文丹

（桂林信息科技學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

隨著普通家庭生活水平的提高以及科技的飛速發(fā)展，智能家電走進(jìn)了普通家庭。過去智能家電就意味著高成本難使用，隨著AI的發(fā)展及無線通信技術(shù)的發(fā)展，由單純的智能家電向智能家居系統(tǒng)發(fā)展。智能家居不僅僅局限于對(duì)家電的控制，隨著智能程度的提高，會(huì)向著智能化與自動(dòng)化發(fā)展。例如：根據(jù)主人的作息習(xí)慣，提前開啟空調(diào)，熱水器等。監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境，智能化控制相應(yīng)的家電工作，如根據(jù)溫度變化開啟空調(diào)調(diào)整室內(nèi)溫度等。智能化程度越高意味著加入到整個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量會(huì)比較大，如果采用線路控制的方式，安裝成本高，設(shè)備部署不靈活。因此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)智能家居的交互系統(tǒng)是很有意義的。智能手機(jī)和智能隨身設(shè)備的的普及，可將智能手機(jī)作為智能家居的控制終端，智能手表，手環(huán)作為人體狀態(tài)的定位與感應(yīng)可以使得智能家居系統(tǒng)更貼合人們的生活習(xí)慣，同時(shí)也降低了整套系統(tǒng)的部署成本，更有利于智能家居系統(tǒng)進(jìn)入普通用戶的家庭、

目前，智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但仍存在一些問題，成本高、穩(wěn)定性差，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展性差，操作繁瑣等。智能家居未來的發(fā)展需要很好的解決上述問題。智能家居這塊“大餅”，也吸引了眾多品牌來，如華為、京東、小米等，甚至一些傳統(tǒng)家也紛紛踏入，如海爾、蘇泊爾等。各種物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)依托各種方式也走入了人們的視野當(dāng)中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

■1.1 系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能

（1）采用 ZigBee 的組網(wǎng)方式構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能家電及控制系統(tǒng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理。

（2）通過ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)控家電設(shè)備的工作情況；部分老式家電可通過ZigBee終端智能開關(guān)控制通斷電實(shí)現(xiàn)控制；實(shí)現(xiàn)ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)；通過智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，智能遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸。通過傳感器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的采集，光感知，氣體的監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)智能家居設(shè)備的自動(dòng)控制。通過Android系統(tǒng)的智能終端 APP對(duì)智能家居系統(tǒng)中的家電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理。

（3）通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理。

■ 1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的智能家居交互系統(tǒng)通過使用ZigBee芯片CC2530設(shè)計(jì)終端電路將溫濕度傳感器，光度傳感器以及各類安防監(jiān)控類型傳感器進(jìn)行組合，利用CC2530實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的傳輸及各類型傳感器的控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的感知再經(jīng)控制終端的分析后對(duì)家電設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能控制。使用ZigBee芯片設(shè)計(jì)終端設(shè)備及終端用電控制模塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的智能控制。

系統(tǒng)中心是ZigBee芯片CC2530和WiFi芯片ESP8266設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)關(guān)，其主要作用是有效分析及傳輸數(shù)據(jù)及指令。利用串口UART在CC2530和ESP8266間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)ZigBee物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)，WiFi網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接。

在基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)開發(fā)APP，以實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及指令控制。通過設(shè)計(jì)基于Android客戶端的WEB服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)控制終端處于外部網(wǎng)路時(shí)對(duì)智能家居設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控及控制。

■1.3 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)方案

其主要功能模塊有：ZigBee-WiFi智能網(wǎng)關(guān)、Android APP客戶端軟件、WebServer服務(wù)器、帶傳感器和控制器的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)等。智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透傳。以Android系統(tǒng)的智能手機(jī)為控制協(xié)調(diào)中心，替代PC主機(jī)。智能網(wǎng)關(guān)可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)智能家電的集中的管理與有效控制。

以ZigBee芯片CC2530和WiFi芯片ESP8266構(gòu)建的智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的透傳，ZigBee協(xié)調(diào)器不再需要連接到PC主機(jī)，直接使用Android手機(jī)端的APP實(shí)現(xiàn)管理和控制。通過互聯(lián)網(wǎng)的連接可以在存在互聯(lián)網(wǎng)的任何地方進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理。

本系統(tǒng)采用TI公司8051核心的CC2530作為傳感節(jié)點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)如下：

(1)功耗低，只用普通的于電池，在低能耗環(huán)境下，Zig Bee節(jié)點(diǎn)可工作180天左右。

(2)集成度較高，功能較完善。集成C8051，ADC，Zig Bee，支持協(xié)議為Zig Bee2007/PRO，組網(wǎng)簡便，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠。

(3)開發(fā)平臺(tái)較成熟。

(4)專利免費(fèi)試用，硬件成本較低。

無線網(wǎng)絡(luò)WiFi模塊使用的是ESP8266，主要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)及局域網(wǎng)的接入。CC2530和ESP8266之間的數(shù)據(jù)通訊可直接通過芯片自帶的串口直接鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。智能手機(jī)的控制終端可直接通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)直接接入，終端的數(shù)據(jù)采集結(jié)果可直接發(fā)送到APP，控制指令也可以直達(dá)終端。

