基于 Android 的智能家居系統(tǒng)設計與研究

王美榮 孫苗苗

摘要：從20世紀80年代智能家居概念的提出至今已有30多年，智能家居已經(jīng)歷了4代的發(fā)展。家居智能控制系統(tǒng)價格低，性價比高，越來越受歡迎。將具有Android操作系統(tǒng)的智能手機或者平板電腦作為智能家居系統(tǒng)的控制終端，以CC2530單片機最小系統(tǒng)作為硬件電路及控制器，設計ZigBee、WIFI及315M射頻網(wǎng)絡軟件，通過RT5350與CC2530的串口連接將ZigBee和WIFI連接起來，設計并開發(fā)本基于 Android 的智能家居系統(tǒng)。

關鍵詞：基于Android;智能家居;ZigBee;WIFI

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0043-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

21 世紀信息化時代以來，伴隨著計算機技術、 智能終端技術、互聯(lián)網(wǎng)技術以及移動互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，以計算機軟硬件為基礎，以互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境為網(wǎng)絡傳輸與交互支撐的新興技術正逐漸的滲透并應用到各行業(yè)各領域中。這些技術深刻地變革了人們原有的工作與生活環(huán)境，為人們追求高質(zhì)量、高便捷性的工作與生活方式提供了強有力的技術支撐力量[1]。自從我們國家進入互聯(lián)網(wǎng)社會以來，科技發(fā)展越來越迅速，智能家居逐漸深入到普通家庭中，它大大便捷了用戶與家電以及家庭環(huán)境間的交流。但目前市場上的智能家居系統(tǒng)都不是很完善，存在著用戶體驗差、成本較高、技術相對落后、無法讓用戶與家居環(huán)境實現(xiàn)良好的溝通與控制等問題。本文通過分析目前市場上智能家居系統(tǒng)的特點，進行基于Android的功能完善、耗能較低、成本理想、安全性高的家居系統(tǒng)設計，提升了智能家居系統(tǒng)的整體性能，給予用戶更好的使用體驗。

1 系統(tǒng)總體設計

該智能家居系統(tǒng)主要由中央控制器、子控制器、控制終端以及服務器組成。中央控制器由Zigbee協(xié)調(diào)器和RT5350組成[2]，子控制器可由用戶自主添加，控制終端即為人們普遍使用的手機或平板電腦等設備，對于網(wǎng)絡通信技術即采用相較于有線技術更為契合智能家居方便快捷、人性化強等特點的無線通信技術。通過控制終端，用戶可以進行統(tǒng)一的控制與管理。在家電設備、居家環(huán)境等方面，控制終端給予用戶一個良好的人機交流界面，用戶通過控制終端輸出指令，再經(jīng)由服務器轉(zhuǎn)發(fā)，之后中央控制器進行指令的轉(zhuǎn)發(fā)、處理與管理控制，最后通過子控制器完成控制對各智能家用電器以及家居環(huán)境的控制、查詢。

2 系統(tǒng)硬件設計

本次課題所研究智能家居系統(tǒng)硬件主要包括：ZigBee模塊、子控制器模塊和中央控制器模塊。

2.1 ZigBee模塊

ZigBee是低功耗雙向無線通信技術中的一種。它遵守IEEE 802.15.4[3]。該模塊采用CC2530芯片實現(xiàn)通信手段，8051內(nèi)核以及相關模塊包括I/O口、RF模塊、電源管理和定時器模塊集成在CC2530芯片上，可用于解決智能家居系統(tǒng)的控制任務。該芯片核心電路主要是無線接收和發(fā)射模塊以及晶振電路。支持最新的ZigBee/PRO協(xié)議標準，嵌入了簡單且廣泛的8051內(nèi)核，集成度最高，具有更大的閃存空間。

2.2 子控制器模塊

子控制器模塊包括智能燈開關模塊、智能插座模塊、智能窗簾模塊及環(huán)境監(jiān)測模塊。本系統(tǒng)智能開關子控制器與觸摸面板之間通過射頻進行通信，CC2530單片機將接受的控制信號通過串口輸出給PIC單片機，經(jīng)處理后驅(qū)動射頻發(fā)射模塊將射頻信號發(fā)送給觸摸面板。觸摸面板為一款利用電容式感應原理開發(fā)的觸摸IC，該觸摸屏具有自動校準功能，同時面板介質(zhì)為絕緣材料。

2.3 中央控制器模塊

本次研究的中央控制器采用RT5350為智能家居系統(tǒng)提供WIFI信號，從而實現(xiàn)2.4GHz、 802.11n的無線產(chǎn)品。研究要求使用低成本材料，使用較少的外圍器件，集成度高、可二次開發(fā)且成本低的RT5350，支持16-bit SDRAM，具有USB 2.0 Host/Device等多個接口，兼容IEEE 802.11 b/g標準，支持WiFi+藍牙與WPA。中央控制器使ZigBee與WIFI可以相互轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee返回的數(shù)據(jù)或者服務器的命令。

