZHANG Qin

（Anhui Vocational College of Electronic and Information Technology， Bengbu 233060， China）

Abstract： This paper proposes a mobile Internet-based smart home terminal system solutions ， smart home will be part of a local gateway with ZigBee wireless sensor network of home broadband ， mobile Internet-based smart devices， via the control terminal software and home broadband internet connection， and access to and control through a local gateway smart home devices ， enabling mobile Internet-based smart home system . Its core is the solution to the mobile Internet terminal equipment and smart home devices to communicate with each other .

Key words： smart home；mobile Internet；ZigBee；Android

1 整體框架設(shè)計(jì)

整個(gè)智能家居框架結(jié)構(gòu)由三部分組成：ZigBee本地網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)和智能終端，如圖1。其中，ZigBee本地網(wǎng)絡(luò)由若干ZigBee無線模塊連接家中的各種設(shè)備，用以采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信號(hào)。家庭網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)連接本地網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制終端，內(nèi)（ZigBee）外（TCP/IP）網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和家居基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，是整個(gè)家居系統(tǒng)的核心組件。

2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，供電方式選擇直流供電。移動(dòng)終端設(shè)備與家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交互采用http超文本傳輸方式，具體流程如圖2。

智能家居設(shè)備通過傳感器采集溫度、壓力等數(shù)據(jù)，經(jīng)I/O接口與ZigBee相連，通過ZigBee協(xié)議將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳送給家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)的ZigBee模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)與ZigBee適配器之間的I/O接口選擇串口接口（兼容性更好）。其控制過程如圖4所示。

ZigBee模塊設(shè)計(jì)：

本文選用CC2430芯片作為主要部件，再配合晶振時(shí)鐘電路和射頻電路，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。CC2430的典型應(yīng)用電路如圖5所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)：因?yàn)橐獙?duì)設(shè)備進(jìn)行管理，所以要在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加設(shè)備管理表。同時(shí)還要對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，因此還要有權(quán)限管理表。網(wǎng)關(guān)部分的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如圖6所示：

功能框架設(shè)計(jì)：整個(gè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由用戶管理、設(shè)備管理、終端管理、權(quán)限管理和日志管理5大管理模塊組成。

3 終端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 終端數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)利用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取功能

1） 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：家居設(shè)備表用來存儲(chǔ)家居設(shè)備的信息，諸如編號(hào)、名稱、IP地址等。其中，設(shè)備的類型指所使用的傳感器的類型。操作類型則是指允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行的操作，如電器設(shè)備的開、關(guān)等。設(shè)備狀態(tài)表用來存儲(chǔ)某設(shè)備某時(shí)間段的狀態(tài)。

2） 數(shù)據(jù)庫(kù)代碼實(shí)現(xiàn)：由于Android系統(tǒng)的開放性， SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)用戶僅需繼承其提供的開放接口，就能實(shí)現(xiàn)SQLite數(shù)據(jù)的基本操作。數(shù)據(jù)操作類結(jié)構(gòu)見圖8。

具體代碼如下：

3） 控制系統(tǒng)功能框架設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)由五大模塊組成，分別是登錄、開關(guān)、溫度、監(jiān)控和計(jì)量模塊。各模塊之間的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

4） 登錄模塊：實(shí)現(xiàn)終端用戶的身份認(rèn)證。用戶登錄流程見圖10。

（1）用戶登錄：通過Android系統(tǒng)打開登錄界面，輸入用戶名和密碼，該數(shù)據(jù)通過Android系統(tǒng)提交給家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行比對(duì)處理，再反饋給Android用戶界面。

（2）用戶注冊(cè)：通過Android系統(tǒng)打開登錄界面，輸入新的用戶名并設(shè)置新的密碼，數(shù)據(jù)通過Android系統(tǒng)提交給家庭網(wǎng)關(guān)比對(duì)、存儲(chǔ)，處理后再反饋回Android界面。

（3）家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的獲?。和ㄟ^超文本傳輸協(xié)議HTTP訪問家庭網(wǎng)關(guān)，通過HttpPost向家庭網(wǎng)關(guān)提交數(shù)據(jù)請(qǐng)求，家庭網(wǎng)關(guān)首先要對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行判斷，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將處理的結(jié)果再次通過HTTP協(xié)議反饋給終端設(shè)備。具體處理流程見圖11，代碼如下：

