基于Android的智能家居系统的设计

马书杰

摘 要：通过对国内外智能家居控制系统的发展研究现状的研究，调查并分析了用户在智能家居控制系统中的应用需求、消费预期以及使用习惯，将ZigBee无线通讯技术、互联网技术相结合，设计了基于Android的智能家居控制系统。

关键词：智能家居 Android ZigBee CC2530

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）09-000-02

电话的发明，特别是智能手机的出现，促使计算机互联网向移动互联网过渡。移动互联网起源于上世纪90年代，但直到近几年才开始高速发展。除了智能手机外，平板电脑及笔记本等移动终端也在近几年得到迅猛的发展，人们对手机的要求不再局限在通话和短信，而是使用手机发微信、聊QQ、看微博、手机支付、理财、订票、自拍以及自驾导航等功能。

感知识别技术在进入21世纪后，进入高速发展阶段，从而改变了信息产生的方式。在信息的自动生成方面，传感器和智能识别终端成为对物质世界感知、检测的重要手段。世界上的信息公司巨头们（例如爱立信、英特尔等）一致认为，具有联网通信能力且价格低廉的微处理器及微控制器将使可联网的终端设备在数量上产生激增。物联网时代的到来，将会使人们的生活发生翻天覆地的变化。由于物联网融合了传感器技术、计算机网络等多种技术，其很快将会成為电子信息产业发展的新制高点。

物联网技术的发展将家居的智能化进程推向了新的发展高度，通过将家庭中的各种电器之间的互联，实现设备间数据的互相传递，为人们的生活提供智能化的服务即智能家居服务。预计到2020年，连接设备的数量估计将呈指数级增长至500亿。目前，智能家居系统中的各设备通过无线互联，大大节约了布线成本，促使其走进寻常百姓家成为一种可能。智能家居逐渐被大众和各大服务商看中，预计在今年会有80%的家庭选择其智能服务。

一、Android系统简介

Android是一种开源手机操作系统，目前发展势头十分迅猛， Android 已经成为主流的嵌入式操作系统。Android操作系统作为众多操作系统中的一员，具有免费、开源、高效、高灵活性及更新频繁等众多特征。Android操作系统基于Linux内核，并且对原有Linux内核进行了功能扩充，主要为平板电脑、智能手机等移动智能终端提供资源管理和调度功能。Android操作系统的免费并且开源，使其迅速成为世界上众多手机厂商（如三星、HTC、华为、OPPO等）追捧的对象，国际知名大公司的陆续加入，参与到Android的研发工作中，推动了Android的发展和市场化进程。仅仅使用4年时间，Android操作系统成功超越诺基亚Symbian、黑莓以及苹果公司引以为傲的IOS，成为世界上占有率最高的智能移动终端操作系统，最新的Android版本为7.1.1。在2016年上半年，Android操作系统在移动智能终端操作系统中的占有率以及突破80%，创造了历史新高。因此，研发出一种基于 Android的智能家居系统更符合市场的发展趋势，具有长足的意义。

Android操作系统的内核源代码提供了完整的框架以及库文件，在此基础上，谷歌公司对外还提供了完整的SDK文件及开发说明文档，大大降低了开发其应用程序的难度。由于Android操作系统基于Linux内核开发，因此，应用程序开发人员可以很迅速的步入Android的开发阵营，使用Java开发语言实现各种各样的应用程序。Android操作系统对2D、3D及数据库有良好的支持，因此，应用程序开发人员可以迅速、高效的开发出游戏程序、应用软件以及互联网应用程序等。

二、无线通讯技术

2.4G频段是世界上免费使用的ISM频段，其优势是频段较宽，具有较快的传输率，硬件设备尺寸小，利于集成。该频段主要有ZigBee技术、Wifi技术、蓝牙等。

ZigBee通信技术是一种近距离的无线传输技术，介于蓝牙技术和无线标记技术之间，其基础是IEEE无线个人区域网工作组制定的IEEE 802.15.4技术标准。采用ZigBee通信技术的传感器可以在消耗很小能量的基础上，通过无线电波进行数据的传输，所以，它有功耗低、通信效率非常高的优点。ZigBee通信技术在IEEE制定的标准中仅仅处理低级MAC层和物理层的协议，其它网络协议及API则由ZigBee联盟进行了标准化。采用ZigBee通信技术的硬件成本很低，因为其协议栈只需要使用8位处理器、4KB的ROM以及64KB的RAM就能胜任，因此，ZigBee通信技术在商用方面有先天的成本优势。

