王 瑞 娜

(三門峽職業(yè)技術(shù)學院，河南 三門峽 472000)

基于Android的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王 瑞 娜

(三門峽職業(yè)技術(shù)學院，河南 三門峽 472000)

目的 隨著網(wǎng)絡技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對智能家居環(huán)境的需求程度日益增強，但利用紅外遙控以及電腦等方式的家居控制使用不夠靈活，無法真正實現(xiàn)家居系統(tǒng)的實時控制。結(jié)合Android手機等終端設備開發(fā)一套實時性較強的智能家居控制系統(tǒng)，給用戶帶來更好的體驗。方法 以Android系統(tǒng)為平臺，結(jié)合ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)，硬件以ARM和ZigBee為主題構(gòu)建網(wǎng)絡，軟件以Android為平臺開發(fā)手機客戶端APP，方便用戶的使用。結(jié)果 以溫度監(jiān)測為例，在10∶00、11∶00、12∶00、13∶00溫度傳感器監(jiān)測到的室內(nèi)溫度分別為20.53 ℃、20.57 ℃、21.00 ℃、21.30 ℃，專用溫度計顯示的溫度分別為20.52 ℃、20.56 ℃、21.01 ℃、21.31 ℃，可以看出家居系統(tǒng)監(jiān)測到的室內(nèi)溫度基本與專用溫度計顯示一致，而且連續(xù)數(shù)小時的工作，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)正確、穩(wěn)定的傳輸，達到對家居系統(tǒng)的實時檢測。結(jié)論 通過對當前智能家居市場的了解與分析，結(jié)合ZigBee技術(shù)與Android系統(tǒng)開發(fā)設計了基于手機客戶端的智能家居控制系統(tǒng)。經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)運行良好，方便用戶及時了解家居環(huán)境并實現(xiàn)相應控制，對提高智能家居生活的質(zhì)量有一定的參考價值。

Android；ZigBee；智能家居

0 引 言

智能家居是以家庭住宅環(huán)境為平臺，利用網(wǎng)絡通信技術(shù)、傳感技術(shù)及控制技術(shù)等，將與家居生活有關(guān)的各子系統(tǒng)進行有機結(jié)合，高效地使用和控制家電設備，使人們的生活智能化、信息化、人性化，核心目標就是提高人們的生活質(zhì)量。目前，國內(nèi)外市場上組建智能家居系統(tǒng)的方法主要有3種[1]：(1)利用紅外線通信技術(shù)組建智能家居系統(tǒng)，該方法傳輸距離短，無法遠程控制家電，而且無法靈活組網(wǎng)，維修也比較麻煩；(2)在電腦上運行智能家居系統(tǒng)的控制軟件，這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)家居設備的遠程控制，但是電腦不能方便地隨身攜帶，只能在固定地點登錄家居系統(tǒng)進行控制，導致系統(tǒng)運行的靈活性和實時性受到很大限制；(3)將智能手機和平板電腦做為智能家居系統(tǒng)的控制端，并結(jié)合低功耗、低成本和易組網(wǎng)的ZigBee技術(shù)組建智能家居控制系統(tǒng)，這種方法克服了前2種方法的弊端，能夠真正實現(xiàn)實時、方便、遠程控制家居設備，給用戶帶來更智能化的生活體驗。本文選擇采用第三種方法設計智能家居控制系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)設計

在研究智能家居系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎上，根據(jù)用戶家居生活的需求，設計基于Android平臺和無線ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含手機客戶端、無線Internet網(wǎng)絡、各類傳感器模塊及節(jié)點模塊，如圖1所示?；竟ぷ鬟^程是通過傳感器模塊中的各種傳感器采集家居生活環(huán)境中的溫度、光線等信息，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送到ZigBee模塊，并利用無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶的手機客戶端，用戶可根據(jù)需求，控制家居設備，設置家居環(huán)境[2]。由圖1可以看出本系統(tǒng)架構(gòu)具有以下幾個優(yōu)勢：可以根據(jù)用戶的需求輕松實現(xiàn)家電的添加和配置，方便用戶的管理；用戶不需要額外組建網(wǎng)絡，利用家庭現(xiàn)有的網(wǎng)絡重新設置傳輸請求就可以傳輸數(shù)據(jù)至手機客戶端；在系統(tǒng)總體架構(gòu)中將家居設備作為一個整體，利用計算機網(wǎng)絡通信，保證了數(shù)據(jù)通信的安全性、靈活性和便捷性。

圖1 智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

2 硬件設計

2.1 ZigBee模塊

ZigBee是新興起的短距離無線傳輸技術(shù)，它具有低速率、高安全、高容量、時延短及低價格等優(yōu)勢，非常適合于近距離的無線連接[3]。本系統(tǒng)中的ZigBee模塊采用的是TI公司的CC2530芯片，該芯片結(jié)合了集成的高性能RF收發(fā)器和有代碼預取功能的低功耗8251微處理器的良好性能，提供高達128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存和8 KB RAM等強大功能，大大提高了系統(tǒng)的接收靈敏度以及抗干擾能力。

