基于Android的無線智能家居系統設計與研究

倪亞玲 李曉寧 張小紅,2

1(電子科技大學機械電子工程學院 四川 成都 611731) 2(國網四川省電力公司德陽供電公司 四川 德陽 618000)

基于Android的無線智能家居系統設計與研究

倪亞玲1李曉寧1張小紅1,2

1(電子科技大學機械電子工程學院 四川 成都 611731)2(國網四川省電力公司德陽供電公司 四川 德陽 618000)

伴隨著智能手機產業的快速發展，網絡通信技術的日新月異，物聯網浪潮的推波助瀾，智能家居逐漸成為當代家居生活的發展方向。家庭網絡需要具備便捷性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點，而無線網絡技術能夠為智能家居系統提供更大的靈活性、移動性，所以把無線網絡技術融入到家庭網絡中已經成為當今智能家居市場主流趨勢。由此設計開發基于Android的無線智能家居系統。此外，在完成設計以后對無線智能家居系統的各項功能進行測試，系統在各項測試中性能優良，達到了系統設計預期的要求。

Android 智能家居 系統設計 WiFi

0 引 言

時代的推移，人們生活水平的提高，改善生存、生活環境成為當今社會的熱門話題。智能家居的普及在家居環境改善的過程中有舉足輕重的作用，智能家居控制系統是家居智能化的核心，扮演著最為重要的角色[1-2]。

美國、俄羅斯都認為物聯網行業的發展是經濟騰飛，奪取當今世界的霸主地位的關鍵因素，而智能家居的普及對物聯網行業的發展中有舉足輕重的作用[7]。在中國也不例外，國家五大新興戰略性產業，智能家居物聯網產業赫然在列。由此可見，在未來的幾十年時間里，智能家居作為一個新興藍海項目，市場前景不可估量，智能家居產業將會是中國最具發展潛力的產業之一[3]。

本文將基于ZigBee技術、WiFi技術、Android技術完成無線智能家居系統的設計與研究。從結構上講，本文的無線智能家居控制系統分成智能家居APP、服務器、中央控制器、子控制器四大部分。智能家居APP基于Android操作系統進行設計，完成遠程監視和控制功能；服務器基于TCP協議的Socket通信進行設計的，完成轉發數據的功能；中央控制器基于OpenWrt操作系統進行設計，完成WiFi和ZigBee信號的相互轉換；子控制器則利用CC2530單片機，完成設備動作的控制和ZigBee信號的上傳和下達。一個有機的無線智能家居控制系統在APP、服務器、中央控制器、子控制器的協調配合下穩定的運行。

1 無線智能家居系統的方案設計

智能家居將多項高新技術融入到家庭生活中，旨在讓每家每戶都享用人類的科技成果，為每家每戶提供方便、高效、安全的居家體驗。用戶通過手機，就能夠對家電設備、居家環境乃至整個家實現統一的控制與管理。

無線智能家居網絡系統主要由無線信息通信網絡、自動化控制網絡、攝像機監視網絡三部分構成，主要被應用于家庭范圍或相似用途的地方。智能家居網絡系統既能本地局域網也能通過互聯網遠程實現：智能燈光、智能窗簾、智能空調等智能電器設備的監測和控制；智能插座的開關及電量信息采集與監控；視頻監護、危險預警、安防監控等功能。

1.1 WiFi無線網絡設計

本系統的WiFi無線網絡是由中央控制器的RT5350WIFI網關，Android手機終端和服務器組成。其軟件設計主要包括OpenWrt操作系統設計、服務器設計、Android應用程序設計。

1.1.1 OpenWrt操作系統設計

OpenWRT操作系統具備高度模塊化、高度自動化的特點，并且具備十分強大的網絡組件和擴展性[4-5]。本系統在進行智能家居OpenWrt開發時，采用F403科技創意室的RT5350開發板，其開發步驟如下:

(1) 在PC機上編譯U-boot，然后通過SPI Flash燒寫器燒入單板。

(2) 在PC機上編譯OpenWrt，通過U-boot燒入單板或直接啟動。一個可以在單板上運行的OpenWrt是進行后續開發的基礎。

(3) 在PC機上編譯各種應用程序，經過驗證成功后再燒入開發板。

1.1.2 服務器設計

本系統用戶的手機、中央控制器都作為WIFI網絡的客戶端與服務器交換數據，服務器是手機與中央控制器通信的橋梁。設置好服務器的固定IP和端口號以后，用戶的手機可以在任何地方通過WiFi連接上服務器，與中央控制器進行通信，從而實現對家里各個子控制器的控制。本文設計的服務器是基于TCP協議的服務器，TCP傳輸控制協議是一種面向連接的，提供端到端全雙工傳輸的通信方式。TCP的傳輸有三個過程，它們分別是：建立連接、傳送數據、釋放連接[6-8]。圖1呈現了TCP三次握手流程。