5）主控模塊 負(fù)責(zé)智能家居設(shè)備的管理工作。

一方面，用戶通過Android終端控制器向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制信息，家庭網(wǎng)關(guān)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將控制信息發(fā)送給指定的家居設(shè)備；另一方面家居設(shè)備也可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，再由家庭網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到Android終端上，通過Android界面顯示。數(shù)據(jù)交互過程見圖12：

3.2 模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1）登錄模塊：用戶通過登錄模塊進(jìn)入遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，進(jìn)入控制界面。登錄流程見圖13：

用戶打開系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)登錄界面（見圖14左圖），如注冊(cè)新用戶，則彈出右側(cè)注冊(cè)界面。

2）主控模塊：負(fù)責(zé)完成對(duì)智能家居的控制。具體流程如圖15所示：

當(dāng)用戶進(jìn)入主控模塊，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)家中各房間的控制，主控界面見圖16。

進(jìn)入房間后，可以對(duì)房間內(nèi)各智能家居設(shè)備，如燈具的開關(guān)，空調(diào)的開關(guān)、視頻監(jiān)控等進(jìn)行控制。同時(shí)，用戶還可以新建房間，也可以自定義房間圖標(biāo)顯示的房間信息。

3） 溫度監(jiān)控：溫度監(jiān)控過程如圖17所示：

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 硬件環(huán)境

Zigbee模塊采用廣州星博技術(shù)公司生產(chǎn)的無線智能控制板（圖18）；智能網(wǎng)關(guān)采用高性能計(jì)算機(jī)一臺(tái)（CPU四核 2.4GHz， 內(nèi)存8GB，硬盤1TB）；終端選擇華為榮耀8和紅米5兩款手機(jī)；家居設(shè)備：松下P50U30C電視機(jī)*1，攝像頭*2，溫控電路模塊*2，戴爾Vostro14-5480筆記本電腦*1，光控電路模塊*2，開關(guān)控制器*4，串口調(diào)試器*1。

4.2 軟件環(huán)境

家庭網(wǎng)關(guān)端：操作系統(tǒng)采用Windows 2008 Server并安裝數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件MSSQL2008；移動(dòng)終端采用安卓操作系統(tǒng)，同時(shí)開啟GPRS。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

1）開關(guān)監(jiān)控：較為成功地實(shí)現(xiàn)了家居開關(guān)狀態(tài)的管理。本次實(shí)驗(yàn)主要目的是分析開關(guān)狀態(tài)切換的延遲對(duì)操作結(jié)果的影響，共進(jìn)行4組，每組5次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3：

實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)切換間隔很短，會(huì)造成開關(guān)操作失敗。原因分析：1）網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)需要一定的時(shí)間進(jìn)行處理； 2）開關(guān)控制器也有響應(yīng)時(shí)間。這對(duì)我們網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)提出要求：必須充分考慮開關(guān)切換時(shí)間間隔問題。

2）溫度監(jiān)控：測(cè)試過程同上。主要問題：1）溫度采集區(qū)域差異性，如臥室與客廳存在溫度差異；2）溫度傳感器的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致每次獲取的溫度有差異。

3）視頻監(jiān)控：本次實(shí)驗(yàn)主要分析視頻信號(hào)傳送中，清晰度與流暢度之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：視頻采集清晰度高則畫面的流暢度就差。原因：當(dāng)視頻采集的像清晰度提高，則需傳送的數(shù)據(jù)量就增大，而對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬不變，所以畫面變得不夠流暢。解決方法：在家庭網(wǎng)關(guān)部分加入圖像壓縮技術(shù)。

5進(jìn)一步的工作

本文通過Android操作系統(tǒng)、ZigBee無線通信和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)基本功能。但實(shí)現(xiàn)的主控模塊相對(duì)較少，僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備開關(guān)、視頻監(jiān)控的控制。進(jìn)一步的工作目標(biāo)為：1）實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的較高級(jí)控制，如對(duì)家用電腦的控制。2）嘗試ZigBee和WIFI混合，提高組網(wǎng)靈活性。

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