ZigBee網(wǎng)絡由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點組成。為提高智能家居系統(tǒng)的性價比，本系統(tǒng)采用星狀組網(wǎng)方式，其中ZigBee協(xié)調(diào)模塊是整個網(wǎng)絡的核心，負責無線傳感器網(wǎng)絡的組建、網(wǎng)絡中設備的加入以及網(wǎng)絡內(nèi)的地址分配等服務功能；路由器節(jié)點負責網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點負責收集各傳感器節(jié)點的信息，并對家電設備進行相應的控制處理；ZigBee各節(jié)點之間可以相互通信，也可以與ARM網(wǎng)關(guān)通信。

2.2 ARM家庭網(wǎng)關(guān)模塊

家庭網(wǎng)關(guān)是連接ZigBee網(wǎng)絡和外部Internet網(wǎng)絡的物理接口，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器終端和服務器的相互通信，是智能家居系統(tǒng)的核心部分。本文采用ST公司的STM32F103ZETT6芯片作為ARM處理器。該芯片價位低、功耗低，具有64 KB SRAM、512 KB FLASH、5個串口、4個通用定時器、2個高級定時器等非常強大的芯片配置，這些特征不僅能夠方便地進行家居系統(tǒng)的外圍擴展，也使網(wǎng)絡的通信性能更為強大。圖2是家庭網(wǎng)關(guān)核心模塊的關(guān)系圖，STM32F103ZETT6芯片上高集成的ADC和DAC能夠快速采集傳感器上的節(jié)點信息，然后將收集的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)流，通過Wi-Fi發(fā)送到外部Internet網(wǎng)絡，最終發(fā)送到手機客戶端，用戶在接受到報警信息后能夠及時發(fā)送控制命令采取實時控制。

圖2 ARM家庭網(wǎng)關(guān)核心模塊關(guān)系圖

2.3 傳感器與供電方式選擇

智能家居系統(tǒng)中的傳感器部分負責采集家居環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應的操作，為了實驗方便，本系統(tǒng)選取MQ-4天然氣傳感器模塊、DS18B20溫度傳感器、STH11濕度傳感器和光敏電阻傳感器。在設計傳感器的電路時考慮到更方便更換傳感器模塊，終端節(jié)點都以直接插口的方式設計電路，并采用電池供電，提高家居設備的靈活性。

3 軟件設計

3.1 手機客戶端軟件設計

Android系統(tǒng)是基于Linux開發(fā)的，操作簡單，智能化程度高，本系統(tǒng)采用Android系統(tǒng)進行程序開發(fā)[4]。

3.1.1 Android應用程序的組成部分

Android應用程序的開發(fā)采用Java語言，主要涵蓋以下幾個方面：

(1)Context：應用程序的控制中心，主要功能是加載和訪問資源，同時啟動應用級操作。

(2)Activity:組成一個Android應用程序的每個子任務被稱為一個Activity，負責與用戶交互的應用程序組件，Activity之間通過Intent進行通信。

圖3 系統(tǒng)主界面控制結(jié)構(gòu)圖

(3)Intent：一個Intent用來敘述其所期望的目標、服務及相關(guān)數(shù)據(jù)等。Android將任務請求打包成一個Intent并根據(jù)其敘述，找出與其相匹配的Activity。

(4)Service：是一個后臺運行的組件，當應用程序不需要與用戶交互時，可以使用Service來完成，比如數(shù)據(jù)計算等。

3.1.2 手機客戶端主界面的設計與實現(xiàn)

手機客戶端是在Android系統(tǒng)上開發(fā)的界面友好、功能全面、操作簡單實用的APP，方便用戶在手機上實時監(jiān)控家居環(huán)境。本系統(tǒng)的界面包括主界面、控制界面和歷史查詢界面。

主界面是用戶成功登陸到系統(tǒng)后的界面，該界面設置了系統(tǒng)中各模塊的功能按鈕，當用戶點擊某按鈕時，就會觸發(fā)該按鈕的監(jiān)控器，然后通過Intent數(shù)據(jù)傳遞打開相關(guān)模塊的子界面，根據(jù)用戶需求實現(xiàn)相關(guān)操作[5]。主界面在Java源代碼文件中通過調(diào)用getContent-View()函數(shù)實現(xiàn)。

智能家居系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)的接收功能主要通過Activity編寫數(shù)據(jù)接收函數(shù)來實現(xiàn)，本系統(tǒng)在開發(fā)時充分利用Java語言的多線程并發(fā)性特征，在Socket機制下依據(jù)TCP協(xié)議編寫recv()數(shù)據(jù)接收函數(shù)，保證終端節(jié)點能夠隨時接收控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.1.3 手機端信息處理模塊

