基于Android的智能家居交互系统设计与开发_文丹.pdf

62|电子制作 2023 年 1 月软件开发0 引言随着普通家庭生活水平的提高以及科技的飞速发展，智能家电走进了普通家庭。过去智能家电就意味着高成本难使用，随着 AI 的发展及无线通信技术的发展，由单纯的智能家电向智能家居系统发展。智能家居不仅仅局限于对家电的控制，随着智能程度的提高，会向着智能化与自动化发展。例如：根据主人的作息习惯，提前开启空调，热水器等。监控室内环境，智能化控制相应的家电工作，如根据温度变化开启空调调整室内温度等。智能化程度越高意味着加入到整个智能家居系统的设备数量会比较大，如果采用线路控制的方式，安装成本高，设备部署不灵活。因此利用物联网技术开发智能家居的交互系统是很有意义的。智能手机和智能随身设备的的普及，可将智能手机作为智能家居的控制终端，智能手表，手环作为人体状态的定位与感应可以使得智能家居系统更贴合人们的生活习惯，同时也降低了整套系统的部署成本，更有利于智能家居系统进入普通用户的家庭、目前，智能家居产业发展迅猛，但仍存在一些问题，成本高、稳定性差，无统一标准，扩展性差，操作繁琐等。智能家居未来的发展需要很好的解决上述问题。智能家居这块“大饼”，也吸引了众多品牌来，如华为、京东、小米等，甚至一些传统家也纷纷踏入，如海尔、苏泊尔等。各种物联网智慧平台依托各种方式也走入了人们的视野当中。1 系统总体设计方案 1.1 系统需实现的功能（1）采用 ZigBee 的组网方式构建物联网实现智能家电及控制系统的互联，实现远程监测和管理。（2）通过 ZigBee 终端节点监控家电设备的工作情况；部分老式家电可通过 ZigBee 终端智能开关控制通断电实现控制；实现 ZigBee 终端节点组网；通过智能网关实现，智能远程控制及监控数据的传输。通过传感器实现室内温湿度的采集，光感知，气体的监测以实现相应智能家居设备的自动控制。通过 Android 系统的智能终端 APP 对智能家居系统中的家电设备进行监控和管理。（3）通过互联网实现远程监控及管理。1.2 系统总体设计方案本文设计的智能家居交互系统通过使用 ZigBee 芯片CC2530 设计终端电路将温湿度传感器，光度传感器以及各类安防监控类型传感器进行组合，利用 CC2530 实现组网，进行传感器数据的传输及各类型传感器的控制，以实现对家居环境的感知再经控制终端的分析后对家电设备实现智能控制。使用 ZigBee 芯片设计终端设备及终端用电控制模块以实现对家电设备的智能控制。系统中心是 ZigBee 芯片 CC2530 和 WiFi 芯片 ESP8266设计的智能网关，其主要作用是有效分析及传输数据及指令。利用串口 UART 在 CC2530 和 ESP8266 间实现数据传输及数据协议的转换，从而实现 ZigBee 物联网与互联网，WiFi 网络的无缝链接。在基于 Android 系统的智能手机开发 APP，以实现智能设备工作状态的实时监控及指令控制。通过设计基于Android 客户端的 WEB 服务器，以实现控制终端处于外部网路时对智能家居设备状态的监控及控制。1.3 系统主要功能模块设计方案其主要功能模块有：ZigBee-WiFi 智能网关、Android APP 客户端软件、WebServer 服务器、带传感器和控制器的 ZigBee 终端节点等。智能网关进行数据协议转换实现数据的透传。以 Android 系统的智能手机为控制协调中心，替代 PC 主机。智能网关可远程实现智能家电的集中的管理与有效控制。以 ZigBee 芯片 CC2530 和 WiFi 芯片 ESP8266 构建的智能网关，实现了数据的透传，ZigBee 协调器不再需要连接到 PC 主机，直接使用 Android 手机端的 APP 实现管理和控制。通过互联网的连接可以在存在互联网的任何地方进行远程监控及管理。基于 Android 的智能家居交互系统设计与开发文丹（桂林信息科技学院，广西桂林，541004）基金项目：本文系 2022年度广西区教育厅高校中青年教师科研基础能力提升项目 基于Android的智能家居交互系统设计与开发，项目编号：2022KY1625。