江新道　張芹

摘要：本文提出一種基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能家居終端系統(tǒng)方案，智能家居本地網(wǎng)關部分由ZigBee無線傳感器與家庭寬帶網(wǎng)絡組成，基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能設備，通過控制終端軟件與家庭寬帶網(wǎng)絡連接，并通過本地網(wǎng)關獲取信息和控制智能家居設備，從而實現(xiàn)基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)。其核心是解決移動互聯(lián)網(wǎng)終端設備與智能家居設備之間的相互通信。

關鍵詞： 智能家居；移動互聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；Android

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）18-0169-04

Mobile Internet-based Smart Home Terminal System Design

JIANG Xin-dao，ZHANG Qin

（Anhui Vocational College of Electronic and Information Technology， Bengbu 233060， China）

Abstract： This paper proposes a mobile Internet-based smart home terminal system solutions ， smart home will be part of a local gateway with ZigBee wireless sensor network of home broadband ， mobile Internet-based smart devices， via the control terminal software and home broadband internet connection， and access to and control through a local gateway smart home devices ， enabling mobile Internet-based smart home system . Its core is the solution to the mobile Internet terminal equipment and smart home devices to communicate with each other .

Key words： smart home；mobile Internet；ZigBee；Android

1 整體框架設計

整個智能家居框架結構由三部分組成：ZigBee本地網(wǎng)絡、家庭網(wǎng)關和智能終端，如圖1。其中，ZigBee本地網(wǎng)絡由若干ZigBee無線模塊連接家中的各種設備，用以采集基礎數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信號。家庭網(wǎng)關負責連接本地網(wǎng)絡與遠程控制終端，內（ZigBee）外（TCP/IP）網(wǎng)之間的協(xié)議轉換和家居基礎數(shù)據(jù)的管理，是整個家居系統(tǒng)的核心組件。

2 網(wǎng)關設計

ZigBee網(wǎng)絡采用星形結構，供電方式選擇直流供電。移動終端設備與家庭網(wǎng)關數(shù)據(jù)交互采用http超文本傳輸方式，具體流程如圖2。

智能家居設備通過傳感器采集溫度、壓力等數(shù)據(jù)，經(jīng)I/O接口與ZigBee相連，通過ZigBee協(xié)議將這些基礎數(shù)據(jù)傳送給家庭網(wǎng)關。家庭網(wǎng)關的ZigBee模塊設計如圖3所示。

網(wǎng)關與ZigBee適配器之間的I/O接口選擇串口接口（兼容性更好）。其控制過程如圖4所示。

ZigBee模塊設計：

本文選用CC2430芯片作為主要部件，再配合晶振時鐘電路和射頻電路，可以實現(xiàn)預期效果。CC2430的典型應用電路如圖5所示。

數(shù)據(jù)庫設計：因為要對設備進行管理，所以要在數(shù)據(jù)庫中添加設備管理表。同時還要對用戶權限進行設置，因此還要有權限管理表。網(wǎng)關部分的數(shù)據(jù)庫設計如圖6所示：

功能框架設計：整個網(wǎng)關系統(tǒng)由用戶管理、設備管理、終端管理、權限管理和日志管理5大管理模塊組成。

3 終端軟件設計與實現(xiàn)

3.1 終端數(shù)據(jù)庫設計利用SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取功能

1） 數(shù)據(jù)庫結構設計：家居設備表用來存儲家居設備的信息，諸如編號、名稱、IP地址等。其中，設備的類型指所使用的傳感器的類型。操作類型則是指允許對設備進行的操作，如電器設備的開、關等。設備狀態(tài)表用來存儲某設備某時間段的狀態(tài)。

2） 數(shù)據(jù)庫代碼實現(xiàn)：由于Android系統(tǒng)的開放性， SQLite數(shù)據(jù)庫用戶僅需繼承其提供的開放接口，就能實現(xiàn)SQLite數(shù)據(jù)的基本操作。數(shù)據(jù)操作類結構見圖8。

具體代碼如下：

3） 控制系統(tǒng)功能框架設計：控制系統(tǒng)由五大模塊組成，分別是登錄、開關、溫度、監(jiān)控和計量模塊。各模塊之間的結構如圖9所示。

4） 登錄模塊：實現(xiàn)終端用戶的身份認證。用戶登錄流程見圖10。

（1）用戶登錄：通過Android系統(tǒng)打開登錄界面，輸入用戶名和密碼，該數(shù)據(jù)通過Android系統(tǒng)提交給家庭網(wǎng)關進行比對處理，再反饋給Android用戶界面。