CC2530 结合了 TI 公司业界领先的 ZigBee 协议栈（Z-StackTM），提供了一个强大和完整的 ZigBee 解决方案。另外，CC2530无线单片机芯片是一款低系统成本、超低能量消耗的射频芯片及网络型软件产品，该芯片使用2.4GHz的无线信道，并且集成了可编程内存及通过了认证的ZigBee协议栈。该芯片采用增强型的8051中央处理器，拥有8KB可读写存储设备。中央处理器和可编程内存部分、无线信号收发部分以及时钟、电源等相关的部分是该芯片的三大构成部件。P0端口与P1端口为功能复用端口，由相应的寄存器控制功能模式选择。当模式选为通用I/O接口时，接入状态指示电路。另外，CC2530芯片之所以是超低功耗的芯片，除了其能够工作在待机模式之外，更重要的是其外设需求少，仅需要供电电源、收发端、复位电路以及晶振这四个模块就可以实现一个可以正常工作的系统，并且该系统具备无线网络的建立以及数据交换等重要功能。

处于同一栋建筑、同一单位的专用网络就是局域网，局域网为小范围内的网络化办公提供了资源共享和数据信息的交换。局域网往往采用光纤为主干传输介质、双绞线或者无线电波为终端传输介质，在终端传输介质的应用方面，有线传输具有较高的传输效率的优势，但是，却存在布线困难、难以应对网络拓扑变化及维护不便的问题，无线传输则在具备有线传输的优势的同时，弥补了其各种问题，成为一种使用简单、便捷的联网技术。

目前，无线局域网应用相当广泛，有逐渐替代有线网络的趋势。无线局域网可以根据覆盖区域的不同，分为室内无线局域网和室外无线局域网。室内无线局域网包括大型商场、办公室等场所，室外无线局域网包括大型广场、港口、码头等空旷区域。无线局域网多采用IEEE802.11协议标准，可以工作在2.4GHz以及5GHz的频段上，给用户带来良好的网络体验。

三、系统设计

基于Android的智能家居控制系统主要是由移动智能终端、无线路由设备、智能网关设备、ZigBee终端设备、ZigBee协调器以及各种传感器、电器设备等部分构成。电器设备将状态数据信息发送给ZigBee终端设备，ZigBee终端设备将状态数据信息发送给ZigBee协调器，ZigBee协调器通过Internet将数据信息发送至智能移动终端，同样的，移动智能终端将数据信息逆向发送给电器设备，从而构成了一个畅通的数据交换链路，各个构成部分的具体功能如下。

1.ZigBee终端设备

该设备负责同电器设备终端数据信息的交互，收集各种电器设备的状态数据信息并以无线互联的方式发送到ZigBee协调器，或者接收来自ZigBee协调器的动作命令并下达给各种电器设备。

2.ZigBee协调器

该设备负责同ZigBee终端设备进行数据信息的交换，接收来自ZigBee终端设备的数据信息并将数据信息发送给智能网关设备，或者接收来自智能网关设备的动作命令并下达给ZigBee终端设备。

3.智能网关设备

智能网关主要负责ZigBee设备的联网功能，负责将通过互联网传递来的动作命令下达给ZigBee协调器，或者负责接收来自ZigBee协调器的数据信息，其给了ZigBee设备接入互联网的能力。

4.无线路由设备

无线路由设备给了ZigBee设备接入互联网的能力，也是用户远程控制家电设备的桥梁。该设备负责将动作命令下发给智能网关，也负责接收智能网关上传的数据信息并上传给通过互联网接入的移动智能终端。

5.移动智能终端

移动智能终端是用户直接操作和使用的设备，用来根据各种家电设备的状态信息，使用智能家居控制系统APP对其进行远程操作的设备。当用户需要控制家电设备时，只需要在移动智能终端上使用使用智能家居控制系统APP下达动作指令，通过无线路由设备、智能网关设备、ZigBee协调器、ZigBee终端设备构成的互联通路来控制各种电器设备的开与关。

移动智能终端、智能家居控制系统APP、无线路由设备、智能网关设备、ZigBee协调器、ZigBee终端设备构成了整个智能家居系統，其系统总体架构图如图1所示。

结语

本文从智能家居控制系统的设计方面如此，分析了目前智能家居领域发展的现状，并详细阐述了智能家居控制系统所涉及的技术理论，例如Zigbee通信协议、CC2530控制芯片。将将ZigBee无线通讯技术、互联网技术等相结合，设计了基于Android的智能家居控制系统。