摘要：该系统采用ZigBee芯片CC2530和WiFi芯片ESP8266作为主要构件搭建智能网关。利用串口UART在CC2530和ESP8266间进行数据传输，实现ZigBee-WiFi网络的转换。使用CC2530芯片搭建终端电路实现设备状态信息的获取并通过ZigBee网络与智能网关互联实现物联网的构建。在基于Android系统的智能手机开发APP，以实现智能家居工作状态的获取及控制指令的发送。设计基于Android客户端的WEB服务器，以实现外部网络对智能家居的控制。关键词：智能家居；ZigBee；智能网关；Android系统DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.027wwwele169com|63软件开发本系统采用TI公司8051核心的CC2530作为传感节点，其优势如下：(1)功耗低，只用普通的于电池，在低能耗环境下，Zig Bee 节点可工作 180 天左右。(2)集成度较高，功能较完善。集成 C8051，ADC，Zig Bee，支持协议为 Zig Bee2007/PRO，组网简便，网络稳定可靠。(3)开发平台较成熟。(4)专利免费试用，硬件成本较低。无线网络 WiFi 模块使用的是 ESP8266，主要实现互联网及局域网的接入。CC2530 和 ESP8266 之间的数据通讯可直接通过芯片自带的串口直接链接，实现数据协议的转换。智能手机的控制终端可直接通过局域网或互联网直接接入，终端的数据采集结果可直接发送到 APP，控制指令也可以直达终端。整体结构图如图 1 所示。ZigBee-WiFi智能网关终端节点 终端节点 ZigBee 手机终端 图 12 系统硬件电路与软件设计方案系统的硬件部分主要包括 ZigBee-WiFi 智能网关和ZigBee 终端节点。硬件设计采用模块化设计的方式进行设计，智能网关底板，主要由 ZigBee 芯片 CC2530，ESP8266WiFi 芯片和实现串口通信的 CH341A 芯片组成。ZigBee终端节点主要包含 ZigBee 芯片底板，传感器模组和控制模块。2.1 ZigBee-WiFi 智能网关的设计 2.1.1 硬件电路设计智能网关因需要长时间工作，因此采用外部电源进行供电。为增强其适配性电源输入接口采用Type-C 接口，输入电源电压为5V。再通过 MP1583DN 的电路将电压降为 3.3V 对电路的主要芯片进行供电。系统结构如图 2 所示。ZigBee模块主要负责ZigBee网络的组网及数据传输，数据通过 UART 接口及串口传输到 WiFi 模块。WiFi 模块主要负责接入家庭局域网或直接与智能手机连接，将各终端的数据通过 WiFi 发送到手机操作终端或 Web 网络服务端。电源模块负责提供电路所需要的电压，电流。ZigBee模块 UART 接口 串口 WiFi 模块 电源模块 图 2 智能网关硬件结构2.1.2 网关系统实现流程智能家居 ZigBee 网络采用星型的网络结构，由智能网关内的 ZigBee 网络协调器及多个 ZigBee 终端节点构成。ZigBee 网络构后通过串口将数据发送至 WiFi 模块，通过WiFi 网络连接到控制终端或者网络服务器。智能网关系统处理流程如图 3 所示。2.2 ZigBee 终端电路设计 终端电路主要实现三个方面的功能，室内环境的感知，远程家电的遥控，远程电路的通断。环境感知主要包括温湿度，ZigBee 终端电路包括电源、ZigBee 底板、传感器模块，遥控模块，继电器等。电源部分直接采用锂电池供电，采用SGM40560设计锂电池的充电电路，接口采用Type-C接口，便于使用计算机 USB 接口或相应的电源适配器对终端进行充电。各部分功能采用模块化设计，可以根据实际需要进行组合。ZigBee 底板使用 CC2530 最小系统的方案。