（2）用戶注冊：通過Android系統(tǒng)打開登錄界面，輸入新的用戶名并設置新的密碼，數(shù)據(jù)通過Android系統(tǒng)提交給家庭網(wǎng)關比對、存儲，處理后再反饋回Android界面。

（3）家庭網(wǎng)關數(shù)據(jù)的獲?。和ㄟ^超文本傳輸協(xié)議HTTP訪問家庭網(wǎng)關，通過HttpPost向家庭網(wǎng)關提交數(shù)據(jù)請求，家庭網(wǎng)關首先要對數(shù)據(jù)請求進行判斷，然后對數(shù)據(jù)進行處理，最后將處理的結果再次通過HTTP協(xié)議反饋給終端設備。具體處理流程見圖11，代碼如下：

5）主控模塊 負責智能家居設備的管理工作。

一方面，用戶通過Android終端控制器向家庭網(wǎng)關發(fā)送控制信息，家庭網(wǎng)關通過ZigBee網(wǎng)絡將控制信息發(fā)送給指定的家居設備；另一方面家居設備也可以通過ZigBee網(wǎng)絡向家庭網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)，再由家庭網(wǎng)關將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到Android終端上，通過Android界面顯示。數(shù)據(jù)交互過程見圖12：

3.2 模塊設計與實現(xiàn)

1）登錄模塊：用戶通過登錄模塊進入遠程控制系統(tǒng)，進入控制界面。登錄流程見圖13：

用戶打開系統(tǒng)后會出現(xiàn)登錄界面（見圖14左圖），如注冊新用戶，則彈出右側注冊界面。

2）主控模塊：負責完成對智能家居的控制。具體流程如圖15所示：

當用戶進入主控模塊，則可實現(xiàn)對家中各房間的控制，主控界面見圖16。

進入房間后，可以對房間內各智能家居設備，如燈具的開關，空調的開關、視頻監(jiān)控等進行控制。同時，用戶還可以新建房間，也可以自定義房間圖標顯示的房間信息。

3） 溫度監(jiān)控：溫度監(jiān)控過程如圖17所示：

4 系統(tǒng)測試結果與分析

4.1 硬件環(huán)境

Zigbee模塊采用廣州星博技術公司生產(chǎn)的無線智能控制板（圖18）；智能網(wǎng)關采用高性能計算機一臺（CPU四核 2.4GHz， 內存8GB，硬盤1TB）；終端選擇華為榮耀8和紅米5兩款手機；家居設備：松下P50U30C電視機*1，攝像頭*2，溫控電路模塊*2，戴爾Vostro14-5480筆記本電腦*1，光控電路模塊*2，開關控制器*4，串口調試器*1。

4.2 軟件環(huán)境

家庭網(wǎng)關端：操作系統(tǒng)采用Windows 2008 Server并安裝數(shù)據(jù)庫管理軟件MSSQL2008；移動終端采用安卓操作系統(tǒng)，同時開啟GPRS。

4.3 測試結果分析

1）開關監(jiān)控：較為成功地實現(xiàn)了家居開關狀態(tài)的管理。本次實驗主要目的是分析開關狀態(tài)切換的延遲對操作結果的影響，共進行4組，每組5次。實驗結果見表3：

實驗表明：當切換間隔很短，會造成開關操作失敗。原因分析：1）網(wǎng)關接收數(shù)據(jù)需要一定的時間進行處理； 2）開關控制器也有響應時間。這對我們網(wǎng)關程序設計提出要求：必須充分考慮開關切換時間間隔問題。

2）溫度監(jiān)控：測試過程同上。主要問題：1）溫度采集區(qū)域差異性，如臥室與客廳存在溫度差異；2）溫度傳感器的不穩(wěn)定性會導致每次獲取的溫度有差異。

3）視頻監(jiān)控：本次實驗主要分析視頻信號傳送中，清晰度與流暢度之間的關系，實驗結果見表4：

實驗結果：視頻采集清晰度高則畫面的流暢度就差。原因：當視頻采集的像清晰度提高，則需傳送的數(shù)據(jù)量就增大，而對應的網(wǎng)絡帶寬不變，所以畫面變得不夠流暢。解決方法：在家庭網(wǎng)關部分加入圖像壓縮技術。

5進一步的工作

本文通過Android操作系統(tǒng)、ZigBee無線通信和移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)基本功能。但實現(xiàn)的主控模塊相對較少，僅實現(xiàn)了對設備開關、視頻監(jiān)控的控制。進一步的工作目標為：1）實現(xiàn)對家居設備的較高級控制，如對家用電腦的控制。2）嘗試ZigBee和WIFI混合，提高組網(wǎng)靈活性。

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