圖1 TCP三次握手

TCP/IP協議網絡通信的基本操作單元就是Socket通信，它是網絡通信的基礎。“套接字”是Socket通信的俗稱，Socket是一個通信鏈的句柄，用來指明IP地址和端口。應用程序網絡發出請求或者應答網絡請求都是通過Socket進行的。

應用程序的Socket通信是建立與平臺其他應用協調工作的基礎。在Java源程序中建立Socket對象以后，開發人員就是可以用它來接受發送網絡中的輸入輸出流。Android的Socket通信模型如圖2所示。

圖2 Socket通信模塊

圖3展示了服務器和客戶端的工作流程，在服務器端首先利用Socket()函數創建Socket對象，然后用Bind()函數綁定端口號，最后利用Listen()函數來監聽無線網絡中的數據請求[9-10]。

圖3 服務器與客戶端Socket通信程序流程圖

1.1.3 Android應用程序設計

智能控制界面就是應用程序中直接與用戶進行交互的可視界面。智能控制界面、Socket通信、數據庫是實現基于Android無線智能家居系統軟件設計必備元素。智能控制軟件的組成如圖4所示。

圖4 智能控制軟件組成圖

(1) 智能控制界面

登錄界面，控制中心主界面和無線智能家居系統各房間子界面三部分組成了智能控制界面。其整體的結構框圖如圖5所示。

圖5 智能控制界面的整體結構框圖

創建開發登錄界面的目的是為了確保家庭網絡的安全和用戶的隱私，智能控制軟件只能被家的主人或其授權的人使用，開發者設置了智能控制軟件原始用戶名和密碼，用戶登錄后可以在設置界面內根據需求自主改動用戶名和密碼。

(2) 通信功能實現

本系統的服務器采用的是TCP服務器，所以要與服務器進行通信，需要建立TCP客戶端，在知道服務器IP地址和端口號的情況下，通過socket = new Socket(conIP, port)建立Socket套接字連接，通過connect()函數連接服務器即可完成通信。

(3) 數據庫設計

由于本文智能家居系統中使用的數據量比較小，于是本系統使用了Android系統自帶的SQLite數據庫來儲存登錄密碼，情景模式的家用電器設備以及插座控制模塊等數據信息。

1.2 Android應用程序界面設計

1.2.1 登錄界面的設計與實現

Android系統的界面設計通常都包含三個部分：xml資源文件中實現相應界面的結構布局；Java源代碼文件中實現對應界面的顯示和具體功能的實現；系統文件完成對登錄界面中組件的描述以便系統的識別。圖6完整地展示了登錄界面的組成成分。

圖6 登錄界面成分

本系統的登錄界面軟件的設計流程如圖7所示。

圖7 登錄界面程序流程圖

連接服務器，接受用戶輸入的用戶名和密碼是智能控制軟件在登錄時主要的功能，對用戶輸入的賬號和密碼進行比較驗證，只有它們都正確時才能進入智能家居系統主控界面。開發完成的登錄界面如圖8所示。

圖8 登錄界面

1.2.2 主控界面的設計與實現

當用戶點擊Login按鈕后，如果用戶名和密碼驗證成功，則智能控制軟件從登錄界面跳轉到主控界面。整個無線智能家居系統的各房間、情景、安防、設置圖標在主控界面上顯示，界面還具有提供進入這些房間和公共模塊的接口的任務。智能家居系統主要的功能模塊包括：客廳、主臥、次臥、廚房、安防、情景、設置。在Java源代碼文件中，通過setContentView()函數來關聯maintest.xml布局文件后，智能控制軟件就能夠顯示主控界面。界面上的每個房間以及公共模塊都有其對應的功能，它不會實現這些具體功能，只是為用戶進入各房間和公共模塊提供一系列的接口。

在登錄界面的Activity中設置事件偵聽器，當偵聽到事件時Activity通過意圖組件來實現跳轉，從而實現讓用戶從登錄界面順利地過渡到主控界面。同理如圖9所示，要從主控界面跳轉到各個房間和公共模塊，也必須給主控界面上對應的圖標設置事件偵聽器，并在偵聽到按鈕事件后利用意圖組件來實現界面的跳轉。主控界面如圖10所示。

圖9 主控界面程序流程圖

圖10 主控界面

1.2.3 各房間界面的設計與實現

每個房間的結構和功能基本一致，它們都包含燈光控制、窗簾控制、插座控制、環境檢測模塊，所以本部分以主臥為例來介紹房間界面設計與實現。主臥房間的邏輯結構圖如圖11所示。

圖11 主臥界面結構圖

其程序流圖與主控界面大同小異，開發完成的主臥界面如圖12所示。

圖12 主臥界面

1.2.4 情景模式界面的設計與實現

連鎖控制在智能家居系統中指的就是智能家居情景模式，例如智能家居回家模式：下班以后，用戶只需點擊手機上的一個按鈕即可打開所有想要打開的電器，與此同時智能軟件后臺自動開啟回家安防系統。智能家居系統在用戶回家之前，將家居環境調節到用戶最喜歡的狀態。本系統的情景模式采取自主添加的模式，用戶可以把數據庫中的任意電器添加到情景模式中，也可以將已經添加到情景模式中的電器給刪除，給予用戶更多的自主選擇權。

