基于Cortex—M3与Android的智能家居控制系统设计

郭丽

【摘要】本文提出了一种基于Cortex-M3与Android的智能家居控制系统解决方案。系统采用智能手机作为控制终端，设计基于Android的客户端应用程序。智能家居内部网络采用ZigBee无线传感网络技术进行搭建，最终实现通过手机对家居内部设备进行远程实时监控的目的。

【关键词】智能家居 Cortex-M3 Android ZigBee

智能家居是在传统住宅的基础上，利用现代科学技术，诸如网络通信、安全防范、自动控制、音视频等技术将家居生活有关的各种家具设施集成，构成的高效、便利、舒适、节能环保的家具环境。通过搭建ZigBee无线传感网络，采用改进的ZigBee路由算法，制定完善的通信協议，提高网络通信性能，最终实现手机对智能家居的远程和本地的实时监控。

一、系统总体设计

本文所设计的智能家居控制系统主要包括嵌入式服务器，Android客户端和ZigBee节点。移动控制终端和ZigBee节点通过嵌入式服务器进行通信实现信息交互。

二、系统硬件设计

（一）设计原则

嵌入式服务器在整个系统中起着至关重要的作用，其实现的主要原则应从下面几点出发：允许Android客户端远程登录到服务器，并能够保存登录用户的基本信息，实现多用户登录，为每个用户都能提供相应的服务；能够正确接收客户端发送的控制命令，并能够返回相应信息；能够与ZigBee协调器实现信息交互，完成命令传输和信息采集。

（二）服务器硬件设计

根据需求，外围需扩展的功能模块主要包括与ZigBee协调器通信模块和与控制终端实现网络通信硬件模块。其中与ZigBee协调器通信采用串口通信方式实现。

（1）网络通信接口。网络通信接口是服务器与控制终端实现网络通信的桥梁。STM32F107内部集成了一个以太网MAC，并有专用的DMA控制，实现内部数据的高速传输。STM32F107还同时支持MII和RMII两种物理层接口，因此只需外界一片物理层收发器，即可实现以太网帧的发生和接收，实现网络通信。支持平行交叉网线自适应，实现以太网通信功能。

（2）Zigbee节点。智能家居中，家居内部无线网络通信方式的选择至关重要。在本次智能家居控制系统设计中，家庭内部网络采用ZigBee组网技术。在智能家居网络中，ZigBee节点被分为主节点和从节点，主节点主要负责建立无线网络，分配从节点网络地址，并与从节点和嵌入式服务器实现指令的发送和接收。ZigBee从节点主要嵌入到终端设备中用于采集检测信息发送到主节点，或者接收控制命令实现对终端设备的控制。

数据采集节点主要包括一些通过传感器实现的信号采集类模块，比如温湿度采集，可燃气体泄露或者火灾发生时的信号采集并报警。设备控制节点主要嵌入到家电设备中，以实现门禁系统、灯光控制、智能窗帘、智能热水器、智能空调、摄像头云台等的远程控制。

三、系统软件设计

本系统的软件主要包括3个部分：嵌入式服务器软件平台、ZigBee节点控制程序、控制终端的Android应用程序。

嵌入式服务器软件实现。嵌入式服务器软件平台的搭建根据一下两点需求来进行：服务器要实现实时多任务操作；服务器要实现TCP/IP网络通信功能。

（1）操作系统移植。微控制器和数字处理芯片，是和很多商业操作系统性能相当的实时操作系统。

（2）LwIP协议栈移植。LwIP是TCP/IP协议栈的一个实现。它的目的是减少内存使用率和代码大小，使LwIP用于资源受限系统，本次设计的嵌入式系统正属于此列。

四、结束语

将完成的Android客户端安装到手机，并搭建服务器平台，在实验环境下进行实验和调试。实验结果表明系统运行稳定，Android手机客户端可以通过无线网对家居设备实现远程控制，并且能够实时接收并显示住宅环境信息，当检测到异常时能够及时的发出警报。

本次设计的智能家居控制系统，采用了当下最流行也最实用的智能手机实现对家居环境的实时监控。这种方式通用性强，操作便捷，易于安装推广，运行稳定可靠。

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