基于Android的智能家居交互系统设计与开发

文丹

（桂林信息科技学院，广西桂林，541004）

0 引言

随着普通家庭生活水平的提高以及科技的飞速发展，智能家电走进了普通家庭。过去智能家电就意味着高成本难使用，随着AI的发展及无线通信技术的发展，由单纯的智能家电向智能家居系统发展。智能家居不仅仅局限于对家电的控制，随着智能程度的提高，会向着智能化与自动化发展。例如：根据主人的作息习惯，提前开启空调，热水器等。监控室内环境，智能化控制相应的家电工作，如根据温度变化开启空调调整室内温度等。智能化程度越高意味着加入到整个智能家居系统的设备数量会比较大，如果采用线路控制的方式，安装成本高，设备部署不灵活。因此利用物联网技术开发智能家居的交互系统是很有意义的。智能手机和智能随身设备的的普及，可将智能手机作为智能家居的控制终端，智能手表，手环作为人体状态的定位与感应可以使得智能家居系统更贴合人们的生活习惯，同时也降低了整套系统的部署成本，更有利于智能家居系统进入普通用户的家庭、

目前，智能家居产业发展迅猛，但仍存在一些问题，成本高、稳定性差，无统一标准，扩展性差，操作繁琐等。智能家居未来的发展需要很好的解决上述问题。智能家居这块“大饼”，也吸引了众多品牌来，如华为、京东、小米等，甚至一些传统家也纷纷踏入，如海尔、苏泊尔等。各种物联网智慧平台依托各种方式也走入了人们的视野当中。

1 系统总体设计方案

■1.1 系统需实现的功能

（1）采用 ZigBee 的组网方式构建物联网实现智能家电及控制系统的互联，实现远程监测和管理。

（2）通过ZigBee 终端节点监控家电设备的工作情况；部分老式家电可通过ZigBee终端智能开关控制通断电实现控制；实现ZigBee 终端节点组网；通过智能网关实现，智能远程控制及监控数据的传输。通过传感器实现室内温湿度的采集，光感知，气体的监测以实现相应智能家居设备的自动控制。通过Android系统的智能终端 APP对智能家居系统中的家电设备进行监控和管理。

（3）通过互联网实现远程监控及管理。

■ 1.2 系统总体设计方案

本文设计的智能家居交互系统通过使用ZigBee芯片CC2530设计终端电路将温湿度传感器，光度传感器以及各类安防监控类型传感器进行组合，利用CC2530实现组网，进行传感器数据的传输及各类型传感器的控制，以实现对家居环境的感知再经控制终端的分析后对家电设备实现智能控制。使用ZigBee芯片设计终端设备及终端用电控制模块以实现对家电设备的智能控制。

系统中心是ZigBee芯片CC2530和WiFi芯片ESP8266设计的智能网关，其主要作用是有效分析及传输数据及指令。利用串口UART在CC2530和ESP8266间实现数据传输及数据协议的转换，从而实现ZigBee物联网与互联网，WiFi网络的无缝链接。

在基于Android系统的智能手机开发APP，以实现智能设备工作状态的实时监控及指令控制。通过设计基于Android客户端的WEB服务器，以实现控制终端处于外部网路时对智能家居设备状态的监控及控制。

■1.3 系统主要功能模块设计方案

其主要功能模块有：ZigBee-WiFi智能网关、Android APP客户端软件、WebServer服务器、带传感器和控制器的ZigBee终端节点等。智能网关进行数据协议转换实现数据的透传。以Android系统的智能手机为控制协调中心，替代PC主机。智能网关可远程实现智能家电的集中的管理与有效控制。

以ZigBee芯片CC2530和WiFi芯片ESP8266构建的智能网关，实现了数据的透传，ZigBee协调器不再需要连接到PC主机，直接使用Android手机端的APP实现管理和控制。通过互联网的连接可以在存在互联网的任何地方进行远程监控及管理。

本系统采用TI公司8051核心的CC2530作为传感节点，其优势如下：

(1)功耗低，只用普通的于电池，在低能耗环境下，Zig Bee节点可工作180天左右。

(2)集成度较高，功能较完善。集成C8051，ADC，Zig Bee，支持协议为Zig Bee2007/PRO，组网简便，网络稳定可靠。

(3)开发平台较成熟。

(4)专利免费试用，硬件成本较低。

无线网络WiFi模块使用的是ESP8266，主要实现互联网及局域网的接入。CC2530和ESP8266之间的数据通讯可直接通过芯片自带的串口直接链接，实现数据协议的转换。智能手机的控制终端可直接通过局域网或互联网直接接入，终端的数据采集结果可直接发送到APP，控制指令也可以直达终端。

