基于 Android 的智能家居系统设计与研究

王美荣 孙苗苗

摘要：从20世纪80年代智能家居概念的提出至今已有30多年，智能家居已经历了4代的发展。家居智能控制系统价格低，性价比高，越来越受欢迎。将具有Android操作系统的智能手机或者平板电脑作为智能家居系统的控制终端，以CC2530单片机最小系统作为硬件电路及控制器，设计ZigBee、WIFI及315M射频网络软件，通过RT5350与CC2530的串口连接将ZigBee和WIFI连接起来，设计并开发本基于 Android 的智能家居系统。

关键词：基于Android;智能家居;ZigBee;WIFI

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）35-0043-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

21 世纪信息化时代以来，伴随着计算机技术、 智能终端技术、互联网技术以及移动互联网技术的快速发展，以计算机软硬件为基础，以互联网环境为网络传输与交互支撑的新兴技术正逐渐的渗透并应用到各行业各领域中。这些技术深刻地变革了人们原有的工作与生活环境，为人们追求高质量、高便捷性的工作与生活方式提供了强有力的技术支撑力量[1]。自从我们国家进入互联网社会以来，科技发展越来越迅速，智能家居逐渐深入到普通家庭中，它大大便捷了用户与家电以及家庭环境间的交流。但目前市场上的智能家居系统都不是很完善，存在着用户体验差、成本较高、技术相对落后、无法让用户与家居环境实现良好的沟通与控制等问题。本文通过分析目前市场上智能家居系统的特点，进行基于Android的功能完善、耗能较低、成本理想、安全性高的家居系统设计，提升了智能家居系统的整体性能，给予用户更好的使用体验。

1 系统总体设计

该智能家居系统主要由中央控制器、子控制器、控制终端以及服务器组成。中央控制器由Zigbee协调器和RT5350组成[2]，子控制器可由用户自主添加，控制终端即为人们普遍使用的手机或平板电脑等设备，对于网络通信技术即采用相较于有线技术更为契合智能家居方便快捷、人性化强等特点的无线通信技术。通过控制终端，用户可以进行统一的控制与管理。在家电设备、居家环境等方面，控制终端给予用户一个良好的人机交流界面，用户通过控制终端输出指令，再经由服务器转发，之后中央控制器进行指令的转发、处理与管理控制，最后通过子控制器完成控制对各智能家用电器以及家居环境的控制、查询。

2 系统硬件设计

本次课题所研究智能家居系统硬件主要包括：ZigBee模块、子控制器模块和中央控制器模块。

2.1 ZigBee模块

ZigBee是低功耗双向无线通信技术中的一种。它遵守IEEE 802.15.4[3]。该模块采用CC2530芯片实现通信手段，8051内核以及相关模块包括I/O口、RF模块、电源管理和定时器模块集成在CC2530芯片上，可用于解决智能家居系统的控制任务。该芯片核心电路主要是无线接收和发射模块以及晶振电路。支持最新的ZigBee/PRO协议标准，嵌入了简单且广泛的8051内核，集成度最高，具有更大的闪存空间。

2.2 子控制器模塊

子控制器模块包括智能灯开关模块、智能插座模块、智能窗帘模块及环境监测模块。本系统智能开关子控制器与触摸面板之间通过射频进行通信，CC2530单片机将接受的控制信号通过串口输出给PIC单片机，经处理后驱动射频发射模块将射频信号发送给触摸面板。触摸面板为一款利用电容式感应原理开发的触摸IC，该触摸屏具有自动校准功能，同时面板介质为绝缘材料。

2.3 中央控制器模块

本次研究的中央控制器采用RT5350为智能家居系统提供WIFI信号，从而实现2.4GHz、 802.11n的无线产品。研究要求使用低成本材料，使用较少的外围器件，集成度高、可二次开发且成本低的RT5350，支持16-bit SDRAM，具有USB 2.0 Host/Device等多个接口，兼容IEEE 802.11 b/g标准，支持WiFi+蓝牙与WPA。中央控制器使ZigBee与WIFI可以相互转换，并转发ZigBee返回的数据或者服务器的命令。

