基于Android的智能家居監控系統的設計與實現

平衡

(煙臺汽車工程職業學院 信息與控制工程系， 煙臺 265500)

0 引言

作為計算機技術的配套技術，嵌入式技術發展較為成熟，逐漸在各領域得以廣泛應用，為滿足人們對高品質生活的追求，智能安全的家居環境成為研究的熱點，智能家居綜合運用網絡通信、自動控制、音視頻及布線等技術，將家居生活中的設備組建成家居管理系統，從而對其進行有效的智能化和個性化管理。智能家居領域目前雖處于發展階段，結合綠色節能建筑、環保建筑等發展理念，有著廣泛的市場需求，研究智能家居系統具有重要應用價值[1]。

1 系統總體設計

系統以Android作為為平臺,具備低成本、易擴展等優勢，相比基于無線智能家居等控制系統，其更適合居民家庭應用，能夠較好的實現智能家居遠程控制功能，實現家庭設備內網的組建，家居設備的運行狀態能夠在客戶端界面上實時顯示，通過控制終端App即可對智能家居控制系統的各項參數根據實際情況進行設置,開源SQLite數據庫的應用提升了數據存儲及維護能力,內網與外網的信息交互實現了遠程控制的智能安防功能。

系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

為有效連接家居生活中的設備實現智能控制，首先需完成無線傳感網絡WSN的組建，具體可通過ZigBee技術實現環境中相關模塊同網絡的連接，再使用傳感器實時采集家庭各類設備的狀態數據(包括探測器、報警按鈕等)，如室內環境可使用煙霧傳感器、溫濕度傳感器等完成檢測，用紅外人體感應器進行防盜等。按照Zstack協議棧將采集的數據信息傳遞給Cortex-A8處理器，完成不同網絡間協議的轉換，完成對終端節點信息的處理后反饋給ZigBee節點，并通過控制繼電器實現對各終端節點的運作的有效控制(包括開關通斷或聲光報警等)，利用網絡連接實現家電、智能安防的遠程控制[2]。

2 系統硬件設計

2.1 主控制板設計

本系統主要在Android 操作系統上運行，內置高性能圖形引擎，以提供流暢的圖形加速功能，選用S5PV210開發板作為主控制板，Cortex-A8 處理器內核，配置512 MB的RAM內存，容量為2 GB的MLC Flash，網絡連接通過外接自適應以太網RJ45接口一個(10/100 M)實現，USB接口、RS485總線接口、CAN總線接口各1個，主控板硬件結構如圖2所示[3]。

圖2 主控板硬件結構

2.2 ZigBee模塊設計

本文所設計的家居智能控制系統采用標準的增強型8051 CPU，ZigBee 無線通信主芯片選用了CC2530芯片(TI公司推出)，該芯片擁有豐富的外接端口，滿足不同環境下系統的低功耗需求，在多種模式下皆可運行，終端節點信息的采集主要由ZigBee網關模塊負責完成，智能終端系統通過串口實時接收采集到的信息，將水浸傳感器配置在其他ZigBee節點模塊中以確保廚衛設施發生漏水時及時上報系統，煙霧探測器對室內煙霧情況進行監測，系統根據溫濕度傳感器對室內溫濕度的測量結果進行智能調控，人體紅外探測器用于安全防護。

3 系統軟件設計

智能家居的家庭子網的組建采用了星狀網絡拓撲結構，采用Z-Stack協議棧，開發 IEEE802.15.4等技術的基礎平臺(TI公司推出)，由 OSAL 層、MAC 層、HAL 層、App 層等組成其軟件目錄，各層信息的傳遞通過 API 接口函數實現。

3.1 ZigBee 協調器節點軟件設計

協調器軟件流程如圖3所示。

作為無線通信網絡的核心，網絡組建、參數設定、信息管理等皆由協調器負責完成，系統需先進行Z-Stack協議棧，在完成硬件初始化后，由協調器對信道能量進行掃描，完成網絡PANID的建立，根據實際情況對網絡參數進行配置，新的子節點在加入網絡前需申請，協調器監測到請求后允許其加入，為其分配網絡地址，對于傳感器發送來的請求信息需進行區分，針對不同情況(如控制命令或查詢操作)系統對相應傳感器動作進行分別控制 ，或發送數據采集指令[4]。

