基于Cortex—M3與Android的智能家居控制系統設計

郭麗

【摘要】本文提出了一種基于Cortex-M3與Android的智能家居控制系統解決方案。系統采用智能手機作為控制終端，設計基于Android的客戶端應用程序。智能家居內部網絡采用ZigBee無線傳感網絡技術進行搭建，最終實現通過手機對家居內部設備進行遠程實時監控的目的。

【關鍵詞】智能家居 Cortex-M3 Android ZigBee

智能家居是在傳統住宅的基礎上，利用現代科學技術，諸如網絡通信、安全防范、自動控制、音視頻等技術將家居生活有關的各種家具設施集成，構成的高效、便利、舒適、節能環保的家具環境。通過搭建ZigBee無線傳感網絡，采用改進的ZigBee路由算法，制定完善的通信協議，提高網絡通信性能，最終實現手機對智能家居的遠程和本地的實時監控。

一、系統總體設計

本文所設計的智能家居控制系統主要包括嵌入式服務器，Android客戶端和ZigBee節點。移動控制終端和ZigBee節點通過嵌入式服務器進行通信實現信息交互。

二、系統硬件設計

（一）設計原則

嵌入式服務器在整個系統中起著至關重要的作用，其實現的主要原則應從下面幾點出發：允許Android客戶端遠程登錄到服務器，并能夠保存登錄用戶的基本信息，實現多用戶登錄，為每個用戶都能提供相應的服務；能夠正確接收客戶端發送的控制命令，并能夠返回相應信息；能夠與ZigBee協調器實現信息交互，完成命令傳輸和信息采集。

（二）服務器硬件設計

根據需求，外圍需擴展的功能模塊主要包括與ZigBee協調器通信模塊和與控制終端實現網絡通信硬件模塊。其中與ZigBee協調器通信采用串口通信方式實現。

（1）網絡通信接口。網絡通信接口是服務器與控制終端實現網絡通信的橋梁。STM32F107內部集成了一個以太網MAC，并有專用的DMA控制，實現內部數據的高速傳輸。STM32F107還同時支持MII和RMII兩種物理層接口，因此只需外界一片物理層收發器，即可實現以太網幀的發生和接收，實現網絡通信。支持平行交叉網線自適應，實現以太網通信功能。

（2）Zigbee節點。智能家居中，家居內部無線網絡通信方式的選擇至關重要。在本次智能家居控制系統設計中，家庭內部網絡采用ZigBee組網技術。在智能家居網絡中，ZigBee節點被分為主節點和從節點，主節點主要負責建立無線網絡，分配從節點網絡地址，并與從節點和嵌入式服務器實現指令的發送和接收。ZigBee從節點主要嵌入到終端設備中用于采集檢測信息發送到主節點，或者接收控制命令實現對終端設備的控制。

數據采集節點主要包括一些通過傳感器實現的信號采集類模塊，比如溫濕度采集，可燃氣體泄露或者火災發生時的信號采集并報警。設備控制節點主要嵌入到家電設備中，以實現門禁系統、燈光控制、智能窗簾、智能熱水器、智能空調、攝像頭云臺等的遠程控制。

三、系統軟件設計

本系統的軟件主要包括3個部分：嵌入式服務器軟件平臺、ZigBee節點控制程序、控制終端的Android應用程序。

嵌入式服務器軟件實現。嵌入式服務器軟件平臺的搭建根據一下兩點需求來進行：服務器要實現實時多任務操作；服務器要實現TCP/IP網絡通信功能。

（1）操作系統移植。微控制器和數字處理芯片，是和很多商業操作系統性能相當的實時操作系統。

（2）LwIP協議棧移植。LwIP是TCP/IP協議棧的一個實現。它的目的是減少內存使用率和代碼大小，使LwIP用于資源受限系統，本次設計的嵌入式系統正屬于此列。

四、結束語

將完成的Android客戶端安裝到手機，并搭建服務器平臺，在實驗環境下進行實驗和調試。實驗結果表明系統運行穩定，Android手機客戶端可以通過無線網對家居設備實現遠程控制，并且能夠實時接收并顯示住宅環境信息，當檢測到異常時能夠及時的發出警報。

本次設計的智能家居控制系統，采用了當下最流行也最實用的智能手機實現對家居環境的實時監控。這種方式通用性強，操作便捷，易于安裝推廣，運行穩定可靠。

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