基于Android和WIFI通信的智能家居系统设计

贾 阳 静，　邹 念 育，　雷 冬 鸣，　李　 望，　吉　 奈，　郭　 旭，　李　 萍

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连　116034 )



基于Android和WIFI通信的智能家居系统设计

贾 阳 静，邹 念 育，雷 冬 鸣，李 望，吉 奈，郭 旭，李 萍

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连116034 )

摘要:针对传统智能家居系统存在的操作复杂、可移动性差、升级维护成本高等缺点，提出了一种基于Android的智能家居系统的设计和实现方案。采用了具有Android操作系统的智能手机或平板电脑作为家居控制终端，以CC3000-WG1300为核心的智能开关和STM32F103ARM处理器作为家居控制器，通过无线路由器，搭建整个智能家居系统平台。结果表明，该系统运行稳定，智能手机或平板电脑实现了对家居中家用电器的本地控制。

关键词:智能家居；Android；ARM处理器；WIFI

0引言

科技的不断进步，尤其是无线通信技术、计算机处理技术及嵌入式系统技术的迅猛发展，使得智能家居已经开始逐步进入普通家庭之中，其功能也从单一的防盗报警系统向包括信息家电、网络家电、智能安防、网络通信以及智能视频监控等领域发展。

在对智能家居系统进行设计时，首要考虑的是对家居控制终端的设计。国内外已提出了众多的解决方案，大体上可分为3类：(1)基于键盘、红外遥控器的家居控制终端硬件解决方案[1-2]，该方案需对控制终端的软硬件进行设计，过程复杂，维护成本高；(2)选择家庭或办公电脑作为家居控制终端，可通过电脑对家居中的设备进行本地或远程控制的方案[3]，该方案终端不可移动，给用户带来不便；(3)采用手机或平板电脑作为家居控制终端，通过蓝牙、WIFI、GSM等方式实现对家居系统的控制[4-6]。但目前采用这种控制终端的智能家居系统还不是很多，而且大部分操作界面不友好，用户体验欠佳。

本文是在分析了现有智能家居发展模式的基础上，以Android智能手机作为家居控制终端的开发平台，利用WIFI模块、ARM处理器等设备，通过WIFI无线通信方式来实现系统的连接和数据的传输， 最终实现智能家居系统的本地控制。

1系统结构和工作流程

智能家居系统主要由移动终端设备、传输设备、智能开关和控制单元4部分组成，其中移动终端设备是普遍在使用的智能手机或平板电脑；传输设备为无线路由器；智能开关主要由WIFI模块、CPU主控模块、AC-DC电源模块和可控硅开关模块组成；控制单元即为家用照明设备。

移动终端设备主要使用的是Android操作系统，WIFI模块主要以CC3000-WG1300M为核心器件，用于接收无线路由器传送的信息，CPU主控模块主要包含32位的STM32F103-48 ARM处理器，通过SPI串行外部接口与WIFI模块连接，读取WIFI模块转换后的信息；AC-DC电源模块用于给WIFI模块、CPU主控模块、可控硅开关模块提供电源；可控硅开关模块用于控制灯的状态。

系统结构布局图如图1所示，AC-DC电源模块上电后，给WIFI模块、CPU主控模块、可控硅开关模块供电；准备就绪后，用户即可根据自己的需要在智能手机(或平板电脑)上进行操作，发送命令并通过无线路由器传输， WIFI模块接收来自无线路由器传送的信息，并进行相应的转换后，通过SPI串行外部接口传送给CPU主控模块，CPU主控模块做相应的处理将命令给可控硅开关模块，可控硅开关模块识别命令后执行相应的动作来控制灯或电视机等用电设备的状态；另一方面，用户也可以通过按键操作方式来直接实现用电设备的开与闭。