传感器模块主要包含温湿度传感器，红外感应器，气体传感器，光感器，磁感器等；遥控模块可以使用红外或蓝牙控制模块以便对家电进行遥控；附加继电器后可以变身为智能开关直接控图 3 智能网关数据流转结构64|电子制作 2023 年 1 月软件开发制电器的通断电。温湿度传感器主要选用 DHT11 数字温湿度传感器。DHT11 数字温湿度传感器是一款数字信号输出的温湿度复合传感器，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，产品具有很高的可靠性和长期稳定性。适用于家庭智能家居电路的应用场景。气体传感器主要选用 MQ-2 气敏器件进行设计。MQ-2常用于日常生活生产的气体泄漏监测装置，可对各种可燃气体及烟雾进行探测。MQ-2的探测范围广、灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。适用于低成本气体感应模块的设计。人体红外传感器主要选用 HC-SR501 进行设计。HC-SR501 是基于红外技术的控制模块，灵敏度高，稳定可靠，广泛应用于微型自动感应电器设备。遥控模块选用 YS-IRTM 进行红外遥控发射电路设计。模块集成单片机及红外收发电路，可直接使用串口控制。可连接多个红外发射头，便于红外发射模块扩展。ZigBee底板 传感器 红外发射 继电器 图 4 终端电路系统结构图 2.3 应用程序软件设计 应用程序设计主要分三个方面，一是智能网关中，ZigBee 网络应用程序设计；二是智能网关中，WiFi 模块的应用程序设计；三是终端节点中的ZigBee底板的应用程序设计。2.3.1 ZigBee 网络应用程序设计ZigBee 网络应用程序主要作用是进行 ZigBee 网络的组网，给网络中的各终端分配地址，并进行数据传输。其主要工作流程是：（1）ZigBee 协调器启动后，扫描并选择合适的信道和网络号段来构建物联网，之后等待 ZigBee 终端节点连接。（2）ZigBee 终端节点启动后，扫描网段中的网络，使用预先设置的口令申请加入网络。（3）终端节点获取传感器的数据后，通过物联网发送到 ZigBee 协调器。（4）ZigBee 协调器接到数据后，通过串口发送数据到WiFi 模块。（5）ZigBee 终端节点接收到通过物联网下发的指令，做出相应的响应。协调器的工作流程如图 5 所示。图 5 协调器的工作流程图2.3.2 WiFi 模块的应用程序设计ESP8266 芯片带有 AP 模式等网络路由模式，根据实际情况选择工作模式。构建 WiFi 网络。将协调器通过串口发送过来的数据发送给控制端或者 WebServer 服务器。工作流程图如图 6 所示。图 6 WiFi 工作流程图wwwele169com|65软件开发2.3.3 ZigBee 底板的应用程序设计终端结点工作流程如协调器工作流程类似，加入到ZigBee 网络后，将传感器数据通过网络发送到协调器，将接收到的控制指令发送至相应的响应模块。工作流程图如图7 所示。图 7 终端结点工作流程图3 Android APP 软件设计 3.1 Android APP 的功能需求本文所设计的智能家居系统是使用Android 系统的智能设备作为控制终端，用户可以在智能设备上通过安装的 APP 对家电设备进行远程监控和管理。当用户控制终端处于内部网络时，可通过智能家居网关实现对家电的控制；当用户控制终端处于互联网时，客户端需要通过访问基于WebServer 服务器获取最新的数据及发送指令。控制终端应该具有以下功能：（1）为保障信息安全和隐私，需通过注册账号，通过账号密码登录后，再对家电设备实施远程监控和管理。（2）可以通过控制终端对智能家电进行实时监控以及设置控制逻辑。如根据房间的温湿度，人体感应，光感情况开启或关闭相应的电器。如果有异常情况客户端需要及时向用户发出警报。（3）控制终端可以设置情景模式。如外出，睡眠，影院，运动，自定义等情景模式。3.2 控制终端 APP 的设计方案APP 使用 Android Studio 进行开发，使用 TCP/IP