整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

2 系統(tǒng)硬件電路與軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的硬件部分主要包括ZigBee-WiFi智能網(wǎng)關(guān)和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，智能網(wǎng)關(guān)底板，主要由ZigBee芯片CC2530 ，ESP8266WiFi 芯片和實(shí)現(xiàn)串口通信的CH341A芯片組成。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要包含ZigBee芯片底板，傳感器模組和控制模塊。

■ 2.1 ZigBee-WiFi 智 能 網(wǎng) 關(guān) 的設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)因需要長時(shí)間工作，因此采用外部電源進(jìn)行供電。為增強(qiáng)其適配性電源輸入接口采用Type-C接口，輸入電源電壓為5V。再通過MP1583DN的電路將電壓降為3 3V對(duì)電路的主要芯片進(jìn)行供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

ZigBee模塊主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)通過UART接口及串口傳輸?shù)絎iFi模塊。WiFi模塊主要負(fù)責(zé)接入家庭局域網(wǎng)或直接與智能手機(jī)連接，將各終端的數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送到手機(jī)操作終端或Web網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端。電源模塊負(fù)責(zé)提供電路所需要的電壓，電流。

2.1.2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至WiFi模塊，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)連接到控制終端或者網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)處理流程如圖3所示。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

■2.2 ZigBee 終端電路設(shè)計(jì)

終端電路主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的功能，室內(nèi)環(huán)境的感知，遠(yuǎn)程家電的遙控，遠(yuǎn)程電路的通斷。環(huán)境感知主要包括溫濕度，ZigBee終端電路包括電源、ZigBee底板、傳感器模塊，遙控模塊，繼電器等。電源部分直接采用鋰電池供電，采用SGM40560設(shè)計(jì)鋰電池的充電電路，接口采用Type-C接口，便于使用計(jì)算機(jī)USB接口或相應(yīng)的電源適配器對(duì)終端進(jìn)行充電。各部分功能采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行組合。

ZigBee底板使用CC2530最小系統(tǒng)的方案。傳感器模塊主要包含溫濕度傳感器，紅外感應(yīng)器，氣體傳感器，光感器，磁感器等；遙控模塊可以使用紅外或藍(lán)牙控制模塊以便對(duì)家電進(jìn)行遙控；附加繼電器后可以變身為智能開關(guān)直接控制電器的通斷電。

溫濕度傳感器主要選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，產(chǎn)品具有很高的可靠性和長期穩(wěn)定性。適用于家庭智能家居電路的應(yīng)用場景。

氣體傳感器主要選用MQ-2氣敏器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。MQ-2常用于日常生活生產(chǎn)的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，可對(duì)各種可燃?xì)怏w及煙霧進(jìn)行探測(cè)。MQ-2的探測(cè)范圍廣、靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動(dòng)電路簡單。適用于低成本氣體感應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)。

人體紅外傳感器主要選用HC-SR501進(jìn)行設(shè)計(jì)。HCSR501是基于紅外技術(shù)的控制模塊，靈敏度高，穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于微型自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備。

遙控模塊選用YS-IRTM進(jìn)行紅外遙控發(fā)射電路設(shè)計(jì)。模塊集成單片機(jī)及紅外收發(fā)電路，可直接使用串口控制?？蛇B接多個(gè)紅外發(fā)射頭，便于紅外發(fā)射模塊擴(kuò)展。

圖4 終端電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■2.3 應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要分三個(gè)方面，一是智能網(wǎng)關(guān)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；二是智能網(wǎng)關(guān)中，WiFi模塊的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；三是終端節(jié)點(diǎn)中的ZigBee底板的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

2.3.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序主要作用是進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，給網(wǎng)絡(luò)中的各終端分配地址，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其主要工作流程是：

（1）ZigBee協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后，掃描并選擇合適的信道和網(wǎng)絡(luò)號(hào)段來構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，之后等待ZigBee終端節(jié)點(diǎn)連接。

（2）ZigBee終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，掃描網(wǎng)段中的網(wǎng)絡(luò)，使用預(yù)先設(shè)置的口令申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。

（3）終端節(jié)點(diǎn)獲取傳感器的數(shù)據(jù)后，通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。

（4）ZigBee協(xié)調(diào)器接到數(shù)據(jù)后，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到WiFi模塊。

（5）ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接收到通過物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)的指令，做出相應(yīng)的響應(yīng)。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器的工作流程圖

2.3.2 WiFi模塊的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

ESP8266芯片帶有AP模式等網(wǎng)絡(luò)路由模式，根據(jù)實(shí)際情況選擇工作模式。構(gòu)建WiFi網(wǎng)絡(luò)。將協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制端或者WebServer服務(wù)器。工作流程圖如圖6所示。

圖6 WiFi工作流程圖

2 3 3 ZigBee 底板的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

終端結(jié)點(diǎn)工作流程如協(xié)調(diào)器工作流程類似，加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，將傳感器數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，將接收到的控制指令發(fā)送至相應(yīng)的響應(yīng)模塊。工作流程圖如圖7所示。

