馬書杰

摘 要：通過對國內(nèi)外智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展研究現(xiàn)狀的研究，調(diào)查并分析了用戶在智能家居控制系統(tǒng)中的應用需求、消費預期以及使用習慣，將ZigBee無線通訊技術、互聯(lián)網(wǎng)技術相結合，設計了基于Android的智能家居控制系統(tǒng)。

關鍵詞：智能家居 Android ZigBee CC2530

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）09-000-02

電話的發(fā)明，特別是智能手機的出現(xiàn)，促使計算機互聯(lián)網(wǎng)向移動互聯(lián)網(wǎng)過渡。移動互聯(lián)網(wǎng)起源于上世紀90年代，但直到近幾年才開始高速發(fā)展。除了智能手機外，平板電腦及筆記本等移動終端也在近幾年得到迅猛的發(fā)展，人們對手機的要求不再局限在通話和短信，而是使用手機發(fā)微信、聊QQ、看微博、手機支付、理財、訂票、自拍以及自駕導航等功能。

感知識別技術在進入21世紀后，進入高速發(fā)展階段，從而改變了信息產(chǎn)生的方式。在信息的自動生成方面，傳感器和智能識別終端成為對物質(zhì)世界感知、檢測的重要手段。世界上的信息公司巨頭們（例如愛立信、英特爾等）一致認為，具有聯(lián)網(wǎng)通信能力且價格低廉的微處理器及微控制器將使可聯(lián)網(wǎng)的終端設備在數(shù)量上產(chǎn)生激增。物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，將會使人們的生活發(fā)生翻天覆地的變化。由于物聯(lián)網(wǎng)融合了傳感器技術、計算機網(wǎng)絡等多種技術，其很快將會成為電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新制高點。

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展將家居的智能化進程推向了新的發(fā)展高度，通過將家庭中的各種電器之間的互聯(lián)，實現(xiàn)設備間數(shù)據(jù)的互相傳遞，為人們的生活提供智能化的服務即智能家居服務。預計到2020年，連接設備的數(shù)量估計將呈指數(shù)級增長至500億。目前，智能家居系統(tǒng)中的各設備通過無線互聯(lián)，大大節(jié)約了布線成本，促使其走進尋常百姓家成為一種可能。智能家居逐漸被大眾和各大服務商看中，預計在今年會有80%的家庭選擇其智能服務。

一、Android系統(tǒng)簡介

Android是一種開源手機操作系統(tǒng)，目前發(fā)展勢頭十分迅猛， Android 已經(jīng)成為主流的嵌入式操作系統(tǒng)。Android操作系統(tǒng)作為眾多操作系統(tǒng)中的一員，具有免費、開源、高效、高靈活性及更新頻繁等眾多特征。Android操作系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核，并且對原有Linux內(nèi)核進行了功能擴充，主要為平板電腦、智能手機等移動智能終端提供資源管理和調(diào)度功能。Android操作系統(tǒng)的免費并且開源，使其迅速成為世界上眾多手機廠商（如三星、HTC、華為、OPPO等）追捧的對象，國際知名大公司的陸續(xù)加入，參與到Android的研發(fā)工作中，推動了Android的發(fā)展和市場化進程。僅僅使用4年時間，Android操作系統(tǒng)成功超越諾基亞Symbian、黑莓以及蘋果公司引以為傲的IOS，成為世界上占有率最高的智能移動終端操作系統(tǒng)，最新的Android版本為7.1.1。在2016年上半年，Android操作系統(tǒng)在移動智能終端操作系統(tǒng)中的占有率以及突破80%，創(chuàng)造了歷史新高。因此，研發(fā)出一種基于 Android的智能家居系統(tǒng)更符合市場的發(fā)展趨勢，具有長足的意義。

Android操作系統(tǒng)的內(nèi)核源代碼提供了完整的框架以及庫文件，在此基礎上，谷歌公司對外還提供了完整的SDK文件及開發(fā)說明文檔，大大降低了開發(fā)其應用程序的難度。由于Android操作系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核開發(fā)，因此，應用程序開發(fā)人員可以很迅速的步入Android的開發(fā)陣營，使用Java開發(fā)語言實現(xiàn)各種各樣的應用程序。Android操作系統(tǒng)對2D、3D及數(shù)據(jù)庫有良好的支持，因此，應用程序開發(fā)人員可以迅速、高效的開發(fā)出游戲程序、應用軟件以及互聯(lián)網(wǎng)應用程序等。

二、無線通訊技術

2.4G頻段是世界上免費使用的ISM頻段，其優(yōu)勢是頻段較寬，具有較快的傳輸率，硬件設備尺寸小，利于集成。該頻段主要有ZigBee技術、Wifi技術、藍牙等。

ZigBee通信技術是一種近距離的無線傳輸技術，介于藍牙技術和無線標記技術之間，其基礎是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組制定的IEEE 802.15.4技術標準。采用ZigBee通信技術的傳感器可以在消耗很小能量的基礎上，通過無線電波進行數(shù)據(jù)的傳輸，所以，它有功耗低、通信效率非常高的優(yōu)點。ZigBee通信技術在IEEE制定的標準中僅僅處理低級MAC層和物理層的協(xié)議，其它網(wǎng)絡協(xié)議及API則由ZigBee聯(lián)盟進行了標準化。采用ZigBee通信技術的硬件成本很低，因為其協(xié)議棧只需要使用8位處理器、4KB的ROM以及64KB的RAM就能勝任，因此，ZigBee通信技術在商用方面有先天的成本優(yōu)勢。

