基于Android 平台的智能家居系统设计

李 琪 ，秦会斌 ,，杨永舒 ，张 雄 ，屈力扬 ,3

（1.杭州电子科技大学 电子信息学院 浙江 杭州 310018;2.滁州市质监局 安徽 滁州 239000;3.中电科技集团第52研究所 浙江 杭州 310012）

智能家居是以住宅为平台，利用先进的计算机技术、无线传感网络技术、自动控制技术、网络通信技术，将家居生活有关设施整合，在智能家居控制系统的管理下，最终实现方便、舒适、安全的家居环境，并达到节能环保的目的。随着智能家居的不断发展，如何实现用户随时随地远程控制家居，并实时了解家中信息，成为目前最迫切的需求。因此，设计出一款人性化的智能家居控制终端则成为主流趋势。

1 智能家居远程客户端的优势比较

在智能家居的推广应用中，设计出功能齐全、操作简单的控制终端成为成败的关键。在传统的智能家居控制方式中有很多方案，如本地键盘控制、Web控制、电话控制、PC控制等[1]。基于本地键盘控制装置，需要对控制终端进行硬件和软件进行设计，过程复杂，对于设备的后期开发、维护成本较高，且用户只能在家里控制，违背设计初衷“智能化”；基于Web页面控制的智能家居是利用网络信号，用浏览器建立客户端与家具设备之间的连接，缺点是在信号不好的情况下，Web页面刷新速度慢，工作效率低，无法处理大批量的数据；基于电话控制的智能家居通常功能很单一，无法对家中所有的设备进行控制，更不具备对家中环境实时监测的功能；基于家庭或办公电脑作为控制终端，是通过电脑对家居设备进行本地或远程控制，其缺点是携带不方便，移动性差，用户体验效果不好。

对于上述方案中存在的问题，设计出以Android智能手机作为家居控制终端，通过WIFI接入ARM服务器，底层利用Zigbee无线技术将被控终端组建成一个内部无线局域网，最终实现智能家居系统远程控制。

2 智能家居系统总体设计

整个系统主要由3个部分组成：远程控制终端，ARM服务器和底层家电控制相关设备[2]。智能手机或者平板控制终端，安装好控制程序以后，就可以通过触摸屏和用户进行交互。整个系统以ARM服务器为中心，客户端通过ARM服务器与底层设备进行双向通信。一方面，智能手机通过wifi或者其他网络连接服务器发送相应的指令，服务器将收到的控制指令转发给底层设备，实现手机终端和家用电器的交互；另一方面，Zigbee无线节点实时采集环境信息，并上传到服务器，服务器对收到的数据进行处理后，将结果上传到控制终端，并将数据显示在终端上。此种交互，不仅可以让住户实时了解居住环境，而且当家里发生火灾、煤气泄露等意外事故或者家里出现小偷等情况时，可以通过Android终端显示的传感器的值及时了解家中情况，并作出相应的处理。系统设计构架如图1所示。

图1 系统总体构架图Fig.1 Structure diagram of the smart home control system

3 终端程序设计

3.1 Socket通信

在网络编程方面，Android提供了很好的支持。在智能家居的应用原则中，最常用的网络通信协议是TCP和UDP协议。针对TCP传输，Android提供Socket类和ServerSocket类。针对UDP传输，Android提供DatagramSocket类和Datagram-Package类。TCP协议是可靠的面向连接的协议，提供可信赖的字节流服务。而UDP是无连接的、不可靠的协议，只提供“尽力而为”的数据报服务。在此我们对可靠性要求比较高，因此采取双向通信的TCP协议[3]。其中Socket通信如图2所示。

图2 Socket通信Fig.2 Socket communication

3.2 SQLite数据库

由于智能家居控制系统信息量小，时期短，无需较大的数据库，所以本应用程序采用Android平台内置的SQLite数据库。优点是可移植性好、容易使用、很小、高效且可靠性高。

对于SQLite的操作，Android提供了 SQLiteDatabase和SQLiteOpenHelper两个类。SQLiteOpenHelper类提供两个方法onCreate()和onUpgrade()，对SQLite数据库进行创建和更新,提供 getWritableDatabase()或 getReadableDatabase()方法来获得数据库对象。SQLiteDatabase类则提供一些方法，可以创建、删除、执行SQL指令、完成常规的数据库管理任务，如execSQL()可以执行SQL语句，insert()可以插入表项，update()可以更新表项等[4]。