整体结构图如图1所示。

图1

2 系统硬件电路与软件设计方案

系统的硬件部分主要包括ZigBee-WiFi智能网关和ZigBee终端节点。硬件设计采用模块化设计的方式进行设计，智能网关底板，主要由ZigBee芯片CC2530 ，ESP8266WiFi 芯片和实现串口通信的CH341A芯片组成。ZigBee终端节点主要包含ZigBee芯片底板，传感器模组和控制模块。

■ 2.1 ZigBee-WiFi 智 能 网 关 的设计

2.1.1 硬件电路设计

智能网关因需要长时间工作，因此采用外部电源进行供电。为增强其适配性电源输入接口采用Type-C接口，输入电源电压为5V。再通过MP1583DN的电路将电压降为3 3V对电路的主要芯片进行供电。系统结构如图2所示。

图2 智能网关硬件结构

ZigBee模块主要负责ZigBee网络的组网及数据传输，数据通过UART接口及串口传输到WiFi模块。WiFi模块主要负责接入家庭局域网或直接与智能手机连接，将各终端的数据通过WiFi发送到手机操作终端或Web网络服务端。电源模块负责提供电路所需要的电压，电流。

2.1.2 网关系统实现流程

智能家居ZigBee网络采用星型的网络结构，由智能网关内的ZigBee网络协调器及多个ZigBee终端节点构成。ZigBee网络构后通过串口将数据发送至WiFi模块，通过WiFi网络连接到控制终端或者网络服务器。智能网关系统处理流程如图3所示。

图3 智能网关数据流转结构

■2.2 ZigBee 终端电路设计

终端电路主要实现三个方面的功能，室内环境的感知，远程家电的遥控，远程电路的通断。环境感知主要包括温湿度，ZigBee终端电路包括电源、ZigBee底板、传感器模块，遥控模块，继电器等。电源部分直接采用锂电池供电，采用SGM40560设计锂电池的充电电路，接口采用Type-C接口，便于使用计算机USB接口或相应的电源适配器对终端进行充电。各部分功能采用模块化设计，可以根据实际需要进行组合。

ZigBee底板使用CC2530最小系统的方案。传感器模块主要包含温湿度传感器，红外感应器，气体传感器，光感器，磁感器等；遥控模块可以使用红外或蓝牙控制模块以便对家电进行遥控；附加继电器后可以变身为智能开关直接控制电器的通断电。

温湿度传感器主要选用DHT11数字温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款数字信号输出的温湿度复合传感器，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，产品具有很高的可靠性和长期稳定性。适用于家庭智能家居电路的应用场景。

气体传感器主要选用MQ-2气敏器件进行设计。MQ-2常用于日常生活生产的气体泄漏监测装置，可对各种可燃气体及烟雾进行探测。MQ-2的探测范围广、灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。适用于低成本气体感应模块的设计。

人体红外传感器主要选用HC-SR501进行设计。HCSR501是基于红外技术的控制模块，灵敏度高，稳定可靠，广泛应用于微型自动感应电器设备。

遥控模块选用YS-IRTM进行红外遥控发射电路设计。模块集成单片机及红外收发电路，可直接使用串口控制。可连接多个红外发射头，便于红外发射模块扩展。

图4 终端电路系统结构图

■2.3 应用程序软件设计

应用程序设计主要分三个方面，一是智能网关中，ZigBee网络应用程序设计；二是智能网关中，WiFi模块的应用程序设计；三是终端节点中的ZigBee底板的应用程序设计。

2.3.1 ZigBee 网络应用程序设计

ZigBee网络应用程序主要作用是进行ZigBee网络的组网，给网络中的各终端分配地址，并进行数据传输。其主要工作流程是：

（1）ZigBee协调器启动后，扫描并选择合适的信道和网络号段来构建物联网，之后等待ZigBee终端节点连接。

（2）ZigBee终端节点启动后，扫描网段中的网络，使用预先设置的口令申请加入网络。

（3）终端节点获取传感器的数据后，通过物联网发送到ZigBee协调器。

（4）ZigBee协调器接到数据后，通过串口发送数据到WiFi模块。

（5）ZigBee终端节点接收到通过物联网下发的指令，做出相应的响应。协调器的工作流程如图5所示。

图5 协调器的工作流程图

2.3.2 WiFi模块的应用程序设计

ESP8266芯片带有AP模式等网络路由模式，根据实际情况选择工作模式。构建WiFi网络。将协调器通过串口发送过来的数据发送给控制端或者WebServer服务器。工作流程图如图6所示。

