基于Android的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，桂林 541004）

智能家居（smart home）是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、多傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、綜合布線(xiàn)技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)，將家居生活中的各類(lèi)電子設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起從而實(shí)現(xiàn)智能控制和管理的一種嵌入式系統(tǒng)[1]。智能家居的誕生讓人們的生活舒適性得到了提高、安全性得到了保障并極大地提升了人們的生活質(zhì)量[2-3]。計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)的結(jié)合與發(fā)展為智能家居的高速發(fā)展提供了前提和條件[4]。

本文考慮到Android系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性并結(jié)合智能家居的發(fā)展趨勢(shì)，以運(yùn)行于Android智能移動(dòng)設(shè)備上的App為控制終端，使以STM32為主控制器的主機(jī)與分布在家居各個(gè)房間的分機(jī)協(xié)作控制家居電器，設(shè)計(jì)了一套成本低廉、可靠實(shí)用、界面友好的智能家居系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)智能家居系統(tǒng)主要由控制終端App、家居智能網(wǎng)關(guān)（主機(jī)）以及分布在家居各個(gè)房間的控制器（分機(jī)）等部分構(gòu)成。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design diagram of system

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制前，需要進(jìn)行遙控器學(xué)習(xí)操作，先將家居電器遙控器按鍵所對(duì)應(yīng)的紅外或射頻編碼學(xué)習(xí)到主機(jī)中，然后，由主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)編碼數(shù)據(jù)到控制終端App并存儲(chǔ)到本地SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，即可完成學(xué)習(xí)操作。運(yùn)行于智能手機(jī)或平板上的App基于TCP/IP通信協(xié)議，通過(guò)WiFi或GPRS向主機(jī)發(fā)送控制指令，主機(jī)接收控制指令后，將控制指令解析，并根據(jù)指令決定主機(jī)是將指令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的分機(jī)還是直接控制相應(yīng)的家居電器工作，而分布在家居各個(gè)房間的分機(jī)主要負(fù)責(zé)接收主機(jī)發(fā)出的RF射頻控制信號(hào)，并將信號(hào)解析成控制指令，用于控制分機(jī)所在房間的家居電器工作。家居電器接收控制操作指令后，執(zhí)行相關(guān)功能，并將家居設(shè)備狀態(tài)信息返回到控制終端，從而實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)或平板電腦對(duì)家居電器的實(shí)時(shí)智能控制。

本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）基于開(kāi)放流行的Android系統(tǒng)進(jìn)行控制終端App的設(shè)計(jì)，使用開(kāi)源的SQLite結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)，App采用圖形界面進(jìn)行人機(jī)交互，具有良好的用戶(hù)體驗(yàn)。

（2）用戶(hù)個(gè)人的智能Android手機(jī)或平板電腦作為控制終端，即可實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的智能控制，而不用為智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的控制器，這樣做不僅減少了硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)成本，還為用戶(hù)提供了非常便利的使用條件。

（3）智能家居系統(tǒng)中主機(jī)和分機(jī)的通信是利用射頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，與其它實(shí)現(xiàn)同樣功能的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，極大地降低了系統(tǒng)成本。

2 通信方式實(shí)現(xiàn)

常用家居電器的遙控信號(hào)有紅外和射頻，射頻信號(hào)是可以無(wú)視障礙物穿墻傳播的，而紅外信號(hào)傳播的兩點(diǎn)之間不能有任何障礙物，只能直線(xiàn)短距離傳播，這就為控制家居各個(gè)房間中紅外遙控信號(hào)的電器帶來(lái)不便。基于以上原因，系統(tǒng)采用智能網(wǎng)關(guān)（主機(jī)）和分布在各個(gè)房間的分機(jī)協(xié)作控制家居電器的方案。

