李紅日

摘要：提出一種基于ZigBee 技術(shù)和Android平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 該方案將智能家居系統(tǒng)中引入智能網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部公眾網(wǎng)絡(luò)的互連，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)家居環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)證明，該方案能降低家居監(jiān)控系統(tǒng)的成本和功耗，提高系統(tǒng)的可操作性和可控性，提升系統(tǒng)的實(shí)用性和可擴(kuò)展性，具有實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Zigbee；Android平臺(tái)；智能家居

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）03-0234-02

Android是一種開(kāi)源手機(jī)操作系統(tǒng)，目前發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛， Android 已經(jīng)成為主流的嵌入式操作系統(tǒng). Android被用來(lái)作為智能家居系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)， 規(guī)范統(tǒng)一。其次，Android 系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以輕松嵌入網(wǎng)絡(luò)， 易于實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備三種邏輯設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)核心是協(xié)調(diào)器（coordinator）負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)選擇一個(gè)相對(duì)空閑的信道以及一個(gè)PANID來(lái)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，協(xié)助建立安全層以及處理應(yīng)用層。在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和配置完成以后，就相當(dāng)于普通路由器。路由器（router）允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由。一般情況路由器主要提供接力作用，擴(kuò)展信號(hào)傳輸范圍。Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)決定了它是最適合智能家居系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)。下面重點(diǎn)研究基于Android平臺(tái)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[2]。

1 智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)智能家居的目的是提供安全方便家居環(huán)境，用戶(hù)可以方便控制家庭中得家用設(shè)備，遵循實(shí)用性、可靠性等原則，總體如圖1所示，主要模塊包括：

溫度監(jiān)控模塊：系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并且能通過(guò)遠(yuǎn)程終端的控制調(diào)整空調(diào)的溫度、自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗簾。

家電控制模塊：本系統(tǒng)可以通過(guò)終端完成對(duì)電冰箱，洗衣機(jī)，微波爐等家用電器的遠(yuǎn)程控制。

安防門(mén)禁控制模塊：根據(jù)實(shí)時(shí)的監(jiān)控反饋室內(nèi)防盜、防燃?xì)庑孤?、防火以及緊急報(bào)警等功能。

記錄表控制模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電表，水表，燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)讀取，并進(jìn)行分析。

照明模塊：用戶(hù)根據(jù)需要控制任意的燈光，包括燈光的開(kāi)合關(guān)以及亮度的調(diào)節(jié)等。

實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控模塊：對(duì)視屏信息進(jìn)行監(jiān)控，可以對(duì)攝像頭進(jìn)行調(diào)焦、轉(zhuǎn)動(dòng)等控制。

上面模塊通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，將獲取的數(shù)據(jù)信息傳送到網(wǎng)關(guān)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將所有信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)采用ARM為核心，處理器使用ARM9的S3C2410，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高效、快捷接入Internet網(wǎng)絡(luò)或GSM網(wǎng)絡(luò)的能力。

用戶(hù)可以通過(guò)智能手機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)而控制家居設(shè)備。對(duì)于手機(jī)終端，系統(tǒng)提供基于Android的控制系統(tǒng)。

圖1 家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括家用設(shè)備的各種硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。無(wú)線(xiàn)傳感器的傳感節(jié)點(diǎn)就是家用設(shè)備硬件節(jié)點(diǎn)。它由感知部件、存儲(chǔ)器、通信部件、處理器、軟件系統(tǒng)和電源構(gòu)成。感知、采集外界的信息使用感知部件，并將其作為數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，方便處理器處理。負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作是通過(guò)處理器實(shí)現(xiàn)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工。其他傳感節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信主要由通信部件完成。軟件系統(tǒng)為傳感節(jié)點(diǎn)提供軟件支持。

本智能家居系統(tǒng)采用TI的標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)Z-STACK，相應(yīng)的硬件節(jié)點(diǎn)也采用TI的CC2430。CC243O無(wú)線(xiàn)芯片采用了CC2420收發(fā)模塊的架構(gòu)[3]，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有64KB/128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（8個(gè)ADC）、多個(gè)定時(shí)器（Timer）、看門(mén)狗定時(shí)器（Watchdog-timer）等。本系統(tǒng)采用CC2430主要是由于CC2430是TI公司的主流傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。功耗小，有完善的軟件支持和參考方案。內(nèi)核是8051[4]，支持匯編和C語(yǔ)言編程，還有對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具。選擇其作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平臺(tái)。

CC2430適用于各種ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括相關(guān)的協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等。傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的中央處理單元是CC2430。處理器用于對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理；傳感器包括溫度傳感器，光照傳感器，可燃?xì)怏w傳感器，攝像頭傳感器，振動(dòng)傳感器和噪聲傳感器等。傳感器將感知到的信息發(fā)送到ADC，最后將信息匯聚于處理器，由處理器根據(jù)需求，再將信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。

智能家居系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用S3C2410芯片。S3C2410處理器是基于ARM920T處理器核，該處理器擁有：獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，I/O口，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備等[5]。這些特點(diǎn)非常適合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1移動(dòng)終端與中央控制器通信軟件設(shè)計(jì)

