基于ZigBee和Android的智能家居终端控制系统的设计

2018-11-01江新道张芹

电脑知识与技术 2018年18期

江新道　张芹

摘要：本文提出一种基于移动互联网的智能家居终端系统方案，智能家居本地网关部分由ZigBee无线传感器与家庭宽带网络组成，基于移动互联网的智能设备，通过控制终端软件与家庭宽带网络连接，并通过本地网关获取信息和控制智能家居设备，从而实现基于移动互联网的智能家居系统。其核心是解决移动互联网终端设备与智能家居设备之间的相互通信。

关键词：智能家居；移动互联网；ZigBee；Android

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）18-0169-04

Mobile Internet-based Smart Home Terminal System Design

JIANG Xin-dao，ZHANG Qin

（Anhui Vocational College of Electronic and Information Technology， Bengbu 233060， China）

Abstract： This paper proposes a mobile Internet-based smart home terminal system solutions ， smart home will be part of a local gateway with ZigBee wireless sensor network of home broadband ， mobile Internet-based smart devices， via the control terminal software and home broadband internet connection， and access to and control through a local gateway smart home devices ， enabling mobile Internet-based smart home system . Its core is the solution to the mobile Internet terminal equipment and smart home devices to communicate with each other .

Key words： smart home；mobile Internet；ZigBee；Android

1 整體框架设计

整个智能家居框架结构由三部分组成：ZigBee本地网络、家庭网关和智能终端，如图1。其中，ZigBee本地网络由若干ZigBee无线模块连接家中的各种设备，用以采集基础数据和发送控制信号。家庭网关负责连接本地网络与远程控制终端，内（ZigBee）外（TCP/IP）网之间的协议转换和家居基础数据的管理，是整个家居系统的核心组件。

2 网关设计

ZigBee网络采用星形结构，供电方式选择直流供电。移动终端设备与家庭网关数据交互采用http超文本传输方式，具体流程如图2。

智能家居设备通过传感器采集温度、压力等数据，经I/O接口与ZigBee相连，通过ZigBee协议将这些基础数据传送给家庭网关。家庭网关的ZigBee模块设计如图3所示。

网关与ZigBee适配器之间的I/O接口选择串口接口（兼容性更好）。其控制过程如图4所示。

ZigBee模块设计：

本文选用CC2430芯片作为主要部件，再配合晶振时钟电路和射频电路，可以实现预期效果。CC2430的典型应用电路如图5所示。

数据库设计：因为要对设备进行管理，所以要在数据库中添加设备管理表。同时还要对用户权限进行设置，因此还要有权限管理表。网关部分的数据库设计如图6所示：

功能框架设计：整个网关系统由用户管理、设备管理、终端管理、权限管理和日志管理5大管理模块组成。

3 终端软件设计与实现

3.1 终端数据库设计利用SQLite数据库实现数据存取功能

1）数据库结构设计：家居设备表用来存储家居设备的信息，诸如编号、名称、IP地址等。其中，设备的类型指所使用的传感器的类型。操作类型则是指允许对设备进行的操作，如电器设备的开、关等。设备状态表用来存储某设备某时间段的状态。

2）数据库代码实现：由于Android系统的开放性， SQLite数据库用户仅需继承其提供的开放接口，就能实现SQLite数据的基本操作。数据操作类结构见图8。

具体代码如下：

3）控制系统功能框架设计：控制系统由五大模块组成，分别是登录、开关、温度、监控和计量模块。各模块之间的结构如图9所示。

4）登录模块：实现终端用户的身份认证。用户登录流程见图10。

（1）用户登录：通过Android系统打开登录界面，输入用户名和密码，该数据通过Android系统提交给家庭网关进行比对处理，再反馈给Android用户界面。

（2）用户注册：通过Android系统打开登录界面，输入新的用户名并设置新的密码，数据通过Android系统提交给家庭网关比对、存储，处理后再反馈回Android界面。

（3）家庭网关数据的获取：通过超文本传输协议HTTP访问家庭网关，通过HttpPost向家庭网关提交数据请求，家庭网关首先要对数据请求进行判断，然后对数据进行处理，最后将处理的结果再次通过HTTP协议反馈给终端设备。具体处理流程见图11，代码如下：

5）主控模块负责智能家居设备的管理工作。

一方面，用户通过Android终端控制器向家庭网关发送控制信息，家庭网关通过ZigBee网络将控制信息发送给指定的家居设备；另一方面家居设备也可以通过ZigBee网络向家庭网关发送数据，再由家庭网关将数据信息发送到Android终端上，通过Android界面显示。数据交互过程见图12：

3.2 模块设计与实现

1）登录模块：用户通过登录模块进入远程控制系统，进入控制界面。登录流程见图13：

用户打开系统后会出现登录界面（见图14左图），如注册新用户，则弹出右侧注册界面。

2）主控模块：负责完成对智能家居的控制。具体流程如图15所示：

当用户进入主控模块，则可实现对家中各房间的控制，主控界面见图16。

进入房间后，可以对房间内各智能家居设备，如灯具的开关，空调的开关、视频监控等进行控制。同时，用户还可以新建房间，也可以自定义房间图标显示的房间信息。

3）温度监控：温度监控过程如图17所示：

4 系统测试结果与分析

4.1 硬件环境

Zigbee模块采用广州星博技术公司生产的无线智能控制板（图18）；智能网关采用高性能计算机一台（CPU四核 2.4GHz，内存8GB，硬盘1TB）；终端选择华为荣耀8和红米5两款手机；家居设备：松下P50U30C电视机*1，摄像头*2，温控电路模块*2，戴尔Vostro14-5480笔记本电脑*1，光控电路模块*2，开关控制器*4，串口调试器*1。

4.2 软件环境

家庭网关端：操作系统采用Windows 2008 Server并安装数据库管理软件MSSQL2008；移动终端采用安卓操作系统，同时开启GPRS。

4.3 测试结果分析

1）开关监控：较为成功地实现了家居开关状态的管理。本次实验主要目的是分析开关状态切换的延迟对操作结果的影响，共进行4组，每组5次。实验结果见表3：

实验表明：当切换间隔很短，会造成开关操作失败。原因分析：1）网关接收数据需要一定的时间进行处理； 2）开关控制器也有响应时间。这对我们网关程序设计提出要求：必须充分考虑开关切换时间间隔问题。

2）温度监控：测试过程同上。主要问题：1）温度采集区域差异性，如卧室与客厅存在温度差异；2）温度传感器的不稳定性会导致每次获取的温度有差异。

3）视频监控：本次实验主要分析视频信号传送中，清晰度与流畅度之间的关系，实验结果见表4：

实验结果：视频采集清晰度高则画面的流畅度就差。原因：當视频采集的像清晰度提高，则需传送的数据量就增大，而对应的网络带宽不变，所以画面变得不够流畅。解决方法：在家庭网关部分加入图像压缩技术。

5进一步的工作

本文通过Android操作系统、ZigBee无线通信和移动通信网络实现了智能家居系统基本功能。但实现的主控模块相对较少，仅实现了对设备开关、视频监控的控制。进一步的工作目标为：1）实现对家居设备的较高级控制，如对家用电脑的控制。2）尝试ZigBee和WIFI混合，提高组网灵活性。

参考文献：

[1] 张良.智能家居控制系统的设计与开发[D].重庆：重庆大学，2011.