基于Android的智能家居交互系統設計與開發

文丹

（桂林信息科技學院，廣西桂林，541004）

0 引言

隨著普通家庭生活水平的提高以及科技的飛速發展，智能家電走進了普通家庭。過去智能家電就意味著高成本難使用，隨著AI的發展及無線通信技術的發展，由單純的智能家電向智能家居系統發展。智能家居不僅僅局限于對家電的控制，隨著智能程度的提高，會向著智能化與自動化發展。例如：根據主人的作息習慣，提前開啟空調，熱水器等。監控室內環境，智能化控制相應的家電工作，如根據溫度變化開啟空調調整室內溫度等。智能化程度越高意味著加入到整個智能家居系統的設備數量會比較大，如果采用線路控制的方式，安裝成本高，設備部署不靈活。因此利用物聯網技術開發智能家居的交互系統是很有意義的。智能手機和智能隨身設備的的普及，可將智能手機作為智能家居的控制終端，智能手表，手環作為人體狀態的定位與感應可以使得智能家居系統更貼合人們的生活習慣，同時也降低了整套系統的部署成本，更有利于智能家居系統進入普通用戶的家庭、

目前，智能家居產業發展迅猛，但仍存在一些問題，成本高、穩定性差，無統一標準，擴展性差，操作繁瑣等。智能家居未來的發展需要很好的解決上述問題。智能家居這塊“大餅”，也吸引了眾多品牌來，如華為、京東、小米等，甚至一些傳統家也紛紛踏入，如海爾、蘇泊爾等。各種物聯網智慧平臺依托各種方式也走入了人們的視野當中。

1 系統總體設計方案

■1.1 系統需實現的功能

（1）采用 ZigBee 的組網方式構建物聯網實現智能家電及控制系統的互聯，實現遠程監測和管理。

（2）通過ZigBee 終端節點監控家電設備的工作情況；部分老式家電可通過ZigBee終端智能開關控制通斷電實現控制；實現ZigBee 終端節點組網；通過智能網關實現，智能遠程控制及監控數據的傳輸。通過傳感器實現室內溫濕度的采集，光感知，氣體的監測以實現相應智能家居設備的自動控制。通過Android系統的智能終端 APP對智能家居系統中的家電設備進行監控和管理。

（3）通過互聯網實現遠程監控及管理。

■ 1.2 系統總體設計方案

本文設計的智能家居交互系統通過使用ZigBee芯片CC2530設計終端電路將溫濕度傳感器，光度傳感器以及各類安防監控類型傳感器進行組合，利用CC2530實現組網，進行傳感器數據的傳輸及各類型傳感器的控制，以實現對家居環境的感知再經控制終端的分析后對家電設備實現智能控制。使用ZigBee芯片設計終端設備及終端用電控制模塊以實現對家電設備的智能控制。

系統中心是ZigBee芯片CC2530和WiFi芯片ESP8266設計的智能網關，其主要作用是有效分析及傳輸數據及指令。利用串口UART在CC2530和ESP8266間實現數據傳輸及數據協議的轉換，從而實現ZigBee物聯網與互聯網，WiFi網絡的無縫鏈接。

在基于Android系統的智能手機開發APP，以實現智能設備工作狀態的實時監控及指令控制。通過設計基于Android客戶端的WEB服務器，以實現控制終端處于外部網路時對智能家居設備狀態的監控及控制。

■1.3 系統主要功能模塊設計方案

其主要功能模塊有：ZigBee-WiFi智能網關、Android APP客戶端軟件、WebServer服務器、帶傳感器和控制器的ZigBee終端節點等。智能網關進行數據協議轉換實現數據的透傳。以Android系統的智能手機為控制協調中心，替代PC主機。智能網關可遠程實現智能家電的集中的管理與有效控制。

以ZigBee芯片CC2530和WiFi芯片ESP8266構建的智能網關，實現了數據的透傳，ZigBee協調器不再需要連接到PC主機，直接使用Android手機端的APP實現管理和控制。通過互聯網的連接可以在存在互聯網的任何地方進行遠程監控及管理。

本系統采用TI公司8051核心的CC2530作為傳感節點，其優勢如下：

(1)功耗低，只用普通的于電池，在低能耗環境下，Zig Bee節點可工作180天左右。

(2)集成度較高，功能較完善。集成C8051，ADC，Zig Bee，支持協議為Zig Bee2007/PRO，組網簡便，網絡穩定可靠。

(3)開發平臺較成熟。

(4)專利免費試用，硬件成本較低。

無線網絡WiFi模塊使用的是ESP8266，主要實現互聯網及局域網的接入。CC2530和ESP8266之間的數據通訊可直接通過芯片自帶的串口直接鏈接，實現數據協議的轉換。智能手機的控制終端可直接通過局域網或互聯網直接接入，終端的數據采集結果可直接發送到APP，控制指令也可以直達終端。