图1　智能家居系统结构布局图

2系统硬件平台设计

智能家居系统硬件电路主要由WIFI模块、ARM处理器、存储单元、电源模块、JTAG接口等组成。

2.1WIFI模块

WIFI模块采用CC3000-WG1300芯片实现数据的远程传输，是一款自成一体的无线解决方案，内置无线网络协议IEEE802.11协议以及TCP/IP协议，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换，降低了设计的难度，同时大大提高了主控制器处理其他数据的能力。该芯片的主要特性：采用802.11b/g无线访问Internet标准；支持WEP加密；支持WAP/WAP2等高级加密与安全机制[7]，如图2所示。由图2可知R5、R7、R9、R46、R47、R48、R49电阻均为0，但有着不同的用途，其中电阻R5、R7、R9为隔离作用，而电路中电阻R46、R47、R48、R49是为了在PCB板上调试方便所设计。

2.2ARM处理器

ARM处理器主要以STM32F103为核心芯片，STM32F103属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品，其内核是Cortex-M3，工作频率为72 MHz，内置高速存储器(高达128 kB的Flash和20 kB的SRAM)，有丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设[8]。其最小化电路如图3所示。

2.3EEPROM存储器

EEPROM是带电可擦写可编程只读存储器，是用户可更改的只读存储器，其可通过高于普通电压的作用来擦除和重写。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。电路图如图4所示。

2.4电源模块

电源模块采用了USB-MINI接口，该接口防误差性能出众，体积也比较小巧，普遍被用户使用。另外还使用了LM1117低压差电压调节器，LM1117提供电流限制和热保护。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列，它有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.80 V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出(1.80、2.50、2.85、3.30和5.00 V)的型号。本系统采用该电压调节器可实现3.30 V的固定电压输出，电路如图5所示。

图2　WIFI模块CC3000-WG1300电路

图4　EEPROM电路

图5　电源模块电路

2.5JTAG接口

JTAG接口是由测试访问端口TAP控制器、旁路寄存器、指令寄存器和数据寄存器以及与JTAG兼容的ARM架构处理器组成。处理器的每个引脚都有一个移位寄存单元将JTAG电路预处理器和逻辑电路联系起来，同时隔离了处理器内核逻辑电路与芯片引脚，所有的边界扫描单元构成了边界扫描寄存器BSR，该寄存器电路仅在进行JTAG测试时有效，在处理器内核正常工作时无效。其接口电路如图6所示。

图6　JTAG接口电路

3软件设计

系统选择具有Android操作系统的智能手机或平板电脑作为移动终端平台，在开发平台上进行代码的编写。软件设计的流程图如图7所示。初始化服务在上电时自动开始执行，完成CPU和板级的初始化。

初始化之后，首先，CPU主控模块读取EEPROM中的数据，来确定将要执行的动作，即：是否开关灯，并将所要执行的动作通过WIFI模块连接到无线路由器获取IP地址，获取地址后，CPU主控模块开始检测是否收到手机端数据包，若收到数据包后就把当前灯的状态发送给手机，并执行开关动作以及设置开关定时来应答此数据包，当定时时间到时，执行定时动作。若没有收到数据包，直接查看可控硅开关定时是否到，定时没有到需要继续查看是否收到手机端数据包，等待执行开关动作。

另一方面，由系统结构图可知，按键也可实现控制灯的开与闭，当按一下按键时，相当于执行一个中断，由于该中断优先级别较高，因此可直接驱使CPU主控模块发送命令给可控硅开关，来执行开关灯动作，并执行WIFI配置动作来配置WIFI模块，需要设备重启则执行设备重启动作，流程图如图8所示。