平板電腦、手機(jī)等移動(dòng)終端與中央控制器的通信方式，由手機(jī)移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用程序產(chǎn)生指令并發(fā)送到中央控制器，中央控制器接收到指令后，對(duì)指令進(jìn)行分析、處理，最后反饋到手機(jī)設(shè)備。本文選用搭載Android系統(tǒng)的智能手機(jī)作為移動(dòng)終端，通過(guò)移動(dòng)終端發(fā)送操作設(shè)備指令到中央控制器，數(shù)據(jù)處理信息通過(guò)中央控制器反饋到手機(jī)移動(dòng)端。手機(jī)移動(dòng)端上安裝相應(yīng)的應(yīng)用程序，通過(guò)中央控制器Web 服務(wù)器為遠(yuǎn)程應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)，兩者之間的通信方式采用HTTP或Socket。本文采用Post方式，利用Android SDK提供HttpURLConnection實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。首先，通過(guò)new URL來(lái)新建服務(wù)器連接網(wǎng)址的實(shí)例對(duì)象，再通過(guò)OpenConnetction 函數(shù)創(chuàng)建HttpURLConnection實(shí)例對(duì)象。應(yīng)用程序與智能家居系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交互，建立在網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制或查詢(xún)功能。以下代碼為建立網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a：

// 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)連接對(duì)象

URL url = new URL（―http： //192.168.1.1：8008/myServlet/Smarthome） ；

HttpURLConnection SmartHome =

（HttpURLConnection） MyUrl.openConnection（）；

// 向servlet 服務(wù)器發(fā)送命令

CmdDataprivate static void putHttpURLData（HttpURLConnection SmartHome ， String CmdData ）{ SmartHome. setDoInput（true）；

SmartHome.setDoOutput（true）；

SmartHome.setUseCache（false）；

SmartHome.setRequestMethod（―post）； // 設(shè)置HTTP為post方式

SmartHome.setquestProperty（……………）； //省略配置內(nèi)容類(lèi)型

SmartHome.connect（）； //連接服務(wù)器

DataOutputStream TxData = new DataOutputStream（SmartHome.getOutStream）；

TxData.writeBytes（―param =‖+URLEncoder.encode（CmdData，‖utf-8‖） ；

TxData.flush（） ； // 發(fā)送，清空緩存

//----------退出代碼省略-----------

}

// 接收Web Service傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)

private static String getHttpData（HttpURLConnection SmartHome ） {

//------------ 變量定義省略----------------

InputStreamReader Rx = new IntputStreamReader（SmartHome.getInputStream）；

BufferReader RxBuff = new BufferReader（Rx）；

While（（ LineData = bufferReader.readLine（）） ！=null）{

RxData +=LineData；}}

3.2 UI設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)應(yīng)用程序UI界面，主要包括用戶(hù)登入界面、系統(tǒng)主界面、功能模塊子界面等。子設(shè)備模塊和應(yīng)用程序模塊相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)完整應(yīng)用軟件。主界面主要包括溫度監(jiān)控模塊、家電控制模塊、安防門(mén)禁控制模塊、記錄表控制模塊、 照明模塊、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控模塊。在Android平臺(tái)使用MVC架構(gòu)（模型-視圖-控制器）進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，其中SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)模型、網(wǎng)絡(luò)通信模型、HTTP交互模型等構(gòu)成模型（M）層，用戶(hù)相互之間進(jìn)行交互、信息顯示界面構(gòu)成視圖（V）層，定義用戶(hù)行為使用控制器（C），根據(jù)用戶(hù)行為進(jìn)行模型更新，并進(jìn)行視圖的更換。應(yīng)用界面的設(shè)計(jì)思想如下：

1）登入界面：根據(jù)用戶(hù)輸入的用戶(hù)名、密碼判斷用戶(hù)是否合法性，并可以為用戶(hù)分配權(quán)限。

2）主界面：根據(jù)家庭實(shí)際環(huán)境情況，主界面由多個(gè)子模塊組成；具備控件增加和刪除功能，保證實(shí)際家居設(shè)備和應(yīng)用界面的一致性；為不同級(jí)別用戶(hù)提供差異化的控制模塊。

3）模塊子界面：基本功能模塊有溫度監(jiān)控模塊、家電控制模塊、安防門(mén)禁控制模塊、記錄表控制模塊、照明模塊、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控模塊，各功能子模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)或者多個(gè)同類(lèi)物體的控制。通知設(shè)備控制子模塊的增加、刪除，設(shè)置相應(yīng)的家電設(shè)備，情景子模塊能夠根據(jù)用戶(hù)習(xí)慣進(jìn)行場(chǎng)景調(diào)節(jié)，安防子模塊根據(jù)實(shí)景拍攝、動(dòng)態(tài)更新來(lái)實(shí)現(xiàn)家居安防功能。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)是基于Android 平臺(tái)、以ZigBee 無(wú)線(xiàn)技術(shù)為支撐的智能家居控制系統(tǒng)。將ZigBee 無(wú)線(xiàn)技術(shù)和Android 智能操作系統(tǒng)整合，運(yùn)用到智能家居中，更加契合了人們對(duì)家居智能化的要求。本系統(tǒng)能基本完成環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、無(wú)線(xiàn)控制等功能； 并且擁有很多優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需布線(xiàn)，可自由擺放節(jié)點(diǎn)位置、低功耗等。同時(shí)也存在一些弊端，如ZigBee 主要是用于低速率、數(shù)據(jù)吞吐量小的背景，因此無(wú)法用于傳輸圖像及視頻；解決辦法就是把視頻采集單元放在主控單元實(shí)現(xiàn)。

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