Android平台的智能家居控制系统设计

周 恩，李文军，郑永军，李希明

（中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州310018）

随着家居智能概念在国内消费者心中地位的提高，智能化家居已越来越多的占有市场份额，也逐渐成为家居市场的新宠儿.智能家居控制终端有3种实现方式，分别为家居系统端、电脑控制端和手机控制端.使用手机通过无线网络可随时随地对家居系统进行控制，让手机成为智能家居的一部分是智能家居系统未来的发展趋势.

目前市售的智能家居解决方案价格普遍在4 000元以上，而且要求对室内进行较大规模的改造［1-2］.针对这种情况，本研究设计出了一种技术上可行且不落后，价格又相对低廉，并且拥有良好扩展升级能力的基于Android平台的智能家居控制系统.此系统安装方便，不需要对家中现有线路电器等进行改造，且能完成基本的远程智能家居功能，使用无线ZigBee技术，使其之后的升级扩容十分方便，技术可行先进.

1 系统总体设计

基于智能手机平台的智能家居控制系统，它是智能家居今后的重要发展方向.用户可通过远程短信的方式，控制家中电器的运行.这在很大程度上提高了人们的生活效率，节省了大量的时间和精力.

同时，也可避免家用电器在闲置时的空转、消耗大量能源的问题，实现更加安全、便利、舒适的家居生活环境［3］.本设计对基于Android平台的智能家居控制系统提出了合理的方案.

系统由手机应用软件、家庭主控终端以及被控终端构成.其中，家庭主控终端由三部分组成：GSM模块，单片机和ZigBee模块.被控终端即为智能家居无线插座，由ZigBee接收端和继电器构成，系统总体结构如图1.

图1 系统总体结构框图Figure 1 Overall system block diagram

编写出基于安卓智能手机的APP应用软件，将其植入手机，然后直接打开软件点击相关按钮发送对应的控制命令，通过GSM网络发送到家庭主控终端，GSM模块接收到手机短信后，根据其内容指示，向ZigBee模块发送控制信息，最后信号到达ZigBee智能开关终端，使对应的家用电器开启或停止，系统工作流程图如图2.

2 Android手机端软件设计

2.1 Android应用程序的组成部分

Android架构里定义了 Activity、Service、Broadcast Receiver、Content Provider四种应用程序构建，用户的Android应用程序也都是由这四种构建组成［4-5］.一个成熟的Android应用程序，应具备以下特点：运行速度快，响应快速，程序，态转换连贯流畅且安全.用户编写的大部分可执行代码都是以Activities的形式存在，活动通常要负责屏幕的显示.手机端软件由信息显示模块和信息处理模块组成，其架构如图3.

图2 系统工作流程图Figure 2 System work flow chart

图3 手机端软件构架Figure 3 Mobile terminal software architecture

2.2 手机端界面设计

本项目基于Android系统进行应用程序的开发，设计出了一款界面友好、功能完善、符合要求的软件提供给用户.软件功能应包括：设定并可更改短信发送目的号码，一键快速发送控制指令控制相应电器，历史操作记录等.手机界面操作部分示意图如图4.

图4 手机操作界面示意图Figure 4 Phone operating interface diagram

智能家居控制系统的设计界面分为主界面、控制界面和操作历史查询界面.首先点击进入主界面，两次输入接收端号码，确认后可在下方显示出需要连接的号码；然后点击进入控制界面，选择对应的电器打开或关闭.进入历史操作界面，可查询对家用电器打开关闭的历史记录.

2.3 手机端信息处理模块设计

首先在安卓软件配置文档AndroidManifest.xml中添加发送短信的权限，＜uses-permission android：name＝"android.permission.SEND＿SMS"／＞.之后便可开始软件功能的实现.

对按钮设置setOnClickListener事件监听，当按钮按下时调用onClick（）函数来执行相应的动作.在本项目中onClick（）中包含两个子函数：sendSMS（）函数和ContentValues（）函数.sendSMS（）函数是短信发送的核心函数调用ContentValues（）函数将发送的短信插入系统数据库.

为了能得知短信收发状态，需要注册接收成功或发送成功的广播.

注册后调用BroadcastReceiver（）函数并使用Toast语句，即可获得短信收发状态的提示.

3 家庭主控端设计

3.1 信息处理模块

由GSM模块、单片机和ZigBee协调器端组成的家庭主控终端，它需要正确地对来自手机的信号进行通信和处理，并执行相关命令以实现智能家居控制.系统中，GSM模块选用西门子公司TC35系列的TC35i，它集成了GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器和功放等器件［6］，同时选用MSP430F5438单片机作为其微控制器.