圖7 終端結(jié)點(diǎn)工作流程圖

3 Android APP 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 Android APP的功能需求

本文所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)是使用Android系統(tǒng)的智能設(shè)備作為控制終端，用戶可以在智能設(shè)備上通過安裝的APP對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。當(dāng)用戶控制終端處于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可通過智能家居網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制；當(dāng)用戶控制終端處于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，客戶端需要通過訪問基于WebServer服務(wù)器獲取最新的數(shù)據(jù)及發(fā)送指令。

控制終端應(yīng)該具有以下功能：

（1）為保障信息安全和隱私，需通過注冊(cè)賬號(hào)，通過賬號(hào)密碼登錄后，再對(duì)家電設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

（2）可以通過控制終端對(duì)智能家電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及設(shè)置控制邏輯。如根據(jù)房間的溫濕度，人體感應(yīng)，光感情況開啟或關(guān)閉相應(yīng)的電器。如果有異常情況客戶端需要及時(shí)向用戶發(fā)出警報(bào)。

（3）控制終端可以設(shè)置情景模式。如外出，睡眠，影院，運(yùn)動(dòng)，自定義等情景模式。

■3.2 控制終端APP的設(shè)計(jì)方案

APP使用Android Studio進(jìn)行開發(fā)，使用TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中通過WiFi網(wǎng)絡(luò)向智能網(wǎng)關(guān)上的WiFi模塊發(fā)送控制指令，智能網(wǎng)關(guān)接收控制指令后，通過內(nèi)部串口將指令發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送指令到相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)Android客戶端對(duì)家電設(shè)備遠(yuǎn)程的操作。

APP的設(shè)計(jì)包括用戶UI界面，智能網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)連接，webserver服務(wù)器連接及數(shù)據(jù)交互三個(gè)方面。通過使用四大組件，完成整個(gè)APP客戶端的業(yè)務(wù)邏輯。APP客戶端軟件主要由登錄驗(yàn)證，家電控制和情景模式三個(gè)部分組成。注冊(cè)或登錄通過請(qǐng)求服務(wù)器返回狀態(tài)碼判斷注冊(cè)或者登錄情況，核對(duì)用戶信息?？刂平K端連接智能網(wǎng)關(guān)后通過SOCKET通信方式監(jiān)管家電設(shè)備。情景模式設(shè)定可以快速設(shè)置家電工作狀態(tài)。Android APP客戶端的設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

圖8 APP客戶端的設(shè)計(jì)流程圖

4 WebServer服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

■ 4.1 需求分析

WebServer服務(wù)器應(yīng)具有的功能有用戶登錄與退出，情景模式調(diào)用和信息采集及存儲(chǔ)三個(gè)方面的功能?；诎踩钥紤]需要要求客戶注冊(cè)及登錄系統(tǒng)后才能對(duì)家電進(jìn)行監(jiān)控。也便于系統(tǒng)將不同的客戶信息存儲(chǔ)管理，便于客戶的使用。用戶信息包含用戶名，用戶密碼，情景模式，自定義設(shè)置等。情景模式是智能家電控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)，也是實(shí)現(xiàn)智能化控制的基礎(chǔ)。用戶根據(jù)自身的實(shí)際需求設(shè)置好相應(yīng)的情景模式，如：外出，居家，睡眠等。以實(shí)現(xiàn)一鍵智能控制。信息的采集及存儲(chǔ)，便于用戶了解家居環(huán)境及家電的工作狀態(tài)?？梢詫?shí)時(shí)或回顧查看，便于用戶了解系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)。由此我們可以得到頂層的數(shù)據(jù)流圖，如圖9所示。

圖9 智能家居系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流圖

■ 4.2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析中的三個(gè)主要的業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)各個(gè)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)流程。以便于應(yīng)用程序的開發(fā)。

用戶通過注冊(cè)，創(chuàng)建賬號(hào)。賬號(hào)登錄需要使用賬戶名和密碼。填寫登錄信息后提交系統(tǒng)驗(yàn)證，如圖10所示。

圖10 客戶端登錄流程圖

登錄成功后，可以對(duì)智能家電進(jìn)行管理。查看家庭環(huán)境，家電工作狀態(tài)。信息的獲取與查看。數(shù)據(jù)查詢流程如圖11所示。獲取家電及環(huán)境信息后，可直接調(diào)用相應(yīng)的情景設(shè)置，或者直接對(duì)家電進(jìn)行控制。其基本流程如圖12所示。

圖11 信息查詢流程

圖12

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的基于Android的智能家居系統(tǒng)是將ZigBee物聯(lián)網(wǎng)、WiFi、無線通訊、Web服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫管理等多種技術(shù)綜合在一起，將多種信息技術(shù)應(yīng)用到智能家居的智能化管理之中，通過安卓平臺(tái)，把智能家居的各類信息在Android系統(tǒng)的智能終端中展現(xiàn)，使用者通過智能終端在任意位置就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的管理與監(jiān)控，便捷人們的生活提高生活質(zhì)量。