基于Android平台下的家居智能控制系统的设计

2017-11-23马传龙

宿州学院学报 2017年10期

关键词：电路设计家居智能家居

胡波, 马传龙

宿州学院机械与电子工程学院，宿州，234000

基于Android平台下的家居智能控制系统的设计

胡波, 马传龙

宿州学院机械与电子工程学院，宿州，234000

随着移动互联网的不断发展和广泛应用，智能家居控制也开始朝着移动互联网方向发展，以为人们提供更加方便、快捷的家居服务。当前智能家居控制中存在着遥控器管理难、没有真正为人们提供方便快捷的服务等问题，为了解决这一问题，实现基于Android平台，采用无线通信技术对家居智能控制系统中的硬件、软件进行选择和设计。硬件上主要对中央控制器、GSM模块电路、音频模块电路、通信电路等重要的硬件设备进行设计，其控制主要是通过各节点实现的，通过硬件控制实现家居设备的智能控制。软件上主要对环境监测系统、智能照明系统、智能安防系统、智能遥控系统、智能娱乐系统几个功能模块进行设计，以实现对居住空间内相关设备的智能化控制。基于Android平台下的家居智能控制系统实现了智能家居的手机远程控制，为人们提供了更加人性化的居住环境。

家居智能控制系统；Android远程遥控；ZigBee

随着人们生活水平的提高，网络通讯技术、自动控制技术和物联网技术等科学技术的发展，家居开始朝着智能化方向发展，智能家居应运而生，近年来已进入人们视野。和普通家居相比，智能家居除了为人们提供基本的居住环境外，还能保证人们居住空间的舒适性、安全性、方便性。智能家居的发展，实现了居住空间的人性化[1]。当前市场上已出现智能家居，如小米智能灯泡等，只要有无线信号的地方，就能将灯泡点亮。家居智能化主要是依靠控制系统实现的。在控制系统辅助下，即使用户不在家中，也能实现对家居的控制。家居智能控制系统中，将居住空间内的各类家居设备以某种形式有机连接在一起，实现对家居的实时、异地监控。在家居智能控制系统中，除了有家庭主机、手持终端、智能网关、家居设备等，还需要一个控制终端，即控制系统，实现家居智能化控制。家居设备不同，遥控器也不同，但随着人们对居家生活要求的提高，如何高效实现各类遥控器管理是一个重要问题[2]。随着智能手机的普及，各类APP得以广泛应用，本文基于Android平台对家居智能控制系统进行研究，以解决智能家居应用中的遥控器管理问题，即通过安装在Android系统中的控制系统便能对各类家居进行智能化的遥控管理，以提高家居智能化水平，进一步促进居住空间的人性化。

1 家居智能控制系统概述

家居智能控制系统(smarthome control systems,简称SCS)是以家居电器及家电设备为主要控制对象，利用网络通信技术、安全防范技术、综合布线技术、音视频技术以及自动控制技术等将家居设施进行高效集成而构建的先进的住宅设施的控制管理系统。该系统既能提升家居安全，舒适、便利、智能，还能实现节能环保[3]。

家居智能控制系统有以下几个特点[4]：

(1)不受时间和距离的限制；

(2)价格便宜，一般家庭都可接受；

(3)无需额外购买遥控器；

(4)手机随身携带，实时控制性强；

(5)有网络的地方即可控制，不受地点限制；

(6)24小时随时待命，不受时间限制；

(7)安装方便，不需要专业技术人员即可安装。

2 家居智能控制系统硬件设计

家居智能控制是以无线通信技术为主体，利用互联网通信技术，以Android平台作为控制端，向后台发送信号，后台修改控制信息，当被控制端向后台发送信息时返回被修改的控制信息，被控制端作出响应，从而达到控制被控制端的效果[5]。

2.1 家居智能控制系统终端硬件设计

为了实现对居住空间内所有设施、设备的智能管理和控制，需要事先进行人机交互。图1为家居智能控制终端图。

图1 家居智能控制终端图

智能控制终端在控制各项设备时，用户点界面控件发出操作命令，后台服务程序会对用户命令进行分析，并将命令发至协调器进行分析，然后将命令发到相应的节点上。节点控制器对相应设备进行操作，实现用户对家居设备的智能控制。