如圖13所示，用戶進入情景界面，點擊添加按鈕進入電器選擇界面，用戶根據喜好選擇相應的電器。然后點擊確認添加按鈕，將已經選擇好的電器添加到情景模式數據庫中，情景界面刷新顯示出情景模式數據庫中的所有電器，用戶點擊控制按鈕，即可實現對這些電器的連鎖控制。若用戶想刪除情景數據庫中的電器，只需長按對應的電器，界面就會彈出刪除與否的對話框，點擊確定即可刪除相應的電器。開發完成后的情景界面如圖14所示，電器選擇界面如圖15所示。

圖13 情景模式程序流程圖

圖14 情景界面

圖15 電器選擇界面

2 無線智能家居系統測試

2.1 智能燈測試

如圖16所示，平板、服務器、中央控制器、智能燈子控制器、觸摸面板和燈組成智能燈測試系統。將觸摸面板和燈串聯起來，組網成功以后，點擊平板界面上的主光源開關按鈕，通過WiFi將信號發送出去。服務器在收到信號后，將控制指令轉發給中央控制器，中央控制又將指令通過ZigBee的形式發送給智能燈子控制器，子控制器以射頻的方式去控制觸摸面板中的晶閘管的開關，從而實現對燈的智能控制。

圖16 智能燈控制測試對比圖

2.2 智能窗簾測試

如圖17展示了智能窗簾的測試過程，平板、服務器、中央控制器、智能窗簾控制模塊和杜亞電機組成智能窗簾測試系統。當系統上電以后，當點擊平板上的開窗簾按鈕時，智能窗簾控制模塊上的LED2亮起，杜亞電機隨后正轉表明正在進行開窗簾的動作；當點擊平板上的合窗簾按鈕時，智能窗簾控制模塊上的LED2閃爍，杜亞電機隨后反轉表明正在進行合窗簾的動作；當點擊平板上的停止按鈕時，智能窗簾控制模塊上的LED2熄滅，杜亞電機隨后停止轉動表明窗簾停止了動作。

圖17 智能窗簾控制測試對比圖

2.3 情景模式測試

情景模式在智能家居系統中實際上就是指連鎖控制，所謂連鎖控制即幾種家用電器通過一個按鈕就可以完成控制。如圖18所示，以智能插座和智能窗簾為例進行情景模式測試，為了凸顯效果智能插座上依然接上了燈泡。用戶通過添加界面將智能插座和智能窗簾添加到情景模式界面中，當用戶點擊開情景模式按鈕時，智能插座接通，燈泡亮起，窗簾電機轉動起來。這樣就通過一個情景模式按鈕實現智能插座和智能窗簾的連鎖控制。

圖18 情景模式測試對比圖

3 結 語

智能手機的迅速普及，無線通信技術的快速發展為智能家居帶來了新的契機。本文以ZigBee模塊作為子控制器，以RT5350開發板作為中央控制器，利用Socket套接字機制建立TCP服務器，以當下最熱門的Android手機作為智能家居手持終端，開發了一套無線智能家居系統。

本文所設計的無線智能家居系統的優點在于：

(1) 子控制器的硬件設計采用底座加模塊的形式，底座具有通用性，節約批量生產和售后的服務的成本。

(2) 智能家居系統控制軟件對網絡通信安全方面做了基礎的研究工作，為以后的改進奠定了基礎。

(3) 采用ZigBee、 WiFi無線通信方式，結合兩種通信方式的優點設計出成本低、功耗低、性價比高的智能家居系統。

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DESIGNANDRESEARCHOFWIRELESSSMARTHOMESYSTEMBASEDONANDROID

Ni Yaling1Li Xiaoning1Zhang Xiaohong1,2

1(SchoolofMechatronicsEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,Sichuan,China)2(StateGridSichuanElectricPowerCompanyDeyangPowerSupplyCompany,Deyang618000,Sichuan,China)

With the rapid development of the smart phone industry, the development of network communication technology, the surge of Internet of things, smart home has gradually become the development direction of contemporary home life. The home network needs to be convenient, modular, scalable and independent of the communication features, and wireless network technology can provide greater flexibility and mobility for the smart home system. So the wireless network technology into the home network has become the mainstream of today’s smart home market trends. Therefore, we design and develop a wireless smart home system based on Android. In addition, after the completion of the design, the functions of the wireless smart home system are tested. The system has good performance in various tests and meets the requirements of the system design.

Android Smart home System design WiFi

2016-12-05。倪亞玲，碩士生，主研領域：智能家居系統設計研究。李曉寧，高工。張小紅，碩士生。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.11.018