基于Android的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

平衡

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 信息與控制工程系， 煙臺 265500)

0 引言

作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的配套技術(shù)，嵌入式技術(shù)發(fā)展較為成熟，逐漸在各領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，為滿足人們對高品質(zhì)生活的追求，智能安全的家居環(huán)境成為研究的熱點(diǎn)，智能家居綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制、音視頻及布線等技術(shù)，將家居生活中的設(shè)備組建成家居管理系統(tǒng)，從而對其進(jìn)行有效的智能化和個性化管理。智能家居領(lǐng)域目前雖處于發(fā)展階段，結(jié)合綠色節(jié)能建筑、環(huán)保建筑等發(fā)展理念，有著廣泛的市場需求，研究智能家居系統(tǒng)具有重要應(yīng)用價值[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以Android作為為平臺,具備低成本、易擴(kuò)展等優(yōu)勢，相比基于無線智能家居等控制系統(tǒng)，其更適合居民家庭應(yīng)用，能夠較好的實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備內(nèi)網(wǎng)的組建，家居設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能夠在客戶端界面上實(shí)時顯示，通過控制終端App即可對智能家居控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置,開源SQLite數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用提升了數(shù)據(jù)存儲及維護(hù)能力,內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的信息交互實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的智能安防功能。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

為有效連接家居生活中的設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能控制，首先需完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN的組建，具體可通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境中相關(guān)模塊同網(wǎng)絡(luò)的連接，再使用傳感器實(shí)時采集家庭各類設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括探測器、報(bào)警按鈕等)，如室內(nèi)環(huán)境可使用煙霧傳感器、溫濕度傳感器等完成檢測，用紅外人體感應(yīng)器進(jìn)行防盜等。按照Zstack協(xié)議棧將采集的數(shù)據(jù)信息傳遞給Cortex-A8處理器，完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議的轉(zhuǎn)換，完成對終端節(jié)點(diǎn)信息的處理后反饋給ZigBee節(jié)點(diǎn)，并通過控制繼電器實(shí)現(xiàn)對各終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作的有效控制(包括開關(guān)通斷或聲光報(bào)警等)，利用網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)家電、智能安防的遠(yuǎn)程控制[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制板設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要在Android 操作系統(tǒng)上運(yùn)行，內(nèi)置高性能圖形引擎，以提供流暢的圖形加速功能，選用S5PV210開發(fā)板作為主控制板，Cortex-A8 處理器內(nèi)核，配置512 MB的RAM內(nèi)存，容量為2 GB的MLC Flash，網(wǎng)絡(luò)連接通過外接自適應(yīng)以太網(wǎng)RJ45接口一個(10/100 M)實(shí)現(xiàn)，USB接口、RS485總線接口、CAN總線接口各1個，主控板硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 主控板硬件結(jié)構(gòu)

2.2 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的家居智能控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，ZigBee 無線通信主芯片選用了CC2530芯片(TI公司推出)，該芯片擁有豐富的外接端口，滿足不同環(huán)境下系統(tǒng)的低功耗需求，在多種模式下皆可運(yùn)行，終端節(jié)點(diǎn)信息的采集主要由ZigBee網(wǎng)關(guān)模塊負(fù)責(zé)完成，智能終端系統(tǒng)通過串口實(shí)時接收采集到的信息，將水浸傳感器配置在其他ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊中以確保廚衛(wèi)設(shè)施發(fā)生漏水時及時上報(bào)系統(tǒng)，煙霧探測器對室內(nèi)煙霧情況進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)根據(jù)溫濕度傳感器對室內(nèi)溫濕度的測量結(jié)果進(jìn)行智能調(diào)控，人體紅外探測器用于安全防護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能家居的家庭子網(wǎng)的組建采用了星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用Z-Stack協(xié)議棧，開發(fā) IEEE802.15.4等技術(shù)的基礎(chǔ)平臺(TI公司推出)，由 OSAL 層、MAC 層、HAL 層、App 層等組成其軟件目錄，各層信息的傳遞通過 API 接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.1 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器軟件流程如圖3所示。

作為無線通信網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)組建、參數(shù)設(shè)定、信息管理等皆由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)完成，系統(tǒng)需先進(jìn)行Z-Stack協(xié)議棧，在完成硬件初始化后，由協(xié)調(diào)器對信道能量進(jìn)行掃描，完成網(wǎng)絡(luò)PANID的建立，根據(jù)實(shí)際情況對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行配置，新的子節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)前需申請，協(xié)調(diào)器監(jiān)測到請求后允許其加入，為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，對于傳感器發(fā)送來的請求信息需進(jìn)行區(qū)分，針對不同情況(如控制命令或查詢操作)系統(tǒng)對相應(yīng)傳感器動作進(jìn)行分別控制 ，或發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令[4]。

圖3 協(xié)調(diào)器軟件流程

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集到的數(shù)據(jù)信息的上傳、查詢信息、用戶控制指令的接收由終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成，終端節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)流程圖

模塊上電后需先進(jìn)行初始化，完成信道掃描后向系統(tǒng)發(fā)送入網(wǎng)請求，系統(tǒng)會為其分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，接下來網(wǎng)絡(luò)信息的偵聽由終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，若判斷接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為用戶控制指令，則根據(jù)實(shí)際需要對傳感器進(jìn)行調(diào)用實(shí)現(xiàn)控制操作的及時執(zhí)行，若判斷結(jié)果為查詢信息，則通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將查詢到的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[5]。

3.3 客戶端軟件設(shè)計(jì)