图7　软件设计流程图

图8　按键操作流程图

4实验结果验证与分析

将设计好的硬件电路在PCB板上进行设计，搭建整个智能家居系统实验平台，把设计好的移动终端程序和服务器程序分别安装和移植到Android 智能手机和ARM处理器上，在实验室环境下进行了全面的实验和调试。系统所采用的手机是具有Android操作系统的三星手机；智能开关是由杜米科技有限公司生产的，该开关既可以由WIFI进行控制，也可以由用户手动控制；用电设备由红绿黄3种不同颜色的普通白炽灯组成。首先，用户在三星智能手机运行实现灯亮灭的软件，界面上会显示3个灯的初始状态都是灭的，用户在该界面通过修改该软件界面控制灯状态的图标，来实现灯的亮与灭；其次，打开无线路由器，为实验做准备。本实验是通过修改软件界面控制黄红绿三个灯的状态，即：点亮黄、绿两盏白炽灯，红灯保持不变，调试结果如图9所示。

图9　调试结果

由调试结果表明，所设计的智能家居系统运行稳定，用户可在50 m左右的范围内通过操作智能手机，来实现灯泡的点亮与关闭。用户也可以直接对智能开关进行操作，实现灯泡的开与闭。用户可通过Android手机发送命令控制家居中的相应设备，同时Android手机可实时显示家居中用电设备的状态，即使不在家中，也可以实现相应的控制。

5结语

本文提出的基于Android操作系统的智能手机和无线通信方式的智能家居系统的设计和实现方案运行稳定，实现了对家用电器的本地控制。该系统以无线WIFI智能控制为基础，布线不再烦琐，具有更好的可扩展性和移植性，节约了成本，具有广阔的应用前景。为了进一步实现对家用设备更远距离的控制，将致力于对操作系统和控制器进行设计，并探索与物联网结合，打造更加舒适的家居生活。

参考文献:

[1] 李兰英,杨晨.基于S3C44B0X的智能家居终端控制系统的设计与实现[J].哈尔滨理工大学学报,2007,12(3):85-86.

[2] 刘建华.基于Android的智能家居系统的设计[J].西安邮电大学学报,2013,18(4):71-74.

[3] 臧大进,刘增良.基于物联网的智能家居系统设计与实现[J].襄樊学院学报,2010,31(11):38-39.

[4] 李萍,王裕如.数字频率合成器的设计与实现[J].科技信息,2009,35(18):27-28.

[5] TU M C, SHIN D, SHIN D K, et al. Fundamentals and design of smart home middle ware[C]// International Joint Conference on Computational Sciences and Optimization. Sanya: IEEE Press, 2009: 647-650.

[6] DARIANIAN M, MICHAEL M P. Smart home mobile RFID-based internet-of-things system and services[C]// 2008 International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering. Washington, DC: IEEE Press, 2008: 116-120.

[7] 陈桥云,贾金玲.基于智能手机与PC机的智能家居系统设计[J].电子设计工程,2009,17(9):25-27.

[8] 张逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32单片机的无线智能家居控制系统[J].造化技术与应用,2011,30(8):98-101.

Design of smart home system based on Android platform and WIFI communication

JIAYangjing,ZOUNianyu,LEIDongming,LIWang,JINai,GUOXu,LIPing

( Research Institute of Photonics, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:A new design and implementation scheme of smart home were proposed based on Android mobile platform to overcome the limitation in operation, mobility and maintainability. The intelligent mobile phone or tablet computer with Android operational system were used as a control terminal to build up a whole smart home system platform through the wireless router, which takes smart switch with CC3000-WG1300 as the core and STM32F103ARM processor as smart home controller. The results showed that the system could run steadily and the intelligent mobile phones or tablet computer could realize local control for domestic appliances in families.

Key words:smart home; Android; ARM processor; WIFI

作者简介:贾阳静(1990-)，女，硕士研究生；通信作者：李 萍(1969-)，女，副教授，E-mail:liping@dlpu.edu.cn.

基金项目:辽宁省普通高等教育本科教改立项(2012130)；辽宁省普通高等教育本科重点支持专业建设项目(2012108).

收稿日期:2014-06-09.

中图分类号:TN47

文献标志码:A

文章编号:1674-1404(2016)01-0067-05