基于Android的智能家居系統(tǒng)中要實現(xiàn)手機的短信收發(fā)功能，需要在AndroidManifest.xml文檔中添加一條語句：來注冊短信發(fā)送的權(quán)限，允許應用程序發(fā)送短信。

對家居系統(tǒng)中的按鈕功能可通過設置事件監(jiān)聽SetOnClickListener，并通過調(diào)用onClick()函數(shù)來執(zhí)行相關(guān)操作[6]。本系統(tǒng)中onClick()函數(shù)包括負責短信發(fā)送的sendSMS()函數(shù)和負責將發(fā)送的短信寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的ContenValues()函數(shù)。為確保短信能夠及時、準確的發(fā)送和接受，需要先注冊短信發(fā)送和接受的廣播，然后調(diào)用BroadcastReceiver()函數(shù)并結(jié)合toast語句，在客戶端顯示信息的收發(fā)狀態(tài)。信息發(fā)送和接受廣播的注冊代碼為：

registerReceiver(sendMessage,new IntentFilter(SENT_SMS_ACTION));

registerReceiver(receiver,new IntentFilter(DELIVERED_SMS_ACTION))。

3.2 家電控制模塊

家電控制模塊主要用來管理家居環(huán)境中的各種電器，如智能窗簾、智能開關(guān)等。在該模塊中需要編寫數(shù)據(jù)函數(shù)向外發(fā)送數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對家電的控制，本系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)名為Send()。數(shù)據(jù)在發(fā)送前會先確定中央控制器的IP地址及端口號，然后結(jié)合Socket套接字機制和TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，在數(shù)據(jù)傳輸過程中還需要中央控制器自動識別并解析發(fā)送的數(shù)據(jù)格式，為避免數(shù)據(jù)解析過程中出現(xiàn)歧義或無法解析的問題，需要為數(shù)據(jù)定義統(tǒng)一格式，發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式如表1：

表1 發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式

3.3 傳感器模塊

傳感器模塊主要負責家居環(huán)境的信息采集，與上述家電模塊類似，通過調(diào)用函數(shù)向中央控制器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，當控制設備接收到請求時，傳感器監(jiān)測節(jié)點就開始采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到控制終端，利用繼電器完成對家電設備的開關(guān)控制，從而完成對家居環(huán)境的監(jiān)測，實現(xiàn)家電智能化控制。本文以溫度及光敏傳感器模塊為例進行分析，溫度傳感器采用IIC總線傳輸數(shù)據(jù)，完成家居環(huán)境的溫濕度信息采集，光敏傳感器將電壓信號經(jīng)過放大器放大后傳輸?shù)紸D輸入端，光敏信息的采集由0-12bit的AD采集器采集。

圖4 溫濕度及光敏傳感器模塊圖

3.4 系統(tǒng)的Socket通信實現(xiàn)

基于Android的智能家居系統(tǒng)通過Socket通信方式達到控制家居設備的目的，Socket常用的傳輸協(xié)議有UDP協(xié)議和TCP協(xié)議，其中UDP是面向非連接的協(xié)議，傳輸速率高，資源消耗少，但傳輸可靠性差，一般用來傳輸少量數(shù)據(jù)；TCP是面向連接的協(xié)議，一般用來傳輸大量數(shù)據(jù)，傳輸可靠性高，但速率相對較慢。本文選擇TCP方式實現(xiàn)Socket通信，在Android系統(tǒng)中提供了Socket類(客戶端)和ServerSocket類(服務器端)接口，包含有監(jiān)聽、連接、讀/寫、關(guān)閉等方法，以提高開發(fā)效率[7]。

服務器端和客戶端的Socket通信流程如圖5所示，服務器啟動后，首先通過Socket()函數(shù)調(diào)用Socket對象，并綁定服務器的IP地址和端口號，然后通過bind()函數(shù)綁定本地網(wǎng)絡的IP地址和Socket對象，通過listen()函數(shù)監(jiān)聽設備。服務器端通過accep()函數(shù)與客戶端建立連接，等待客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，當IP地址和端口號與服務器端匹配時，即可獲取Socket流并調(diào)用write()函數(shù)和read()進行讀寫操作，完成數(shù)據(jù)通信，最后通過close()關(guān)閉流文件[6]。

圖5 Socket通信流程圖

4 實驗測試

4.1 系統(tǒng)測試環(huán)境

硬件環(huán)境：計算機(CPU：2 GHz、內(nèi)存：2 G、硬盤：120 G)，手機(CPU：1 GHz、內(nèi)存：1 G，外存：16 G)、配套的數(shù)據(jù)線等。