(1)Android 終端軟件設(shè)計(jì)

該部分軟件主要由主頁面 、信息查詢頁面、及網(wǎng)絡(luò)攝像頭控制頁面三部分構(gòu)成，根據(jù)實(shí)際需要可對具體功能(包括燈光控制、溫濕度及電表查詢等)進(jìn)行添加，智能家居控制系統(tǒng)登錄后界面如圖5所示。

圖5 家居控制系統(tǒng)首頁

終端系統(tǒng)在首次登錄時需根據(jù)頁面提示要求將用戶名及密碼、監(jiān)控 IP、端口號、在輸入框內(nèi)輸入，根據(jù)家中是否有人可將當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置為布防或撤防模式，布防模式下系統(tǒng)會對家庭各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)用戶對相應(yīng)情況的遠(yuǎn)程調(diào)控，異常狀況將上傳送監(jiān)控圖片至用戶移動終端并發(fā)送消息提醒，將情況反饋給小區(qū)物業(yè)，做到及時報(bào)警，用戶可通過移動終端進(jìn)行電表查詢、家電智能控制等操作，系統(tǒng)會及時提醒用戶續(xù)繳水電費(fèi)等[6]。

(2)環(huán)境信息監(jiān)測模塊的實(shí)現(xiàn)

家庭環(huán)境溫濕度的監(jiān)測主要由該模塊負(fù)責(zé)，能夠?qū)Ξ?dāng)前及歷史環(huán)境信息進(jìn)行查詢，溫濕度數(shù)據(jù)的獲取通過在WCF服務(wù)里通過相關(guān)函數(shù)的調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)，以直觀的圖表形式供用戶查看，把鼠標(biāo)放在環(huán)境信息查詢按鈕上，點(diǎn)擊自動彈出的當(dāng)前環(huán)境信息查詢子菜單，時間和溫濕度的實(shí)時更新數(shù)據(jù)以曲線圖的形式在當(dāng)前環(huán)境信息查詢界面顯示，方便用戶對溫濕度變化情況進(jìn)行查看與調(diào)控，當(dāng)前環(huán)境信息查詢界面如圖6所示。

圖6 當(dāng)前環(huán)境信息查詢頁面

對于某一時間段家庭內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)的查詢在歷史環(huán)境信息查詢界面完成，把鼠標(biāo)放在環(huán)境信息查詢按鈕上，點(diǎn)擊自動彈出的歷史環(huán)境信息查詢子菜單，主要以表格的形式直觀的展示給用戶。

(3)家庭設(shè)備控制及安防報(bào)警模塊的實(shí)現(xiàn)

對電燈、空調(diào)、冰箱等家用電器的開關(guān)進(jìn)行控制時主要由家庭設(shè)備控制模塊負(fù)責(zé)完成，通過數(shù)據(jù)庫中各設(shè)備信息(包括設(shè)備 ID、名稱、狀態(tài)等)的讀取，完成家庭設(shè)備控制頁面的加載，已建立 Socket服務(wù)器端的PC服務(wù)器端處于監(jiān)聽狀態(tài)，用戶對電器的控制在獲取設(shè)備名和設(shè)備ID 號后，通過點(diǎn)擊頁面的打開、關(guān)閉或調(diào)節(jié)按鈕即可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過Socket的使用完成控制命令的發(fā)送，界面會對發(fā)送成功的指令進(jìn)行顯示，指令發(fā)送失敗時會提示用戶重新操作，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

廚房煤氣或天然氣狀態(tài)及是否有人進(jìn)入家中等情況的監(jiān)測由安防報(bào)警模塊完成，用戶可對所需監(jiān)測狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置(啟用或關(guān)閉向終端發(fā)送報(bào)警短信功能)，通過數(shù)據(jù)庫中設(shè)備信息的讀取完成安防報(bào)警頁面的加載，據(jù)此用戶可了解家庭安全狀況。

4 系統(tǒng)調(diào)控與測試

為檢測嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，通過在手機(jī)上安裝本系統(tǒng)后，登錄App軟件對所需檢測的家居設(shè)備同系統(tǒng)進(jìn)行連接，設(shè)備與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器均實(shí)現(xiàn)正常連接，實(shí)時采集室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)信息后，在系統(tǒng)首頁進(jìn)行查詢，結(jié)果表明控制各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)正常，能夠?qū)囟葷穸冗M(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對電燈、空調(diào)等設(shè)備的開關(guān)進(jìn)行控制，對于異常的煙霧狀態(tài)及有人進(jìn)入等情況會向手機(jī)終端發(fā)送圖片及消息提醒，在調(diào)控過程中為檢測網(wǎng)絡(luò)通信距離(指傳感器與協(xié)調(diào)器間)，通過點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟包測試，測試結(jié)果表明有效的傳輸距離可達(dá)到10 米以上，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，說明該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性[7]。

5 總結(jié)

隨著人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸在日常家居中得以普遍應(yīng)用，為滿足人們對智能家居的需求，本文主要對嵌入式智能家居控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用傳感器實(shí)時采集環(huán)境信息，采用ZigBee 技術(shù)完成家庭內(nèi)部控制子網(wǎng)的組建，完成了家居控制系統(tǒng)總體架構(gòu)的構(gòu)建，依據(jù)Andorid平臺采用Cortex-A8處理器完成監(jiān)控終端的開發(fā)，并對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)以保證控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)θ粘＜揖舆M(jìn)行智能控制，成本低、穩(wěn)定性高且擴(kuò)展性好。