3 系统软件设计

据统计，2016年在全球智能手机操作系统市场份额中，Android系统的市场份额高达81.4%[4]，故本系统以Android作为移动端。Android是强大灵活的智能终端平台。据最新数据显示，Android已成为最受欢迎的智能手机平台。相比于其他移动设备，普及率更高，更便于操作。利用Android Studio开发平台实现远程访问智能家居系统的Android手机客户端App的开发，智能控制界面是应用程序与用户直接进行信息交互的可视化界面，用户点击控制界面开关、查询等控件后，后台程序按照约定将指令传输到服务器，再由服务器转发给中央控制器，然后下发给子服务器，由此实现对智能家居的控制。本系统主要由智能控制界面、通信功能界面以及数据库设计组成。后台程序利用Eclipse开发平台实现服务器端软件的开发，通过Java语言实现软件开发，利用微处理器和WiFi模块结合模拟智能家居设备，将采集的数据上传至云服务器，利用SQLite作为数据库，作为整个系统的数据支持。智能控制界面主要包括登录界面、控制中心主界面和各房间子界面，用户在正确填写登录信息后才能进入主界面，从而对各房间子界面的智能开关、智能插座、智能窗帘等进行控制。本系统服务器采用TCP服务器，通过建立TCP客户端，通过服务器IP地址和端口号，与服务器进行通信。由于本次智能家居系统数据量较小，故采用Android系统自带的SQLite数据可储存数据信息。用户登录智能控制软件，系统对提交的数据进行比较验证，只有用户名和密码都正确时才能进入主控界面。

在登录界面填写正确信息将跳转到控制中心主界面，在控制中心主界面设置控件，分别来实现子房间界面的跳转，从而对子房间界面进行控制，控制中心主界面如图1所示。

智能窗帘有自动和手动控制两种模式，自动控制模式下根据光照强度自动进行调节，手动控制模式下分为红外控制和无线控制两种，分别利用遥控器或者手机进行控制。温控系统同样有自动和手动两种控制模式，自动控制模式下根据室内温度自动调节室内空调或电风扇，手动模式下则同样具有红外控制和无线控制两种。

4 实验结果

在硬件的基础上通过操作系统实现WIFI信号与ZigBee信号之间的相互转化，硬件的特殊设计实现高利用率、低成本的效果。测试App控制软件对智能家居系统如对智能灯开与关，智能插座，智能监控等的控制，通过摄像头对家庭内部进行实时监控，通过环境监测对家庭空气指标等有详细了解。通过射频网络智能灯光实现射频控制，通过WIFI 网络实现服务器与ZigBee 协调器之间的通信，通过Android平台开发的APP设计SQlite 数据库，实现软件通信。通过硬件与软件的结合，对本系统各个场景进行模拟，如图2场景为模拟智能窗帘控制，图3场景为模拟智能插座控制。

5 总结

系统将软件客户端与硬件通过智能网关作为桥梁连接，通过网络传输协议传输到智能网关转发无线传输协议到硬件产品[5]，从其耗能、准确性、稳定性、成本等多方面考虑，最终选取以Android手机作为其终端，以WIFI和ZigBee技术为主要的网络通信技术方案，优化了家居系統的功能，给用户更好的体验。

系统也存在以下几方面的不足有待改进：1）由于使用的元器件比较多，在完成设计的过程中遇到了引脚不足的情况，为了保证设计功能的完整性和多样性，采用了双机通信的方式来增加引脚，解决引脚不足的问题;2）目前该智能家具系统的无线控制距离较短，无法实现远程控制;3）本系统目前功能相对比较简单，后期有待进一步的完善。

参考文献：

[1] 朱敏玲，李宁.智能家居发展现状及未来浅析[J].电视技术，2015，39（4）：82-85，96.

[1] 倪亚玲，李晓宁，张小红.基于 Android 的无线智能家居系统设计与研究[J].计算机应用与软件，2017，34（11）：97-102.

[3] 牛奕翔.基于ZigBee的物联网智能家居系统设计[J].计算机技术与发展，2019，29（11）：37-41.

[4] 李小孟.Android和WIFI通信在智能家居系统设计中的应用[J].电视技术，2018，42（5）：107-111.

[5] 阚港辉，王恩亮.基于Android的智能家居一体化控制系统[J].科技视界，2019（4）：62-63.

【通联编辑：李雅琪】