軟件環(huán)境：計算機(windows 7操作系統(tǒng)、JDK5.0，Android SDK4.0，Eclipse SDK4.2，Tomcat7.0)，手機(Android OS 4.2.2(720×1280))

4.2 系統(tǒng)測試

4.2.1 傳感器模塊測試

本文以DS18B20溫度傳感器為例進行測試，以實驗室專用的溫度計為衡量標準，與本系統(tǒng)傳感器采集的信息進行對比，結(jié)果如表2所示：

表2 溫度對照表(℃)

由表中對比結(jié)果可以看出，溫度傳感器采集的溫度數(shù)值與實際溫度值基本一致，在3個多小時的連續(xù)工作中，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，能夠滿足用戶的需求。

4.2.2 ZigBee模塊通信測試

測試環(huán)境：150 m2的室內(nèi)環(huán)境，有一定數(shù)量的墻體或其他家居障礙，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊放置在家庭入口處，家用WiFi開啟，信號發(fā)射周期為120 ms，重復測試次數(shù)1 000次，單個信號重復3次，測試結(jié)果見表3：

表3 ZigBee模塊通信測試結(jié)果

由表中測試結(jié)果可以看出，ZigBee模塊通信能夠滿足系統(tǒng)的設計要求。

4.2.3 應用軟件測試

應用軟件測試是對整個智能家居系統(tǒng)功能完整性及運行效果進行的測試，用戶登錄后能夠順利進入控制界面及歷史查詢界面，軟件的操作性、穩(wěn)定性及實用性能夠達到預期目標，圖6是系統(tǒng)的幾個操作界面：

圖6 手機操作界面示意圖

5 總 結(jié)

本文介紹了基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，分別從智能家居系統(tǒng)的整體設計、硬件設計及軟件設計方面進行分析，并對家居系統(tǒng)各模塊的功能實現(xiàn)及Socket通信的實現(xiàn)進行說明，最終完成系統(tǒng)的設計目標。系統(tǒng)設計的優(yōu)勢在于結(jié)合無線ZigBee技術(shù)，以智能手機為控制終端，設計簡單易操作的手機APP軟件，方便用戶對家居設備的控制，具有一定的實用價值。

[1]黃成云,盧選民,李戈.基于Android的智能家居控制軟件設計與實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化,2014，(11):43-45.

[2]代明慧,劉書祥,楊衛(wèi).ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應用[J].無線互聯(lián)科技,2015,9(11):73-75.

[3]周恩,李文軍.Android平臺的智能家居控制系統(tǒng)設計[J].中國計量學院學報,2013,24(03):261-163.

[4]宋玉琴,姬引飛.基于Android和ZigBee的智能家居系統(tǒng)設計[J].西安工程大學學報,2015,29(04):442-445.

[5]劉洋,楊保亮.基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用,2016,35(03):87-89.

[6]王利琦.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設計[D].吉林：吉林建筑大學,2015.

[7]李泊鋒,王亞剛.基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設計[J].電子科技,2016,29(03):86-88.

[責任編輯：王榮榮 英文編輯：劉彥哲]

Design and Implementation of Smart Home System Based on Android

WANG Rui-na

(Sanmenxia Polytechnic College,Sanmenxia,Henan 472000,China)

Objective With the rapid development of network technology and communication technology and increasing demand for smart home furnishing environment,the home control system using infrared remote control and computer is not flexible enough to realize the real-time control of home system.By combining Android phones and other terminal equipment,a real-time strong intelligent home control system was developed to give users a better experience.Methods By combining ZigBee technology,this paper took Android system as a platform to realize intelligent home control system.Its hardware was based on ARM and ZigBee as the theme of building a network,and its software was developed on Android platform mobile phone client APP,which was convenient to use.Results The temperature monitoring was taken for example:the indoor temperatures measured by sensor at 10∶00,11∶00,12∶00 and 13∶00 were 20.53 ℃,20.57 ℃,21.00 ℃ and 21.30 ℃,respectively,which were in general agreement with those by the specific thermometer(20.52 ℃,20.56 ℃,21.01 ℃ and 21.31 ℃).After hours of work,the system achieved the correct and stable data transmission and real-time detection.Conclusion By understanding and analyzing the current market of the smart home,this paper combined the ZigBee technology and Android system development and designed intelligent control system based on home furnishing mobile phone client.Through testing,the system runs well,and is convenient for user to understand the home furnishing environment and realize the corresponding control.It has a certain reference value to improving the quality of life with the intelligent home furnishing.

Android;ZigBee;smart home

河南省教育廳科學技術(shù)重點項目(15B520026)

王瑞娜(1984-)，女，河南靈寶人，三門峽職業(yè)技術(shù)學院講師，碩士，研究方向:計算機應用技術(shù)。

TP 317

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.11.002

來稿日期：2016-05-27