CC2530 結合了 TI 公司業(yè)界領先的 ZigBee 協(xié)議棧（Z-StackTM），提供了一個強大和完整的 ZigBee 解決方案。另外，CC2530無線單片機芯片是一款低系統(tǒng)成本、超低能量消耗的射頻芯片及網(wǎng)絡型軟件產(chǎn)品，該芯片使用2.4GHz的無線信道，并且集成了可編程內(nèi)存及通過了認證的ZigBee協(xié)議棧。該芯片采用增強型的8051中央處理器，擁有8KB可讀寫存儲設備。中央處理器和可編程內(nèi)存部分、無線信號收發(fā)部分以及時鐘、電源等相關的部分是該芯片的三大構成部件。P0端口與P1端口為功能復用端口，由相應的寄存器控制功能模式選擇。當模式選為通用I/O接口時，接入狀態(tài)指示電路。另外，CC2530芯片之所以是超低功耗的芯片，除了其能夠工作在待機模式之外，更重要的是其外設需求少，僅需要供電電源、收發(fā)端、復位電路以及晶振這四個模塊就可以實現(xiàn)一個可以正常工作的系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)具備無線網(wǎng)絡的建立以及數(shù)據(jù)交換等重要功能。

處于同一棟建筑、同一單位的專用網(wǎng)絡就是局域網(wǎng)，局域網(wǎng)為小范圍內(nèi)的網(wǎng)絡化辦公提供了資源共享和數(shù)據(jù)信息的交換。局域網(wǎng)往往采用光纖為主干傳輸介質(zhì)、雙絞線或者無線電波為終端傳輸介質(zhì)，在終端傳輸介質(zhì)的應用方面，有線傳輸具有較高的傳輸效率的優(yōu)勢，但是，卻存在布線困難、難以應對網(wǎng)絡拓撲變化及維護不便的問題，無線傳輸則在具備有線傳輸?shù)膬?yōu)勢的同時，彌補了其各種問題，成為一種使用簡單、便捷的聯(lián)網(wǎng)技術。

目前，無線局域網(wǎng)應用相當廣泛，有逐漸替代有線網(wǎng)絡的趨勢。無線局域網(wǎng)可以根據(jù)覆蓋區(qū)域的不同，分為室內(nèi)無線局域網(wǎng)和室外無線局域網(wǎng)。室內(nèi)無線局域網(wǎng)包括大型商場、辦公室等場所，室外無線局域網(wǎng)包括大型廣場、港口、碼頭等空曠區(qū)域。無線局域網(wǎng)多采用IEEE802.11協(xié)議標準，可以工作在2.4GHz以及5GHz的頻段上，給用戶帶來良好的網(wǎng)絡體驗。

三、系統(tǒng)設計

基于Android的智能家居控制系統(tǒng)主要是由移動智能終端、無線路由設備、智能網(wǎng)關設備、ZigBee終端設備、ZigBee協(xié)調(diào)器以及各種傳感器、電器設備等部分構成。電器設備將狀態(tài)數(shù)據(jù)信息發(fā)送給ZigBee終端設備，ZigBee終端設備將狀態(tài)數(shù)據(jù)信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過Internet將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至智能移動終端，同樣的，移動智能終端將數(shù)據(jù)信息逆向發(fā)送給電器設備，從而構成了一個暢通的數(shù)據(jù)交換鏈路，各個構成部分的具體功能如下。

1.ZigBee終端設備

該設備負責同電器設備終端數(shù)據(jù)信息的交互，收集各種電器設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息并以無線互聯(lián)的方式發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，或者接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器的動作命令并下達給各種電器設備。

2.ZigBee協(xié)調(diào)器

該設備負責同ZigBee終端設備進行數(shù)據(jù)信息的交換，接收來自ZigBee終端設備的數(shù)據(jù)信息并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給智能網(wǎng)關設備，或者接收來自智能網(wǎng)關設備的動作命令并下達給ZigBee終端設備。

3.智能網(wǎng)關設備

智能網(wǎng)關主要負責ZigBee設備的聯(lián)網(wǎng)功能，負責將通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞來的動作命令下達給ZigBee協(xié)調(diào)器，或者負責接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)信息，其給了ZigBee設備接入互聯(lián)網(wǎng)的能力。

4.無線路由設備

無線路由設備給了ZigBee設備接入互聯(lián)網(wǎng)的能力，也是用戶遠程控制家電設備的橋梁。該設備負責將動作命令下發(fā)給智能網(wǎng)關，也負責接收智能網(wǎng)關上傳的數(shù)據(jù)信息并上傳給通過互聯(lián)網(wǎng)接入的移動智能終端。

5.移動智能終端

移動智能終端是用戶直接操作和使用的設備，用來根據(jù)各種家電設備的狀態(tài)信息，使用智能家居控制系統(tǒng)APP對其進行遠程操作的設備。當用戶需要控制家電設備時，只需要在移動智能終端上使用使用智能家居控制系統(tǒng)APP下達動作指令，通過無線路由設備、智能網(wǎng)關設備、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端設備構成的互聯(lián)通路來控制各種電器設備的開與關。

移動智能終端、智能家居控制系統(tǒng)APP、無線路由設備、智能網(wǎng)關設備、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端設備構成了整個智能家居系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體架構圖如圖1所示。

結語

本文從智能家居控制系統(tǒng)的設計方面如此，分析了目前智能家居領域發(fā)展的現(xiàn)狀，并詳細闡述了智能家居控制系統(tǒng)所涉及的技術理論，例如Zigbee通信協(xié)議、CC2530控制芯片。將將ZigBee無線通訊技術、互聯(lián)網(wǎng)技術等相結合，設計了基于Android的智能家居控制系統(tǒng)。