先用串口助手输入相关的AT命令对GSM模块进行调试，成功后将单片机和GSM的串口相连，RXD为接受数据端，TXD为发送数据端，RXD和TXD需对应直接相连，实现串口通信的硬件连接如图5.由于MSP430单片机只含有一个硬件串口，故单片机和ZigBee协调器端的连接采用I／O模拟串口.当GSM模块提示有短信息时，通过串口单片机接收到一个中断信号，然后用相关的AT命令读取GSM模块中来自手机的短信内容，单片机对短信内容进行判断分析后，先给ZigBee协调器端一个中断信号（ZigBee核心电路如图6），确定正确通信后，再输出对应需执行命令的信号，将此命令通过模拟串口发送至ZigBee协调器端，从而完成了对来自手机信息的处理.

3.2 ZigBee模块概述

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要用于近距离无线连接.它具有低功耗、低成本、高容量、高安全等较多技术特点.系统以CC2530芯片作为ZigBee无线通信模块，它是基于IEEE 802.15.4协议的片上系统，结合了一个完全集成、高性能的RF收发器和一个8051微处理器［7-8］，具有良好的接收器灵敏度和抗干扰性.

图5 串口通信硬件接口电路Figure 5 Serial communications hardware interface circuit

图6 ZigBee核心电路Figure 6 ZigBee core circuit

3.3 ZigBee网络的建立

本系统采用一个协调器节点和若干个终端，组网方式为星状网，在智能家居中应用星型网络，可获得较高的性价比.组网过程中主要涉及两种节点：协调器节点和一般路由节点.协调器是整个Zig-Bee网络的核心，它主要负责网络的建立、成员的加入和网内地址的分配、网络邻接表的更新、数据的转发等［9-10］，此外还要通过串口与GSM模块联系.

在建立网络过程中主要调用PUBLIC void JZA＿StackEvent（）函数来反馈网络层的事件，如网络是否启动成功或者数据是否发送完成等.协调器通过串口接收GSM模块发送的控制指令后向相关设备转发指令.这一过程中，接收串口信息主要通过PUBLIC void JZA＿vPeripheralEvent（）函数实现.协调器向终端节点发送数据主要通过AF＿DataRequest（）函数实现.终端节点接收协调器发送的数据主要通过PUBLIC bool＿t JZA＿bAfMsgObject（）函数来实现.

4 被控终端设计

智能无线插座是直接控制电器开关的部件，在本系统中作为终端节点扮演着决定系统功能实现的任务.主要由两部分组成：ZigBee模块和继电器模块.其原理示意如图7，ZigBee模块作为路由节点接入整个智能家居网络，接收来自协调器发送的控制信号.并根据控制信号给继电器发送相应信号控制其通断.继电器则根据从ZigBee路由节点发送而来的控制信号（5V高低电平）来接通或断开，从而实现对插在智能无线插座上的电器的开关控制.

图7 智能无线插座Figure 7 Intelligent wireless socket

5 系统调试

智能家居系统中的ZigBee通讯距离易受到墙体、水平和垂直距离等因素的影响.为了检测其是否满足家居的需要，进行以下实验：编写程序，将协调器放置在一层某固定处，让其以1ms的时间间隔重复发送数字01一百次至路由节点.路由节点的位置不断变化，每5m设有一个放置点，通过串口读出路由节点接收到数字01的次数来判断最佳工作距离.实际实验环境为：每5m有一墙体，层高3.5m，实验数据见表1.

表1 工作距离实验数据表Table 1 Working from the experimental data table

实验证明，在同一水平面上，本ZigBee模块的稳定通讯距离为15m，故其覆盖面积约为706.5m2.而覆盖体积可近似认为是一个球体，数据分析后可知，取球体半径为14m，故其覆盖体积约为11 488.21m3，完全能够满足家居使用需要，且信号穿墙能力强，15m距离内间隔三面厚度为30cm的墙壁进行通讯仍不存在问题.

6 结 语

本研究基于智能手机的Android平台设计出了智能家居控制系统，结合无线ZigBee技术，具有快捷、高效、稳定安全的优点，且控制方式少、控制距离较远，能随时随地控制家居环境.经测试，软件安装方便，系统性能良好，具有一定的推广应用价值.

［1］彭建盛.基于Symbian平台智能家居控制系统的设计与实现［J］.天津师范大学学报：自然科学版，2011，31（2）：55-58.Peng Jiansheng.Designing and realization of a smart home control system based on Symbian platform［J］.Journal of Tianjin Normal University：Natural Science Edition，2011，31（2）：55-58.

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