基于Android的智能家居监控系统的设计与实现

平衡

(烟台汽车工程职业学院 信息与控制工程系， 烟台 265500)

0 引言

作为计算机技术的配套技术，嵌入式技术发展较为成熟，逐渐在各领域得以广泛应用，为满足人们对高品质生活的追求，智能安全的家居环境成为研究的热点，智能家居综合运用网络通信、自动控制、音视频及布线等技术，将家居生活中的设备组建成家居管理系统，从而对其进行有效的智能化和个性化管理。智能家居领域目前虽处于发展阶段，结合绿色节能建筑、环保建筑等发展理念，有着广泛的市场需求，研究智能家居系统具有重要应用价值[1]。

1 系统总体设计

系统以Android作为为平台,具备低成本、易扩展等优势，相比基于无线智能家居等控制系统，其更适合居民家庭应用，能够较好的实现智能家居远程控制功能，实现家庭设备内网的组建，家居设备的运行状态能够在客户端界面上实时显示，通过控制终端App即可对智能家居控制系统的各项参数根据实际情况进行设置,开源SQLite数据库的应用提升了数据存储及维护能力,内网与外网的信息交互实现了远程控制的智能安防功能。

系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

为有效连接家居生活中的设备实现智能控制，首先需完成无线传感网络WSN的组建，具体可通过ZigBee技术实现环境中相关模块同网络的连接，再使用传感器实时采集家庭各类设备的状态数据(包括探测器、报警按钮等)，如室内环境可使用烟雾传感器、温湿度传感器等完成检测，用红外人体感应器进行防盗等。按照Zstack协议栈将采集的数据信息传递给Cortex-A8处理器，完成不同网络间协议的转换，完成对终端节点信息的处理后反馈给ZigBee节点，并通过控制继电器实现对各终端节点的运作的有效控制(包括开关通断或声光报警等)，利用网络连接实现家电、智能安防的远程控制[2]。

2 系统硬件设计

2.1 主控制板设计

本系统主要在Android 操作系统上运行，内置高性能图形引擎，以提供流畅的图形加速功能，选用S5PV210开发板作为主控制板，Cortex-A8 处理器内核，配置512 MB的RAM内存，容量为2 GB的MLC Flash，网络连接通过外接自适应以太网RJ45接口一个(10/100 M)实现，USB接口、RS485总线接口、CAN总线接口各1个，主控板硬件结构如图2所示[3]。

图2 主控板硬件结构

2.2 ZigBee模块设计

本文所设计的家居智能控制系统采用标准的增强型8051 CPU，ZigBee 无线通信主芯片选用了CC2530芯片(TI公司推出)，该芯片拥有丰富的外接端口，满足不同环境下系统的低功耗需求，在多种模式下皆可运行，终端节点信息的采集主要由ZigBee网关模块负责完成，智能终端系统通过串口实时接收采集到的信息，将水浸传感器配置在其他ZigBee节点模块中以确保厨卫设施发生漏水时及时上报系统，烟雾探测器对室内烟雾情况进行监测，系统根据温湿度传感器对室内温湿度的测量结果进行智能调控，人体红外探测器用于安全防护。

3 系统软件设计

智能家居的家庭子网的组建采用了星状网络拓扑结构，采用Z-Stack协议栈，开发 IEEE802.15.4等技术的基础平台(TI公司推出)，由 OSAL 层、MAC 层、HAL 层、App 层等组成其软件目录，各层信息的传递通过 API 接口函数实现。

3.1 ZigBee 协调器节点软件设计

协调器软件流程如图3所示。

作为无线通信网络的核心，网络组建、参数设定、信息管理等皆由协调器负责完成，系统需先进行Z-Stack协议栈，在完成硬件初始化后，由协调器对信道能量进行扫描，完成网络PANID的建立，根据实际情况对网络参数进行配置，新的子节点在加入网络前需申请，协调器监测到请求后允许其加入，为其分配网络地址，对于传感器发送来的请求信息需进行区分，针对不同情况(如控制命令或查询操作)系统对相应传感器动作进行分别控制 ，或发送数据采集指令[4]。