3 系統(tǒng)軟件設計

據(jù)統(tǒng)計，2016年在全球智能手機操作系統(tǒng)市場份額中，Android系統(tǒng)的市場份額高達81.4%[4]，故本系統(tǒng)以Android作為移動端。Android是強大靈活的智能終端平臺。據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，Android已成為最受歡迎的智能手機平臺。相比于其他移動設備，普及率更高，更便于操作。利用Android Studio開發(fā)平臺實現(xiàn)遠程訪問智能家居系統(tǒng)的Android手機客戶端App的開發(fā)，智能控制界面是應用程序與用戶直接進行信息交互的可視化界面，用戶點擊控制界面開關、查詢等控件后，后臺程序按照約定將指令傳輸?shù)椒掌?，再由服務器轉(zhuǎn)發(fā)給中央控制器，然后下發(fā)給子服務器，由此實現(xiàn)對智能家居的控制。本系統(tǒng)主要由智能控制界面、通信功能界面以及數(shù)據(jù)庫設計組成。后臺程序利用Eclipse開發(fā)平臺實現(xiàn)服務器端軟件的開發(fā)，通過Java語言實現(xiàn)軟件開發(fā)，利用微處理器和WiFi模塊結(jié)合模擬智能家居設備，將采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務器，利用SQLite作為數(shù)據(jù)庫，作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持。智能控制界面主要包括登錄界面、控制中心主界面和各房間子界面，用戶在正確填寫登錄信息后才能進入主界面，從而對各房間子界面的智能開關、智能插座、智能窗簾等進行控制。本系統(tǒng)服務器采用TCP服務器，通過建立TCP客戶端，通過服務器IP地址和端口號，與服務器進行通信。由于本次智能家居系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較小，故采用Android系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)可儲存數(shù)據(jù)信息。用戶登錄智能控制軟件，系統(tǒng)對提交的數(shù)據(jù)進行比較驗證，只有用戶名和密碼都正確時才能進入主控界面。

在登錄界面填寫正確信息將跳轉(zhuǎn)到控制中心主界面，在控制中心主界面設置控件，分別來實現(xiàn)子房間界面的跳轉(zhuǎn)，從而對子房間界面進行控制，控制中心主界面如圖1所示。

智能窗簾有自動和手動控制兩種模式，自動控制模式下根據(jù)光照強度自動進行調(diào)節(jié)，手動控制模式下分為紅外控制和無線控制兩種，分別利用遙控器或者手機進行控制。溫控系統(tǒng)同樣有自動和手動兩種控制模式，自動控制模式下根據(jù)室內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)或電風扇，手動模式下則同樣具有紅外控制和無線控制兩種。

4 實驗結(jié)果

在硬件的基礎上通過操作系統(tǒng)實現(xiàn)WIFI信號與ZigBee信號之間的相互轉(zhuǎn)化，硬件的特殊設計實現(xiàn)高利用率、低成本的效果。測試App控制軟件對智能家居系統(tǒng)如對智能燈開與關，智能插座，智能監(jiān)控等的控制，通過攝像頭對家庭內(nèi)部進行實時監(jiān)控，通過環(huán)境監(jiān)測對家庭空氣指標等有詳細了解。通過射頻網(wǎng)絡智能燈光實現(xiàn)射頻控制，通過WIFI 網(wǎng)絡實現(xiàn)服務器與ZigBee 協(xié)調(diào)器之間的通信，通過Android平臺開發(fā)的APP設計SQlite 數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)軟件通信。通過硬件與軟件的結(jié)合，對本系統(tǒng)各個場景進行模擬，如圖2場景為模擬智能窗簾控制，圖3場景為模擬智能插座控制。

5 總結(jié)

系統(tǒng)將軟件客戶端與硬件通過智能網(wǎng)關作為橋梁連接，通過網(wǎng)絡傳輸協(xié)議傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關轉(zhuǎn)發(fā)無線傳輸協(xié)議到硬件產(chǎn)品[5]，從其耗能、準確性、穩(wěn)定性、成本等多方面考慮，最終選取以Android手機作為其終端，以WIFI和ZigBee技術為主要的網(wǎng)絡通信技術方案，優(yōu)化了家居系統(tǒng)的功能，給用戶更好的體驗。

系統(tǒng)也存在以下幾方面的不足有待改進：1）由于使用的元器件比較多，在完成設計的過程中遇到了引腳不足的情況，為了保證設計功能的完整性和多樣性，采用了雙機通信的方式來增加引腳，解決引腳不足的問題;2）目前該智能家具系統(tǒng)的無線控制距離較短，無法實現(xiàn)遠程控制;3）本系統(tǒng)目前功能相對比較簡單，后期有待進一步的完善。

參考文獻：

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[4] 李小孟.Android和WIFI通信在智能家居系統(tǒng)設計中的應用[J].電視技術，2018，42（5）：107-111.

[5] 闞港輝，王恩亮.基于Android的智能家居一體化控制系統(tǒng)[J].科技視界，2019（4）：62-63.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】