图6 WiFi工作流程图

2 3 3 ZigBee 底板的应用程序设计

终端结点工作流程如协调器工作流程类似，加入到ZigBee网络后，将传感器数据通过网络发送到协调器，将接收到的控制指令发送至相应的响应模块。工作流程图如图7所示。

图7 终端结点工作流程图

3 Android APP 软件设计

■3.1 Android APP的功能需求

本文所设计的智能家居系统是使用Android系统的智能设备作为控制终端，用户可以在智能设备上通过安装的APP对家电设备进行远程监控和管理。当用户控制终端处于内部网络时，可通过智能家居网关实现对家电的控制；当用户控制终端处于互联网时，客户端需要通过访问基于WebServer服务器获取最新的数据及发送指令。

控制终端应该具有以下功能：

（1）为保障信息安全和隐私，需通过注册账号，通过账号密码登录后，再对家电设备实施远程监控和管理。

（2）可以通过控制终端对智能家电进行实时监控以及设置控制逻辑。如根据房间的温湿度，人体感应，光感情况开启或关闭相应的电器。如果有异常情况客户端需要及时向用户发出警报。

（3）控制终端可以设置情景模式。如外出，睡眠，影院，运动，自定义等情景模式。

■3.2 控制终端APP的设计方案

APP使用Android Studio进行开发，使用TCP/IP通信协议进行网络连接。内部网络中通过WiFi网络向智能网关上的WiFi模块发送控制指令，智能网关接收控制指令后，通过内部串口将指令发送给ZigBee协调器，协调器通过物联网发送指令到相应的终端节点，从而实现Android客户端对家电设备远程的操作。

APP的设计包括用户UI界面，智能网关的网络连接，webserver服务器连接及数据交互三个方面。通过使用四大组件，完成整个APP客户端的业务逻辑。APP客户端软件主要由登录验证，家电控制和情景模式三个部分组成。注册或登录通过请求服务器返回状态码判断注册或者登录情况，核对用户信息。控制终端连接智能网关后通过SOCKET通信方式监管家电设备。情景模式设定可以快速设置家电工作状态。Android APP客户端的设计流程图如图8所示。

图8 APP客户端的设计流程图

4 WebServer服务器软件设计

■ 4.1 需求分析

WebServer服务器应具有的功能有用户登录与退出，情景模式调用和信息采集及存储三个方面的功能。基于安全性考虑需要要求客户注册及登录系统后才能对家电进行监控。也便于系统将不同的客户信息存储管理，便于客户的使用。用户信息包含用户名，用户密码，情景模式，自定义设置等。情景模式是智能家电控制系统中关键的一环，也是实现智能化控制的基础。用户根据自身的实际需求设置好相应的情景模式，如：外出，居家，睡眠等。以实现一键智能控制。信息的采集及存储，便于用户了解家居环境及家电的工作状态。可以实时或回顾查看，便于用户了解系统的实际工作状态。由此我们可以得到顶层的数据流图，如图9所示。

图9 智能家居系统顶层数据流图

■ 4.2 业务流程设计

根据需求分析中的三个主要的业务，设计各个业务的业务流程。以便于应用程序的开发。

用户通过注册，创建账号。账号登录需要使用账户名和密码。填写登录信息后提交系统验证，如图10所示。

图10 客户端登录流程图

登录成功后，可以对智能家电进行管理。查看家庭环境，家电工作状态。信息的获取与查看。数据查询流程如图11所示。获取家电及环境信息后，可直接调用相应的情景设置，或者直接对家电进行控制。其基本流程如图12所示。

图11 信息查询流程

图12

5 总结

本文设计的基于Android的智能家居系统是将ZigBee物联网、WiFi、无线通讯、Web服务器，数据库管理等多种技术综合在一起，将多种信息技术应用到智能家居的智能化管理之中，通过安卓平台，把智能家居的各类信息在Android系统的智能终端中展现，使用者通过智能终端在任意位置就可以实现设备的管理与监控，便捷人们的生活提高生活质量。