数据库主要存储如下信息：用户注册信息，家用电器设备类型，各个设备的信息状态(开关、温度、湿度)等。

3.3 用户界面设计

系统界面设计主要包括注册登陆界面和功能区界面。功能区界面按功能划分有家电控制、环境监测、情景模式、设置4个部分，主界面如图3所示。

图3 主控制界面Fig.3 The main control screen

1)家电控制选择相应的按钮对其进行可视化操作，如电灯、窗帘、空调、电视等；其中电视界面如下图4所示。窗帘部分界面右侧部分采用大量图片叠加，调节过程中实现其动态效果，如下图5所示。2)环境监测主要负责对环境信息的实时采集并显示在终端上，用户可及时掌握居住环境质量如何；3)情景模式功能提供白天模式、夜晚模式、离家模式、回家模式、会客模式等多种选择，实现一键操控所有家居设备；4)设置功能分背景、语言、字体颜色、IP和端口四个功能。背景设置部分，此应用程序内置大量背景图，为用户提供多样化选择；语言支持英文操作，方便软件的推广；字体颜色方面提供常见颜色资源，更加人性化；IP和端口设置，在无需改变Android安装包的情况下，自己输入新的系统服务器IP和端口号即可实现远程控制。如图6所示。

图4 电视控制界面Fig.4 TV control interface

4 ARM服务器设计

ARM服务器在整个系统中作为一个桥梁，使得客户端与底层设备进行交互。主要作用为：与客户端实现控制指令的传输以及数据的传递；通过串口与底层zigbee协调器进行交互。

图5 窗帘控制界面Fig.5 The curtain control interface

图6 设置功能Fig.6 Setting function

基于嵌入式Linux操作系统提供免费的源码开放且内核简单，性能高、稳定，具有实时性、可裁剪性，价格便宜，支持多体系结构等优点，本文选定该操作系统作为软件系统。

硬件部分采用 ARM9系列 Mini2440开发板，Samsung S3C2440A作为主处理器，外部扩展了 NAND Flash、DDR RAM、JTAG、按键等基本的功能外设和调试工具。控制系统软件在Red Hat 4.0操作平台上进行设计，采用C/S（客户/服务器）模式设计。通信过程由Android客户端发送控制指令，通过服务器传送至Zigbee网络；而Zigbee网络接收到底层传感器设备反馈的信息后，向服务器发送数据，并最终在客户终端显示。

5 家庭内部网络的构建

Zigbee网络层支持3种网络拓扑结构：星形结构（star）、簇状结构（Cluster tree）和网状结构（Mesh）。Zigbee 典型的传输数据类型有周期性的传感器数据采集、间歇性的家庭自动化控制数据，网络中数据传输量不大，因此简单的星形网络就可以保证数据通信[5]。

星形拓扑结构核心是网络协调器和网络终端节点，系统结构如下图7所示。

协调器主要用户建立无线网络，分配Zigbee终端节点的网络地址，向终端节点发送控制指令和接受来自子节点的环境信息，并将收到的数据通过服务器上传到终端并实时显示。

各终端节点用户采集检测信息并发送给网络协调器，并接受来客户端发来的指令实现家具的智能化控制。此星形结构，终端与终端之间不能进行通信。

图7 星形网络图Fig.7 Star network diagram

6 测试验证

本智能家居控制系统经过反复调试后，达到预期的效果，且系统运行稳定。具体实现功能如下：

1)灯光控制：实现各个房间灯光的开关以及亮度的调节，调节范围从0-100%可调。

2)窗帘控制：实现窗帘动态调节，用户可根据控制界面实时查看当前窗帘开关程度。

3)空调控制：空调开关，调节风速，模式转换等，实现了基本调节功能。

4)电视控制：模拟电视遥控如开关、选台、调节音量等。

5)环境监测：实时显示家中环境信息，当监测到异常信息时用户能够有效处理。

7 结论

本文简要的介绍了基于Android平台的智能家居控制系统的设计和关键技术。通过智能手机接入家庭内部网络即可实现远程控制家居，实时监测家居内部环境信息，为人们更加智能化和网络化的家居生活。该系统既可用于普通的住宅家庭用户，也可用于酒店等子系统，可扩展性好[6]。与传统的基于Internet的远程家电控制系统相比，基于Android手机的控制系统有着巨大的优势和前景。

[1]ZHANG Zhong-shan,HUANG Fu-wei,LONG Ke-ping,et al.On the designing principles and optimization approaches of bio-inspired self-organized network:a survey[J].Science China(Information Sciences),2013,7:5-32.

[2]高闯,李海平,王国栋,等.基于android平台的智能家居手机客户端软件设计[J].电子测试,2013(12):71-72.GAO Chuang,LI Hai-ping,WANG Guo-dong,et al.Intelligent home furnishing mobile phone client software design based on Android platform[J].Electronic Test,2013(12):71-72.

[3]徐峰.基于Android平台的智能家居客户端系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学,2012.

[4]王剑龙.基于Android的智能家居控制系统的研究与实现[D].长春：吉林大学,2013.

[5]尚丽丽.基于ZigBee的智能家居系统设计[D].大连：大连理工大学,2010.

[6]宋威,黄进,尹航,等.基于WIFI物联网的家电智能控制系统信息控制端的研究[J].信息通信,2013(1):199-200.SONG Wei,HUANG Jin,YI Hang,et al.The research of WIFI Internet of Things appliances intelligent control system control terminal[J].Information and Communications,2013(1):199-200.