基于 Android 的智能家居系統設計與研究

王美榮 孫苗苗

摘要：從20世紀80年代智能家居概念的提出至今已有30多年，智能家居已經歷了4代的發展。家居智能控制系統價格低，性價比高，越來越受歡迎。將具有Android操作系統的智能手機或者平板電腦作為智能家居系統的控制終端，以CC2530單片機最小系統作為硬件電路及控制器，設計ZigBee、WIFI及315M射頻網絡軟件，通過RT5350與CC2530的串口連接將ZigBee和WIFI連接起來，設計并開發本基于 Android 的智能家居系統。

關鍵詞：基于Android;智能家居;ZigBee;WIFI

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0043-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

21 世紀信息化時代以來，伴隨著計算機技術、 智能終端技術、互聯網技術以及移動互聯網技術的快速發展，以計算機軟硬件為基礎，以互聯網環境為網絡傳輸與交互支撐的新興技術正逐漸的滲透并應用到各行業各領域中。這些技術深刻地變革了人們原有的工作與生活環境，為人們追求高質量、高便捷性的工作與生活方式提供了強有力的技術支撐力量[1]。自從我們國家進入互聯網社會以來，科技發展越來越迅速，智能家居逐漸深入到普通家庭中，它大大便捷了用戶與家電以及家庭環境間的交流。但目前市場上的智能家居系統都不是很完善，存在著用戶體驗差、成本較高、技術相對落后、無法讓用戶與家居環境實現良好的溝通與控制等問題。本文通過分析目前市場上智能家居系統的特點，進行基于Android的功能完善、耗能較低、成本理想、安全性高的家居系統設計，提升了智能家居系統的整體性能，給予用戶更好的使用體驗。

1 系統總體設計

該智能家居系統主要由中央控制器、子控制器、控制終端以及服務器組成。中央控制器由Zigbee協調器和RT5350組成[2]，子控制器可由用戶自主添加，控制終端即為人們普遍使用的手機或平板電腦等設備，對于網絡通信技術即采用相較于有線技術更為契合智能家居方便快捷、人性化強等特點的無線通信技術。通過控制終端，用戶可以進行統一的控制與管理。在家電設備、居家環境等方面，控制終端給予用戶一個良好的人機交流界面，用戶通過控制終端輸出指令，再經由服務器轉發，之后中央控制器進行指令的轉發、處理與管理控制，最后通過子控制器完成控制對各智能家用電器以及家居環境的控制、查詢。

2 系統硬件設計

本次課題所研究智能家居系統硬件主要包括：ZigBee模塊、子控制器模塊和中央控制器模塊。

2.1 ZigBee模塊

ZigBee是低功耗雙向無線通信技術中的一種。它遵守IEEE 802.15.4[3]。該模塊采用CC2530芯片實現通信手段，8051內核以及相關模塊包括I/O口、RF模塊、電源管理和定時器模塊集成在CC2530芯片上，可用于解決智能家居系統的控制任務。該芯片核心電路主要是無線接收和發射模塊以及晶振電路。支持最新的ZigBee/PRO協議標準，嵌入了簡單且廣泛的8051內核，集成度最高，具有更大的閃存空間。

2.2 子控制器模塊

子控制器模塊包括智能燈開關模塊、智能插座模塊、智能窗簾模塊及環境監測模塊。本系統智能開關子控制器與觸摸面板之間通過射頻進行通信，CC2530單片機將接受的控制信號通過串口輸出給PIC單片機，經處理后驅動射頻發射模塊將射頻信號發送給觸摸面板。觸摸面板為一款利用電容式感應原理開發的觸摸IC，該觸摸屏具有自動校準功能，同時面板介質為絕緣材料。

2.3 中央控制器模塊

本次研究的中央控制器采用RT5350為智能家居系統提供WIFI信號，從而實現2.4GHz、 802.11n的無線產品。研究要求使用低成本材料，使用較少的外圍器件，集成度高、可二次開發且成本低的RT5350，支持16-bit SDRAM，具有USB 2.0 Host/Device等多個接口，兼容IEEE 802.11 b/g標準，支持WiFi+藍牙與WPA。中央控制器使ZigBee與WIFI可以相互轉換，并轉發ZigBee返回的數據或者服務器的命令。