為了滿(mǎn)足主機(jī)無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)從控制終端App得到的控制指令到相應(yīng)分機(jī)設(shè)備的需求，需要組建一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)的主機(jī)和分機(jī)之間的通信。因家居所占空間的限制，只需滿(mǎn)足短距離通信即可，滿(mǎn)足這些條件的通信技術(shù)有ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、有線(xiàn)通信技術(shù)和射頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等，本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)采用433 MHz頻段的射頻進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，構(gòu)建家居通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用433 MHz頻段的射頻構(gòu)成家居內(nèi)網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用射頻技術(shù)使得系統(tǒng)易于安裝，不需布線(xiàn)等工序，脫離了有線(xiàn)的限制，整體架構(gòu)靈活性高；433 MHz為我國(guó)免去申請(qǐng)步驟的無(wú)線(xiàn)通訊頻段，可以減少不必要的麻煩；射頻信號(hào)是可穿墻的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，與其它實(shí)現(xiàn)同樣功能的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低廉，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 基于Android的App設(shè)計(jì)

Android是Google公司基于Linux開(kāi)放式內(nèi)核開(kāi)發(fā)的手機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)。Android系統(tǒng)分為3層，以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)層，中間層包括各類(lèi)函數(shù)庫(kù)和虛擬機(jī)，最上層是用戶(hù)界面和各種應(yīng)用軟件。

App的開(kāi)發(fā)使用Android操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Eclipse作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，ADT （android development tools）作為開(kāi)發(fā)插件，Java面向?qū)ο笳Z(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，負(fù)責(zé)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)作為開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)出一款在Android手機(jī)或平板上運(yùn)行的App，作為智能家居系統(tǒng)的控制終端。在Android開(kāi)發(fā)過(guò)程中，Google公司已經(jīng)對(duì)它的開(kāi)發(fā)目錄文件根據(jù)MVC的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行簡(jiǎn)要的分類(lèi)，本文基于MVC的設(shè)計(jì)模式對(duì)Android App總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣一方面可以更易于總體框架的搭建、減少工作量，另一方面基于MVC的框架設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加清晰。設(shè)計(jì)完成的控制終端App的部分界面如圖2所示，主要由配置主機(jī)、添加分機(jī)、添加遙控、添加場(chǎng)景和遙控器學(xué)習(xí)等功能模塊構(gòu)成，其設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖2 App界面Fig.2 Interfaces of application

圖3 App設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Design diagram of application

（1）配置主機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)主機(jī)通過(guò)連接路由器進(jìn)而成功連接到 Internet，以便于控制終端通過(guò)WiFi或移動(dòng)寬帶與主機(jī)進(jìn)行通信。

（2）添加分機(jī)操作即將分布在各個(gè)房間的用于控制家居電器的分機(jī)的MAC等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到App的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)控制指令時(shí)，根據(jù)MAC找到相對(duì)應(yīng)的分機(jī)。

（3）添加場(chǎng)景。即添加一個(gè)家居中房間的相關(guān)信息到App數(shù)據(jù)庫(kù)中，如客廳、臥室、廚房等。

（4）添加遙控即將某個(gè)家用電器相關(guān)信息添加到App的數(shù)據(jù)庫(kù)中，包含電器所屬場(chǎng)景（房間）和所屬控制器（主機(jī)或分機(jī)）等信息。

（5）遙控器學(xué)習(xí)功能模塊。將家居電器遙控器按鍵所對(duì)應(yīng)的紅外或射頻編碼學(xué)習(xí)到主機(jī)中，然后，主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)編碼數(shù)據(jù)到控制終端并存儲(chǔ)到App的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，用來(lái)組成控制終端向主機(jī)發(fā)送的控制指令。

3.2 主機(jī)分機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)和分機(jī)的區(qū)別是主機(jī)具有與控制終端通信的WiFi模塊，而分機(jī)則無(wú)。主機(jī)由STM32F101C8主控制器、紅外遙控發(fā)送接收模塊、315 MHz和433 MHz射頻發(fā)送接收模塊、WiFi模塊、溫濕度傳感器及煙霧傳感器等組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 主機(jī)設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Design diagram of host