整體結構圖如圖1所示。

圖1

2 系統硬件電路與軟件設計方案

系統的硬件部分主要包括ZigBee-WiFi智能網關和ZigBee終端節點。硬件設計采用模塊化設計的方式進行設計，智能網關底板，主要由ZigBee芯片CC2530 ，ESP8266WiFi 芯片和實現串口通信的CH341A芯片組成。ZigBee終端節點主要包含ZigBee芯片底板，傳感器模組和控制模塊。

■ 2.1 ZigBee-WiFi 智 能 網 關 的設計

2.1.1 硬件電路設計

智能網關因需要長時間工作，因此采用外部電源進行供電。為增強其適配性電源輸入接口采用Type-C接口，輸入電源電壓為5V。再通過MP1583DN的電路將電壓降為3 3V對電路的主要芯片進行供電。系統結構如圖2所示。

圖2 智能網關硬件結構

ZigBee模塊主要負責ZigBee網絡的組網及數據傳輸，數據通過UART接口及串口傳輸到WiFi模塊。WiFi模塊主要負責接入家庭局域網或直接與智能手機連接，將各終端的數據通過WiFi發送到手機操作終端或Web網絡服務端。電源模塊負責提供電路所需要的電壓，電流。

2.1.2 網關系統實現流程

智能家居ZigBee網絡采用星型的網絡結構，由智能網關內的ZigBee網絡協調器及多個ZigBee終端節點構成。ZigBee網絡構后通過串口將數據發送至WiFi模塊，通過WiFi網絡連接到控制終端或者網絡服務器。智能網關系統處理流程如圖3所示。

圖3 智能網關數據流轉結構

■2.2 ZigBee 終端電路設計

終端電路主要實現三個方面的功能，室內環境的感知，遠程家電的遙控，遠程電路的通斷。環境感知主要包括溫濕度，ZigBee終端電路包括電源、ZigBee底板、傳感器模塊，遙控模塊，繼電器等。電源部分直接采用鋰電池供電，采用SGM40560設計鋰電池的充電電路，接口采用Type-C接口，便于使用計算機USB接口或相應的電源適配器對終端進行充電。各部分功能采用模塊化設計，可以根據實際需要進行組合。

ZigBee底板使用CC2530最小系統的方案。傳感器模塊主要包含溫濕度傳感器，紅外感應器，氣體傳感器，光感器，磁感器等；遙控模塊可以使用紅外或藍牙控制模塊以便對家電進行遙控；附加繼電器后可以變身為智能開關直接控制電器的通斷電。

溫濕度傳感器主要選用DHT11數字溫濕度傳感器。DHT11數字溫濕度傳感器是一款數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，產品具有很高的可靠性和長期穩定性。適用于家庭智能家居電路的應用場景。

氣體傳感器主要選用MQ-2氣敏器件進行設計。MQ-2常用于日常生活生產的氣體泄漏監測裝置，可對各種可燃氣體及煙霧進行探測。MQ-2的探測范圍廣、靈敏度高、響應快、穩定性好、壽命長、驅動電路簡單。適用于低成本氣體感應模塊的設計。

人體紅外傳感器主要選用HC-SR501進行設計。HCSR501是基于紅外技術的控制模塊，靈敏度高，穩定可靠，廣泛應用于微型自動感應電器設備。

遙控模塊選用YS-IRTM進行紅外遙控發射電路設計。模塊集成單片機及紅外收發電路，可直接使用串口控制。可連接多個紅外發射頭，便于紅外發射模塊擴展。

圖4 終端電路系統結構圖

■2.3 應用程序軟件設計

應用程序設計主要分三個方面，一是智能網關中，ZigBee網絡應用程序設計；二是智能網關中，WiFi模塊的應用程序設計；三是終端節點中的ZigBee底板的應用程序設計。

2.3.1 ZigBee 網絡應用程序設計

ZigBee網絡應用程序主要作用是進行ZigBee網絡的組網，給網絡中的各終端分配地址，并進行數據傳輸。其主要工作流程是：

（1）ZigBee協調器啟動后，掃描并選擇合適的信道和網絡號段來構建物聯網，之后等待ZigBee終端節點連接。

（2）ZigBee終端節點啟動后，掃描網段中的網絡，使用預先設置的口令申請加入網絡。

（3）終端節點獲取傳感器的數據后，通過物聯網發送到ZigBee協調器。

（4）ZigBee協調器接到數據后，通過串口發送數據到WiFi模塊。

（5）ZigBee終端節點接收到通過物聯網下發的指令，做出相應的響應。協調器的工作流程如圖5所示。

圖5 協調器的工作流程圖

2.3.2 WiFi模塊的應用程序設計

ESP8266芯片帶有AP模式等網絡路由模式，根據實際情況選擇工作模式。構建WiFi網絡。將協調器通過串口發送過來的數據發送給控制端或者WebServer服務器。工作流程圖如圖6所示。

