基于Android平臺和ZigBee的智能家居系統設計

楊小燕　紀懷猛　周佳慧　張婉煌

摘要：如今物聯網技術飛速發展，極大的促進了WiFi和ZigBee協議棧技術在智能家居中的應用。本文應用Android手機來實現整個智能家居的系統的管理，通過WiFi無線通信技術實現協調器與手機端的通信，運用ZigBee協議棧的特點性質以及各種傳感器作用，實現了遠程溫濕度信息采集、繼電器控制等功能。實驗表明，該系統能使整個智能家居系統能夠安全穩定地運行。

關鍵詞：智能家居；Android；ZigBee；無線網關

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0137-02

1 引言

隨著物聯網技術的迅速發展，人們對家居環境安全、舒適度的要求更高，智能家居[1]就是在這種時代需求下應運而生。與傳統住宅相比，智能家居有利于人們對自己的時間的有效合理的安排，方便人們對住宅的控制和管理，使得家居生活愈加舒適便利。文獻[2]提出了運用紅外線通信技術組合建構智能家居的方法，但是由于紅外線傳輸距離短、無法靈活組網的缺陷使其在智能家居的應用上受到了相當大的限制。文獻[3-5]對基于藍牙的智能家居系統設計進行了詳細介紹，但是在較小的空間內使用較多的電器時，會出現多路信號的相互干擾問題。文獻[6]提出使用WiFi技術對智能家居系統進行通訊設計，盡管可以實現家居環境的無線組網和對智能家居系統的控制，但是功耗卻非常的大，成本也較高。

本文所提出的智能家居系統控制方案是利用WiFi技術來實現網關節點與Android手機端的之間的通信，網關節點和終端節點組成一個ZigBee網絡，實現溫濕度的信息采集，以及繼電器的控制等功能。

2 系統總體設計

本文提出的基于Android的智能家居系統主要由Android手機端，無線路由器、無線網關節點以及帶有各種傳感器的終端節點組成。其網絡拓撲結構如圖1所示。

其中，無線網關是智能家居系統的“大腦”，由ZigBee協調器以及帶有透傳功能的WiFi模塊組成。它是外部公共互聯網與家庭內部互聯網互通的樞紐，一方面ZigBee無線節點實時采集環境信息并傳送給協調器，協調器將收到的數據封裝成WiFi數據幀后傳送到Android端進行顯示；另一方面Android端將控制指令以數據幀的形式通過WiFi發送到協調器節點，協調器節點將數據幀解析成串口數據后發送到相應的ZigBee終端節點實現遠程控制功能。

3 ZigBee網絡的設計

ZigBee網絡一般包括協調器、路由器和終端節點三種類型的邏輯設備組成。

3.1 ZigBee網絡的協調器

每個ZigBee網絡只能有一個ZigBee的協調器，由協調器選擇一個信道和網絡標識（PAN ID），然后開始組建這個網絡。它具有網絡的最高權限，是整個網絡的維護者，因此它還可以保持間接尋址用的表格綁定，同時還可以設計安全中心和執行其他動作，保持網絡其他設備的通信。

3.2 ZigBee網絡的路由器

路由器也叫中繼，負責數據包轉發以及尋找合適的路徑。在大型的ZigBee網絡中路由器可以出現一個或者多個組成一個MESH網絡，但是在小型的ZigBee網絡中也可不出現路由器。本文提出的智能家居系統就是一個以協調器為中心的星型網絡，由協調器和終端節點直接進行通信。

3.3 ZigBee網絡的終端節點

本文采用的是TI公司開發的基于8051內核TICC2530F256芯片的終端節點，該節點集成了一個高性能的RF收發器，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4 / RF4CE/ZigBee標準的低功耗局域網協議。

4 Android客戶端軟件設計與實現

4.1 智能家居客戶端框架

智能家居系統的Android客戶端軟件是在Android Studio3.0平臺下采用Java開發。為實驗方便，本系統采用1個網關節點、1個搭載了DHT11溫濕度傳感器和MQ-2氣體傳感器的終端節點和1個搭載了DHT11溫濕度傳感器和松樂5V繼電器的終端節點組成。圖2展示了網絡連接成功后，MQ-2氣體傳感器檢測到有毒氣體時客戶端主界面的顯示情況。

4.2 Android客戶端與智能家居網關的通信

Android客戶端與智能家居網關的通信是至關重要的一環，一般可采用TCP和UDP協議來處理數據的收發功能。因為對數據的可靠性要求很高，所以本文采用的是TCP協議。

4.3 信息查詢與控制的實現

Android客戶端要實現對終端節點傳感器信息的查詢與控制，必須在Android客戶端發往家居網關的數據報文中體現協調器與終端節點的通訊協議。如查詢某個節點上燈的開關狀態，報文組成如表1：

節點相應格式如表2：

發送：3A 00 01 38 23 返回：3A 01 00 3B 23 （執行成功）

開關單個節點上的燈的報文組成如表3所示：

響應報文的格式與發送報文相同。點亮燈報文的校驗碼為31，關閉燈報文的校驗碼為30如點亮節點地址為0001的燈報文如下：

發送：3A 00 01 0A 01 31 23 返回：3A 00 01 0A 01 31 23

用類似的方式可以實現對溫濕度、煙霧傳感器狀態的查詢和對繼電器的控制，在此不再贅述。

5 結語

在本文提出的智能家居系統控制方案中，通過Android手機連接智能家居網關即可實現對家庭內部的環境信息實時監控和對家用電器實現實時控制，提高了人們對家居生活的體驗。隨著Android手機的普及和智能家居在國內外的發展與推廣，利用Android手機作為智能家居的客戶端將具有越來越大的優勢和商業價值。

參考文獻

[1]鹿曼.基于Android的智能家居控制系統的設計與實現[D].濟南：山東建筑大學，2013.

[2]林子昊.無線智能家居控制系統[J].無線互聯科技，2014，（7）：83-84.

[3]朱世浪.基于藍牙的智能家居無線網[J].福建電腦，2006，（2）：12-13+11.

[4]劉永富，焦斌亮，劉慶赟.基于藍牙的智能家居控制系統[J].現代建筑電氣，2010，（12）：13-18.

[5]吳由松，吳允強.藍牙智能家居系統設計[J].電子測試，2017，（21）：12-13.

[6]肖宛昂，蘇高民，陸廷，等.一種由WiFi智能插座構成的智能家居[J].單片機與嵌入式系統應用，2014，（5）：46-48.