3 系統軟件設計

據統計，2016年在全球智能手機操作系統市場份額中，Android系統的市場份額高達81.4%[4]，故本系統以Android作為移動端。Android是強大靈活的智能終端平臺。據最新數據顯示，Android已成為最受歡迎的智能手機平臺。相比于其他移動設備，普及率更高，更便于操作。利用Android Studio開發平臺實現遠程訪問智能家居系統的Android手機客戶端App的開發，智能控制界面是應用程序與用戶直接進行信息交互的可視化界面，用戶點擊控制界面開關、查詢等控件后，后臺程序按照約定將指令傳輸到服務器，再由服務器轉發給中央控制器，然后下發給子服務器，由此實現對智能家居的控制。本系統主要由智能控制界面、通信功能界面以及數據庫設計組成。后臺程序利用Eclipse開發平臺實現服務器端軟件的開發，通過Java語言實現軟件開發，利用微處理器和WiFi模塊結合模擬智能家居設備，將采集的數據上傳至云服務器，利用SQLite作為數據庫，作為整個系統的數據支持。智能控制界面主要包括登錄界面、控制中心主界面和各房間子界面，用戶在正確填寫登錄信息后才能進入主界面，從而對各房間子界面的智能開關、智能插座、智能窗簾等進行控制。本系統服務器采用TCP服務器，通過建立TCP客戶端，通過服務器IP地址和端口號，與服務器進行通信。由于本次智能家居系統數據量較小，故采用Android系統自帶的SQLite數據可儲存數據信息。用戶登錄智能控制軟件，系統對提交的數據進行比較驗證，只有用戶名和密碼都正確時才能進入主控界面。

在登錄界面填寫正確信息將跳轉到控制中心主界面，在控制中心主界面設置控件，分別來實現子房間界面的跳轉，從而對子房間界面進行控制，控制中心主界面如圖1所示。

智能窗簾有自動和手動控制兩種模式，自動控制模式下根據光照強度自動進行調節，手動控制模式下分為紅外控制和無線控制兩種，分別利用遙控器或者手機進行控制。溫控系統同樣有自動和手動兩種控制模式，自動控制模式下根據室內溫度自動調節室內空調或電風扇，手動模式下則同樣具有紅外控制和無線控制兩種。

4 實驗結果

在硬件的基礎上通過操作系統實現WIFI信號與ZigBee信號之間的相互轉化，硬件的特殊設計實現高利用率、低成本的效果。測試App控制軟件對智能家居系統如對智能燈開與關，智能插座，智能監控等的控制，通過攝像頭對家庭內部進行實時監控，通過環境監測對家庭空氣指標等有詳細了解。通過射頻網絡智能燈光實現射頻控制，通過WIFI 網絡實現服務器與ZigBee 協調器之間的通信，通過Android平臺開發的APP設計SQlite 數據庫，實現軟件通信。通過硬件與軟件的結合，對本系統各個場景進行模擬，如圖2場景為模擬智能窗簾控制，圖3場景為模擬智能插座控制。

5 總結

系統將軟件客戶端與硬件通過智能網關作為橋梁連接，通過網絡傳輸協議傳輸到智能網關轉發無線傳輸協議到硬件產品[5]，從其耗能、準確性、穩定性、成本等多方面考慮，最終選取以Android手機作為其終端，以WIFI和ZigBee技術為主要的網絡通信技術方案，優化了家居系統的功能，給用戶更好的體驗。

系統也存在以下幾方面的不足有待改進：1）由于使用的元器件比較多，在完成設計的過程中遇到了引腳不足的情況，為了保證設計功能的完整性和多樣性，采用了雙機通信的方式來增加引腳，解決引腳不足的問題;2）目前該智能家具系統的無線控制距離較短，無法實現遠程控制;3）本系統目前功能相對比較簡單，后期有待進一步的完善。

參考文獻：

[1] 朱敏玲，李寧.智能家居發展現狀及未來淺析[J].電視技術，2015，39（4）：82-85，96.

[1] 倪亞玲，李曉寧，張小紅.基于 Android 的無線智能家居系統設計與研究[J].計算機應用與軟件，2017，34（11）：97-102.

[3] 牛奕翔.基于ZigBee的物聯網智能家居系統設計[J].計算機技術與發展，2019，29（11）：37-41.

[4] 李小孟.Android和WIFI通信在智能家居系統設計中的應用[J].電視技術，2018，42（5）：107-111.

[5] 闞港輝，王恩亮.基于Android的智能家居一體化控制系統[J].科技視界，2019（4）：62-63.

【通聯編輯：李雅琪】