胡 波, 馬傳龍

宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，宿州，234000

基于Android平臺下的家居智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

胡 波, 馬傳龍

宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，宿州，234000

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，智能家居控制也開始朝著移動互聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，以為人們提供更加方便、快捷的家居服務(wù)。當(dāng)前智能家居控制中存在著遙控器管理難、沒有真正為人們提供方便快捷的服務(wù)等問題，為了解決這一問題，實現(xiàn)基于Android平臺，采用無線通信技術(shù)對家居智能控制系統(tǒng)中的硬件、軟件進行選擇和設(shè)計。硬件上主要對中央控制器、GSM模塊電路、音頻模塊電路、通信電路等重要的硬件設(shè)備進行設(shè)計，其控制主要是通過各節(jié)點實現(xiàn)的，通過硬件控制實現(xiàn)家居設(shè)備的智能控制。軟件上主要對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能遙控系統(tǒng)、智能娛樂系統(tǒng)幾個功能模塊進行設(shè)計，以實現(xiàn)對居住空間內(nèi)相關(guān)設(shè)備的智能化控制。基于Android平臺下的家居智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了智能家居的手機遠程控制，為人們提供了更加人性化的居住環(huán)境。

家居智能控制系統(tǒng)；Android遠程遙控；ZigBee

隨著人們生活水平的提高，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，家居開始朝著智能化方向發(fā)展，智能家居應(yīng)運而生，近年來已進入人們視野。和普通家居相比，智能家居除了為人們提供基本的居住環(huán)境外，還能保證人們居住空間的舒適性、安全性、方便性。智能家居的發(fā)展，實現(xiàn)了居住空間的人性化[1]。當(dāng)前市場上已出現(xiàn)智能家居，如小米智能燈泡等，只要有無線信號的地方，就能將燈泡點亮。家居智能化主要是依靠控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)輔助下，即使用戶不在家中，也能實現(xiàn)對家居的控制。家居智能控制系統(tǒng)中，將居住空間內(nèi)的各類家居設(shè)備以某種形式有機連接在一起，實現(xiàn)對家居的實時、異地監(jiān)控。在家居智能控制系統(tǒng)中，除了有家庭主機、手持終端、智能網(wǎng)關(guān)、家居設(shè)備等，還需要一個控制終端，即控制系統(tǒng)，實現(xiàn)家居智能化控制。家居設(shè)備不同，遙控器也不同，但隨著人們對居家生活要求的提高，如何高效實現(xiàn)各類遙控器管理是一個重要問題[2]。隨著智能手機的普及，各類APP得以廣泛應(yīng)用，本文基于Android平臺對家居智能控制系統(tǒng)進行研究，以解決智能家居應(yīng)用中的遙控器管理問題，即通過安裝在Android系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)便能對各類家居進行智能化的遙控管理，以提高家居智能化水平，進一步促進居住空間的人性化。

1 家居智能控制系統(tǒng)概述

家居智能控制系統(tǒng)(smarthome control systems,簡稱SCS)是以家居電器及家電設(shè)備為主要控制對象，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、綜合布線技術(shù)、音視頻技術(shù)以及自動控制技術(shù)等將家居設(shè)施進行高效集成而構(gòu)建的先進的住宅設(shè)施的控制管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能提升家居安全，舒適、便利、智能，還能實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[3]。

家居智能控制系統(tǒng)有以下幾個特點[4]：

(1)不受時間和距離的限制；

(2)價格便宜，一般家庭都可接受；

(3)無需額外購買遙控器；

(4)手機隨身攜帶，實時控制性強；

(5)有網(wǎng)絡(luò)的地方即可控制，不受地點限制；

(6)24小時隨時待命，不受時間限制；

(7)安裝方便，不需要專業(yè)技術(shù)人員即可安裝。

2 家居智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

家居智能控制是以無線通信技術(shù)為主體，利用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，以Android平臺作為控制端，向后臺發(fā)送信號，后臺修改控制信息，當(dāng)被控制端向后臺發(fā)送信息時返回被修改的控制信息，被控制端作出響應(yīng)，從而達到控制被控制端的效果[5]。

2.1 家居智能控制系統(tǒng)終端硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)對居住空間內(nèi)所有設(shè)施、設(shè)備的智能管理和控制，需要事先進行人機交互。圖1為家居智能控制終端圖。

圖1 家居智能控制終端圖

智能控制終端在控制各項設(shè)備時，用戶點界面控件發(fā)出操作命令，后臺服務(wù)程序會對用戶命令進行分析，并將命令發(fā)至協(xié)調(diào)器進行分析，然后將命令發(fā)到相應(yīng)的節(jié)點上。節(jié)點控制器對相應(yīng)設(shè)備進行操作，實現(xiàn)用戶對家居設(shè)備的智能控制。