圖3 協調器軟件流程

3.2 終端節點軟件設計

采集到的數據信息的上傳、查詢信息、用戶控制指令的接收由終端節點負責完成，終端節點軟件流程如圖4所示。

圖4 終端節點流程圖

模塊上電后需先進行初始化，完成信道掃描后向系統發送入網請求，系統會為其分配相應的網絡地址，接下來網絡信息的偵聽由終端節點負責，若判斷接收到的網絡數據為用戶控制指令，則根據實際需要對傳感器進行調用實現控制操作的及時執行，若判斷結果為查詢信息，則通過ZigBee網絡將查詢到的傳感器節點數據發送至協調器節點[5]。

3.3 客戶端軟件設計

(1)Android 終端軟件設計

該部分軟件主要由主頁面 、信息查詢頁面、及網絡攝像頭控制頁面三部分構成，根據實際需要可對具體功能(包括燈光控制、溫濕度及電表查詢等)進行添加，智能家居控制系統登錄后界面如圖5所示。

圖5 家居控制系統首頁

終端系統在首次登錄時需根據頁面提示要求將用戶名及密碼、監控 IP、端口號、在輸入框內輸入，根據家中是否有人可將當前系統狀態設置為布防或撤防模式，布防模式下系統會對家庭各項參數進行實時采集與監控，實現用戶對相應情況的遠程調控，異常狀況將上傳送監控圖片至用戶移動終端并發送消息提醒，將情況反饋給小區物業，做到及時報警，用戶可通過移動終端進行電表查詢、家電智能控制等操作，系統會及時提醒用戶續繳水電費等[6]。

(2)環境信息監測模塊的實現

家庭環境溫濕度的監測主要由該模塊負責，能夠對當前及歷史環境信息進行查詢，溫濕度數據的獲取通過在WCF服務里通過相關函數的調用即可實現，以直觀的圖表形式供用戶查看，把鼠標放在環境信息查詢按鈕上，點擊自動彈出的當前環境信息查詢子菜單，時間和溫濕度的實時更新數據以曲線圖的形式在當前環境信息查詢界面顯示，方便用戶對溫濕度變化情況進行查看與調控，當前環境信息查詢界面如圖6所示。

圖6 當前環境信息查詢頁面

對于某一時間段家庭內的溫濕度數據的查詢在歷史環境信息查詢界面完成，把鼠標放在環境信息查詢按鈕上，點擊自動彈出的歷史環境信息查詢子菜單，主要以表格的形式直觀的展示給用戶。

(3)家庭設備控制及安防報警模塊的實現

對電燈、空調、冰箱等家用電器的開關進行控制時主要由家庭設備控制模塊負責完成，通過數據庫中各設備信息(包括設備 ID、名稱、狀態等)的讀取，完成家庭設備控制頁面的加載，已建立 Socket服務器端的PC服務器端處于監聽狀態，用戶對電器的控制在獲取設備名和設備ID 號后，通過點擊頁面的打開、關閉或調節按鈕即可實現，系統通過Socket的使用完成控制命令的發送，界面會對發送成功的指令進行顯示，指令發送失敗時會提示用戶重新操作，從而實現對設備的遠程控制。

廚房煤氣或天然氣狀態及是否有人進入家中等情況的監測由安防報警模塊完成，用戶可對所需監測狀態進行設置(啟用或關閉向終端發送報警短信功能)，通過數據庫中設備信息的讀取完成安防報警頁面的加載，據此用戶可了解家庭安全狀況。

4 系統調控與測試

為檢測嵌入式智能家居控制系統的有效性和穩定性，通過在手機上安裝本系統后，登錄App軟件對所需檢測的家居設備同系統進行連接，設備與網關服務器均實現正常連接，實時采集室內傳感器節點信息后，在系統首頁進行查詢，結果表明控制各節點工作狀態正常，能夠對溫度濕度進行實時監測，對電燈、空調等設備的開關進行控制，對于異常的煙霧狀態及有人進入等情況會向手機終端發送圖片及消息提醒，在調控過程中為檢測網絡通信距離(指傳感器與協調器間)，通過點對點的數據丟包測試，測試結果表明有效的傳輸距離可達到10 米以上，系統數據傳輸過程具有較高的穩定性和可靠性，說明該系統具有較高的實用性[7]。

5 總結

隨著人工智能等技術的快速發展，逐漸在日常家居中得以普遍應用，為滿足人們對智能家居的需求，本文主要對嵌入式智能家居控制系統進行設計，利用傳感器實時采集環境信息，采用ZigBee 技術完成家庭內部控制子網的組建，完成了家居控制系統總體架構的構建，依據Andorid平臺采用Cortex-A8處理器完成監控終端的開發，并對系統軟件進行設計以保證控制系統的實現，檢測結果表明該系統能夠對日常家居進行智能控制，成本低、穩定性高且擴展性好。