连接家居智能控制系统的硬件设备主要有中央控制器、GSM模块电路、音频模块电路、通信电路。

(1)中央控制器设计。考虑到系统的可扩展性需求，中央控制器芯片选择三星公司生产的S3C6410芯片，该芯片主频在500 MHz以上。图2为中央控制器结构图。

图2 中央控制器结构图

在中央控制器构成中，除了S3C6410芯片外，还对DDR RAM、POWER、触摸屏、音频模块、JTAG、UART、NAND Flash等进行扩展，运用这些硬件，实现基于Android平台的中央控制器构成。

(2)GSM模块电路设计。在当前通信模式中，GSM模块电路由于接口通用性较强，应用较为广泛。本文选择西门子公司的TC35模块产品作为GSM模块电路。TC35中，主要构成有供电、闪存、GSM射频模块、天线接口、基带处理器、ZIF连接器等构成。本文的控制系统主要基于Android平台设计的，对其他功能要求不高，GSM模块电路的连接也不复杂，相对较为简单。

(3)音频模块电路设计。在进行音频模块电路设计时，音频解码芯片主要以VLSI公司生产的VS1003B为主。该芯片是专门用于音频处理的，不仅能实现对MP3、MP4的解码播放，同时还具有录音存储功能，运行效率也较高，满足了音频模块电路设计的需要。

(4)通信电路设计。通信电路主要是通过ZigBee技术实现的。采用ZigBee技术，在不改变硬件的情况下便能实现组网，再加上ZigBee具有低能耗的优势，非常适合应用在家居智能控制系统中。运用ZigBee技术进行通信电路设计时，主要选择CC2530芯片。这一芯片是TI公司设计的，其中还带有中央处理器、存储器等，集成度较高。

2.2 家居智能节点控制硬件设计

家居智能控制系统中，需要通过各个节点对家居电器设备进行相连和控制，因此需要对节点控制相关硬件进行设计。

在进行节点控制系统设计时，采用了具有精简指令集的ATmega16单片机。该单片机的应用，能够实现1MIPS/MHz的速率，从而实现数据处理的高速性。如图3为节点控制系统结构图。

图3 节点控制系统结构图

在节点控制系统中，主要有开关控制电路、PWM调光电路、环境监测电路、红外报警器电路等。通过这些电路，实现了对家居设备的控制。

(1)开关控制电路设计。居住空间中，电器设备很多。对电器设备的控制十分简单，只进行开或关控制。但有的电器设备对安全性要求较高，如热水器等，因此，在开关控制电路设计过程中，需要借助电磁继电器的帮助，将不同功率的电器进行分割，保证各电器应用的安全性。选择JQX-115F型继电器，驱动电压能达到5 V，电流为100 mA，电阻为50 Ω，最大电流为16 A。选择的驱动三极管主要以NPN8050为主，该三极管最大电流为500 mA，以满足电路设计的要求。

(2)PWM调光电路设计。照明设备是家居智能控制中的重要对象。当前家居中白炽灯应用较少，主要以节能的LED灯为主，因此PWM调光电路主要针对LED灯设计。设计过程中，为了满足PWM调光频率的要求，选择N沟道MOS管中的IPB022N05L晶体管，该晶体管能够承受的最大电压为40 V。

(3)环境监测电路设计。环境监测主要是对居家中的湿度、温度、火焰进行检测，保证温湿度满足人体舒适感觉。温度、湿度监测时所需要的传感器有所不同：温度监测采用DS1820产品，能够对-55℃～130℃进行检测，监测误差不超过0.5℃。在实现火焰监测时，选择火焰专用传感器对屋内是否有火焰进行感应，监测到有火焰存在时，则显示1，无火焰时则为0。湿度监测主要是采用AM1001传感器来实现。该传感器主要是对输出的电压值进行判断来感应室内湿度。

(4)红外报警器电路设计。家居智能控制系统除了对各类电器设备等进行控制外，还承担着安防作用，因此需要对红外报警器进行设计。当出现异常情况时，系统会自动发出警报通知用户。红外报警器一般设置于出入口，如大门口或重要过道处，能实现对室内的监控，并将监控信息传递至中央控制器处，实现监测。红外报警器安装时，除了对发射器进行安装外，还需要安装接收器。当监视范围内没有人通过时，接收器只能接收到红外射线；而一旦有人通过，则接收不到射线，则说明存在异常情况。为了提高该模块的性能，应选择ABT-100的红外报警器。