圖6 WiFi工作流程圖

2 3 3 ZigBee 底板的應用程序設計

終端結點工作流程如協調器工作流程類似，加入到ZigBee網絡后，將傳感器數據通過網絡發送到協調器，將接收到的控制指令發送至相應的響應模塊。工作流程圖如圖7所示。

圖7 終端結點工作流程圖

3 Android APP 軟件設計

■3.1 Android APP的功能需求

本文所設計的智能家居系統是使用Android系統的智能設備作為控制終端，用戶可以在智能設備上通過安裝的APP對家電設備進行遠程監控和管理。當用戶控制終端處于內部網絡時，可通過智能家居網關實現對家電的控制；當用戶控制終端處于互聯網時，客戶端需要通過訪問基于WebServer服務器獲取最新的數據及發送指令。

控制終端應該具有以下功能：

（1）為保障信息安全和隱私，需通過注冊賬號，通過賬號密碼登錄后，再對家電設備實施遠程監控和管理。

（2）可以通過控制終端對智能家電進行實時監控以及設置控制邏輯。如根據房間的溫濕度，人體感應，光感情況開啟或關閉相應的電器。如果有異常情況客戶端需要及時向用戶發出警報。

（3）控制終端可以設置情景模式。如外出，睡眠，影院，運動，自定義等情景模式。

■3.2 控制終端APP的設計方案

APP使用Android Studio進行開發，使用TCP/IP通信協議進行網絡連接。內部網絡中通過WiFi網絡向智能網關上的WiFi模塊發送控制指令，智能網關接收控制指令后，通過內部串口將指令發送給ZigBee協調器，協調器通過物聯網發送指令到相應的終端節點，從而實現Android客戶端對家電設備遠程的操作。

APP的設計包括用戶UI界面，智能網關的網絡連接，webserver服務器連接及數據交互三個方面。通過使用四大組件，完成整個APP客戶端的業務邏輯。APP客戶端軟件主要由登錄驗證，家電控制和情景模式三個部分組成。注冊或登錄通過請求服務器返回狀態碼判斷注冊或者登錄情況，核對用戶信息。控制終端連接智能網關后通過SOCKET通信方式監管家電設備。情景模式設定可以快速設置家電工作狀態。Android APP客戶端的設計流程圖如圖8所示。

圖8 APP客戶端的設計流程圖

4 WebServer服務器軟件設計

■ 4.1 需求分析

WebServer服務器應具有的功能有用戶登錄與退出，情景模式調用和信息采集及存儲三個方面的功能。基于安全性考慮需要要求客戶注冊及登錄系統后才能對家電進行監控。也便于系統將不同的客戶信息存儲管理，便于客戶的使用。用戶信息包含用戶名，用戶密碼，情景模式，自定義設置等。情景模式是智能家電控制系統中關鍵的一環，也是實現智能化控制的基礎。用戶根據自身的實際需求設置好相應的情景模式，如：外出，居家，睡眠等。以實現一鍵智能控制。信息的采集及存儲，便于用戶了解家居環境及家電的工作狀態。可以實時或回顧查看，便于用戶了解系統的實際工作狀態。由此我們可以得到頂層的數據流圖，如圖9所示。

圖9 智能家居系統頂層數據流圖

■ 4.2 業務流程設計

根據需求分析中的三個主要的業務，設計各個業務的業務流程。以便于應用程序的開發。

用戶通過注冊，創建賬號。賬號登錄需要使用賬戶名和密碼。填寫登錄信息后提交系統驗證，如圖10所示。

圖10 客戶端登錄流程圖

登錄成功后，可以對智能家電進行管理。查看家庭環境，家電工作狀態。信息的獲取與查看。數據查詢流程如圖11所示。獲取家電及環境信息后，可直接調用相應的情景設置，或者直接對家電進行控制。其基本流程如圖12所示。

圖11 信息查詢流程

圖12

5 總結

本文設計的基于Android的智能家居系統是將ZigBee物聯網、WiFi、無線通訊、Web服務器，數據庫管理等多種技術綜合在一起，將多種信息技術應用到智能家居的智能化管理之中，通過安卓平臺，把智能家居的各類信息在Android系統的智能終端中展現，使用者通過智能終端在任意位置就可以實現設備的管理與監控，便捷人們的生活提高生活質量。