連接家居智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要有中央控制器、GSM模塊電路、音頻模塊電路、通信電路。

(1)中央控制器設(shè)計。考慮到系統(tǒng)的可擴展性需求，中央控制器芯片選擇三星公司生產(chǎn)的S3C6410芯片，該芯片主頻在500 MHz以上。圖2為中央控制器結(jié)構(gòu)圖。

圖2 中央控制器結(jié)構(gòu)圖

在中央控制器構(gòu)成中，除了S3C6410芯片外，還對DDR RAM、POWER、觸摸屏、音頻模塊、JTAG、UART、NAND Flash等進行擴展，運用這些硬件，實現(xiàn)基于Android平臺的中央控制器構(gòu)成。

(2)GSM模塊電路設(shè)計。在當(dāng)前通信模式中，GSM模塊電路由于接口通用性較強，應(yīng)用較為廣泛。本文選擇西門子公司的TC35模塊產(chǎn)品作為GSM模塊電路。TC35中，主要構(gòu)成有供電、閃存、GSM射頻模塊、天線接口、基帶處理器、ZIF連接器等構(gòu)成。本文的控制系統(tǒng)主要基于Android平臺設(shè)計的，對其他功能要求不高，GSM模塊電路的連接也不復(fù)雜，相對較為簡單。

(3)音頻模塊電路設(shè)計。在進行音頻模塊電路設(shè)計時，音頻解碼芯片主要以VLSI公司生產(chǎn)的VS1003B為主。該芯片是專門用于音頻處理的，不僅能實現(xiàn)對MP3、MP4的解碼播放，同時還具有錄音存儲功能，運行效率也較高，滿足了音頻模塊電路設(shè)計的需要。

(4)通信電路設(shè)計。通信電路主要是通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)的。采用ZigBee技術(shù)，在不改變硬件的情況下便能實現(xiàn)組網(wǎng)，再加上ZigBee具有低能耗的優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用在家居智能控制系統(tǒng)中。運用ZigBee技術(shù)進行通信電路設(shè)計時，主要選擇CC2530芯片。這一芯片是TI公司設(shè)計的，其中還帶有中央處理器、存儲器等，集成度較高。

2.2 家居智能節(jié)點控制硬件設(shè)計

家居智能控制系統(tǒng)中，需要通過各個節(jié)點對家居電器設(shè)備進行相連和控制，因此需要對節(jié)點控制相關(guān)硬件進行設(shè)計。

在進行節(jié)點控制系統(tǒng)設(shè)計時，采用了具有精簡指令集的ATmega16單片機。該單片機的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)1MIPS/MHz的速率，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的高速性。如圖3為節(jié)點控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 節(jié)點控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在節(jié)點控制系統(tǒng)中，主要有開關(guān)控制電路、PWM調(diào)光電路、環(huán)境監(jiān)測電路、紅外報警器電路等。通過這些電路，實現(xiàn)了對家居設(shè)備的控制。

(1)開關(guān)控制電路設(shè)計。居住空間中，電器設(shè)備很多。對電器設(shè)備的控制十分簡單，只進行開或關(guān)控制。但有的電器設(shè)備對安全性要求較高，如熱水器等，因此，在開關(guān)控制電路設(shè)計過程中，需要借助電磁繼電器的幫助，將不同功率的電器進行分割，保證各電器應(yīng)用的安全性。選擇JQX-115F型繼電器，驅(qū)動電壓能達到5 V，電流為100 mA，電阻為50 Ω，最大電流為16 A。選擇的驅(qū)動三極管主要以NPN8050為主，該三極管最大電流為500 mA，以滿足電路設(shè)計的要求。

(2)PWM調(diào)光電路設(shè)計。照明設(shè)備是家居智能控制中的重要對象。當(dāng)前家居中白熾燈應(yīng)用較少，主要以節(jié)能的LED燈為主，因此PWM調(diào)光電路主要針對LED燈設(shè)計。設(shè)計過程中，為了滿足PWM調(diào)光頻率的要求，選擇N溝道MOS管中的IPB022N05L晶體管，該晶體管能夠承受的最大電壓為40 V。

(3)環(huán)境監(jiān)測電路設(shè)計。環(huán)境監(jiān)測主要是對居家中的濕度、溫度、火焰進行檢測，保證溫濕度滿足人體舒適感覺。溫度、濕度監(jiān)測時所需要的傳感器有所不同：溫度監(jiān)測采用DS1820產(chǎn)品，能夠?qū)?55℃～130℃進行檢測，監(jiān)測誤差不超過0.5℃。在實現(xiàn)火焰監(jiān)測時，選擇火焰專用傳感器對屋內(nèi)是否有火焰進行感應(yīng)，監(jiān)測到有火焰存在時，則顯示1，無火焰時則為0。濕度監(jiān)測主要是采用AM1001傳感器來實現(xiàn)。該傳感器主要是對輸出的電壓值進行判斷來感應(yīng)室內(nèi)濕度。