图3 协调器软件流程

3.2 终端节点软件设计

采集到的数据信息的上传、查询信息、用户控制指令的接收由终端节点负责完成，终端节点软件流程如图4所示。

图4 终端节点流程图

模块上电后需先进行初始化，完成信道扫描后向系统发送入网请求，系统会为其分配相应的网络地址，接下来网络信息的侦听由终端节点负责，若判断接收到的网络数据为用户控制指令，则根据实际需要对传感器进行调用实现控制操作的及时执行，若判断结果为查询信息，则通过ZigBee网络将查询到的传感器节点数据发送至协调器节点[5]。

3.3 客户端软件设计

(1)Android 终端软件设计

该部分软件主要由主页面 、信息查询页面、及网络摄像头控制页面三部分构成，根据实际需要可对具体功能(包括灯光控制、温湿度及电表查询等)进行添加，智能家居控制系统登录后界面如图5所示。

图5 家居控制系统首页

终端系统在首次登录时需根据页面提示要求将用户名及密码、监控 IP、端口号、在输入框内输入，根据家中是否有人可将当前系统状态设置为布防或撤防模式，布防模式下系统会对家庭各项参数进行实时采集与监控，实现用户对相应情况的远程调控，异常状况将上传送监控图片至用户移动终端并发送消息提醒，将情况反馈给小区物业，做到及时报警，用户可通过移动终端进行电表查询、家电智能控制等操作，系统会及时提醒用户续缴水电费等[6]。

(2)环境信息监测模块的实现

家庭环境温湿度的监测主要由该模块负责，能够对当前及历史环境信息进行查询，温湿度数据的获取通过在WCF服务里通过相关函数的调用即可实现，以直观的图表形式供用户查看，把鼠标放在环境信息查询按钮上，点击自动弹出的当前环境信息查询子菜单，时间和温湿度的实时更新数据以曲线图的形式在当前环境信息查询界面显示，方便用户对温湿度变化情况进行查看与调控，当前环境信息查询界面如图6所示。

图6 当前环境信息查询页面

对于某一时间段家庭内的温湿度数据的查询在历史环境信息查询界面完成，把鼠标放在环境信息查询按钮上，点击自动弹出的历史环境信息查询子菜单，主要以表格的形式直观的展示给用户。

(3)家庭设备控制及安防报警模块的实现

对电灯、空调、冰箱等家用电器的开关进行控制时主要由家庭设备控制模块负责完成，通过数据库中各设备信息(包括设备 ID、名称、状态等)的读取，完成家庭设备控制页面的加载，已建立 Socket服务器端的PC服务器端处于监听状态，用户对电器的控制在获取设备名和设备ID 号后，通过点击页面的打开、关闭或调节按钮即可实现，系统通过Socket的使用完成控制命令的发送，界面会对发送成功的指令进行显示，指令发送失败时会提示用户重新操作，从而实现对设备的远程控制。

厨房煤气或天然气状态及是否有人进入家中等情况的监测由安防报警模块完成，用户可对所需监测状态进行设置(启用或关闭向终端发送报警短信功能)，通过数据库中设备信息的读取完成安防报警页面的加载，据此用户可了解家庭安全状况。

4 系统调控与测试

为检测嵌入式智能家居控制系统的有效性和稳定性，通过在手机上安装本系统后，登录App软件对所需检测的家居设备同系统进行连接，设备与网关服务器均实现正常连接，实时采集室内传感器节点信息后，在系统首页进行查询，结果表明控制各节点工作状态正常，能够对温度湿度进行实时监测，对电灯、空调等设备的开关进行控制，对于异常的烟雾状态及有人进入等情况会向手机终端发送图片及消息提醒，在调控过程中为检测网络通信距离(指传感器与协调器间)，通过点对点的数据丢包测试，测试结果表明有效的传输距离可达到10 米以上，系统数据传输过程具有较高的稳定性和可靠性，说明该系统具有较高的实用性[7]。

5 总结

随着人工智能等技术的快速发展，逐渐在日常家居中得以普遍应用，为满足人们对智能家居的需求，本文主要对嵌入式智能家居控制系统进行设计，利用传感器实时采集环境信息，采用ZigBee 技术完成家庭内部控制子网的组建，完成了家居控制系统总体架构的构建，依据Andorid平台采用Cortex-A8处理器完成监控终端的开发，并对系统软件进行设计以保证控制系统的实现，检测结果表明该系统能够对日常家居进行智能控制，成本低、稳定性高且扩展性好。