（1）WiFi收發(fā)電路模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)與控制終端App進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，WiFi模塊成功連接家庭路由器后，即可通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)與控制終端App進(jìn)行通信。

（2）射頻信號(hào)收發(fā)模塊。主要實(shí)現(xiàn)主機(jī)與分機(jī)的數(shù)據(jù)交互，組成家居通信網(wǎng)絡(luò)以及RF家居電器的控制和主機(jī)對(duì)射頻遙控器信號(hào)的學(xué)習(xí)等功能。家居電器的射頻遙控信號(hào)主要是433 MHz和 315 MHz頻段的射頻信號(hào)。

（3）紅外信號(hào)收發(fā)模塊。主要實(shí)現(xiàn)紅外家居電器的控制及主機(jī)對(duì)紅外遙控器信號(hào)的學(xué)習(xí)等功能。

（4）傳感器模塊。煙霧傳感器用來(lái)采集房間煙霧信息判斷是否發(fā)生火災(zāi)；溫濕度傳感器采集房間溫度、濕度等信息。

家居智能網(wǎng)關(guān)（主機(jī)）工作時(shí)的流程如圖5所示。已配置成功的主機(jī)會(huì)在上電工作并完成相關(guān)模塊的初始化后，主動(dòng)獲取存儲(chǔ)在Flash中的家庭WiFi賬號(hào)和密碼，自動(dòng)連接路由器并成功接入Internet。未配置的主機(jī)需按主機(jī)上的配置按鍵及操作App進(jìn)行配置。配置完成的主機(jī)即可與控制終端App進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并執(zhí)行遙控學(xué)習(xí)、家居電器控制、轉(zhuǎn)發(fā)控制指令到分機(jī)等功能。

圖5 智能網(wǎng)關(guān)程序流程圖Fig.5 Program flow chart of intelligent gateway

3.3 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

為了使網(wǎng)絡(luò)有序通信，需要制定簡(jiǎn)潔、易于擴(kuò)展的通信協(xié)議。具體的數(shù)據(jù)通訊基本協(xié)議格式如表1所示。

表1 系統(tǒng)通信協(xié)議格式Tab.1 Communication protocol format of system

幀頭和幀尾是固定值，分別為0x3a和0x0a，表示一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束；源地址、目標(biāo)地址分別是通信發(fā)起者、通信接收者的IP或MAC地址；命令字用于定義不同功能的控制指令及區(qū)分不同的數(shù)據(jù)幀，不同的命令字代表不同的控制命令；考慮到通信的安全性，只有6位密碼正確的數(shù)據(jù)幀才是有效的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)即一幀數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)；有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度；校驗(yàn)位的內(nèi)容為源地址到所有數(shù)據(jù)的異或校驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于Android的智能家居系統(tǒng)，采用Android智能手機(jī)或平板電腦作為控制終端優(yōu)勢(shì)明顯；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件能在Android操作系統(tǒng)的平臺(tái)上安裝和使用，易于推廣；將射頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為家居內(nèi)網(wǎng)通信手段使得系統(tǒng)成本降低。但針對(duì)不常用的智能電器及插座等，可以通過(guò)智能控制面板進(jìn)行自行定義和特別設(shè)置。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用用戶(hù)手中的智能手機(jī)或平板電腦代替所有家居電器的遙控器，實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制家居電器的功能，給人們的日常生活帶來(lái)了非常大的便利。

[1] 蔣峰.家居智能安全遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（9）：2435-2436.

[2] 向軍，謝贊福.基于嵌入式Internet/Intranet的智能家居系統(tǒng)模型及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26（9）：167-169.

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[4] S Kumar.Ubiquitous smart home system using Android application[J].International Journal of Computer Networks&Communications，2014，6（1）：33-43.