(4)紅外報警器電路設(shè)計。家居智能控制系統(tǒng)除了對各類電器設(shè)備等進行控制外，還承擔(dān)著安防作用，因此需要對紅外報警器進行設(shè)計。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報通知用戶。紅外報警器一般設(shè)置于出入口，如大門口或重要過道處，能實現(xiàn)對室內(nèi)的監(jiān)控，并將監(jiān)控信息傳遞至中央控制器處，實現(xiàn)監(jiān)測。紅外報警器安裝時，除了對發(fā)射器進行安裝外，還需要安裝接收器。當(dāng)監(jiān)視范圍內(nèi)沒有人通過時，接收器只能接收到紅外射線；而一旦有人通過，則接收不到射線，則說明存在異常情況。為了提高該模塊的性能，應(yīng)選擇ABT-100的紅外報警器。

3 軟件設(shè)計和實現(xiàn)

軟件是家居智能控制系統(tǒng)的重要構(gòu)成，也是家居智能控制系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。根據(jù)家居智能控制的實際需求，設(shè)計了如圖4所示的家居智能控制系統(tǒng)框架圖。

圖4 軟件總體設(shè)計流程圖

在家居智能控制系統(tǒng)中，主要有環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能遙控系統(tǒng)、智能娛樂系統(tǒng)等功能模塊。不同功能模塊負(fù)責(zé)不同的家居控制操作，共同協(xié)作，從而實現(xiàn)對居住空間內(nèi)相關(guān)設(shè)備的智能化控制。

(1)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。對居住環(huán)境的溫度、濕度等進行監(jiān)測管理，為用戶提供一個良好的居住環(huán)境。另外，環(huán)境監(jiān)測還能對空間中是否存在火焰進行檢測，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。如圖5為溫度設(shè)置界面圖。

圖5 溫度設(shè)置界面圖

(2)智能照明系統(tǒng)。對居住空間內(nèi)的燈光等照明設(shè)備進行智能化管理。用戶離家時可在該功能中查看各房間內(nèi)照明設(shè)備是否全部關(guān)閉，沒有關(guān)閉可遠程關(guān)閉。如圖6為智能燈光管理界面圖。

圖6 智能燈光管理界面圖

(3)智能安防系統(tǒng)。對居住空間進行安防報警設(shè)置。家中沒人時可啟用此功能，出現(xiàn)安防異常情況時實現(xiàn)智能報警。

(4)智能娛樂系統(tǒng)。對居住空間內(nèi)的音響設(shè)備等進行智能化管理，用戶能遠程實現(xiàn)對娛樂設(shè)備的操控。如圖7為音樂播放智能控制界面圖。

圖7 音樂播放智能控制界面圖

如下為智能音頻功能設(shè)計的關(guān)鍵代碼。

String get_Audio=MediaStore_Audio.Meida.DATA+"like? ";

String[]getArgs={path+"%"}

Cursor

cur=context.GetContentResolver()query(Utils.UUSIC_MEDIA,null,get_Audio,getArgs,null);

if(cur!=null)

{

while(cur.movToNext())

{

ContentValues va=initMyContengValues(cur);

Smart_music.insert(va);

}

}

(5)智能遙控系統(tǒng)。對居住空間內(nèi)的所有家電設(shè)備等進行智能遙控管理，用戶只需一個遙控設(shè)備便能實現(xiàn)對所有電器設(shè)備的管理，而無需花費心思和精力管理不同類別的遙控器。如圖8為窗簾智能控制界面圖。

4 結(jié) 論

本文對基于Android平臺設(shè)計出了家居智能控制系統(tǒng)。分別從控制系統(tǒng)的硬件、軟件兩個方面來實現(xiàn)，并給出了Android平臺界面的系統(tǒng)運行圖。該系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了智能家居的手機遠程控制，進一步提高了智能家居的人性化，為人們提供了安全、舒適、快捷、方便的居家環(huán)境。

圖8 窗簾智能控制界面圖

[1]陸興華,吳恩燊,黃冠華.基于Android的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015,5(11):14-16

[2]馬洪軒.基于Android的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].電子測試, 2015(10):28-29

[3]徐宏宇,程武,張博.基于ARM和Android的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2017,36(3):29-32

[4]師公社,王義菊.基于Android智能家居控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程,2017,45(4):777-782

[5]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(shù)與發(fā)展, 2012, 22(6):225-228

(責(zé)任編輯：劉小陽)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.10.028

2017-07-25

宿州學(xué)院重點科研項目“基于HMDS的視頻業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)接入控制機制研究”(2016yzd09)。

胡波(1979-)，安徽宿州人，碩士，助教，研究方向：自動化控制。

TP393.1

A

1673-2006(2017)10-0107-04