（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，桂林 541004）

智能家居（smart home）是利用計算機技術(shù)、多傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、綜合布線技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)，將家居生活中的各類電子設備有機地結(jié)合在一起從而實現(xiàn)智能控制和管理的一種嵌入式系統(tǒng)[1]。智能家居的誕生讓人們的生活舒適性得到了提高、安全性得到了保障并極大地提升了人們的生活質(zhì)量[2-3]。計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)與移動通信技術(shù)的結(jié)合與發(fā)展為智能家居的高速發(fā)展提供了前提和條件[4]。

本文考慮到Android系統(tǒng)應用的廣泛性并結(jié)合智能家居的發(fā)展趨勢，以運行于Android智能移動設備上的App為控制終端，使以STM32為主控制器的主機與分布在家居各個房間的分機協(xié)作控制家居電器，設計了一套成本低廉、可靠實用、界面友好的智能家居系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

整個智能家居系統(tǒng)主要由控制終端App、家居智能網(wǎng)關(guān)（主機）以及分布在家居各個房間的控制器（分機）等部分構(gòu)成。系統(tǒng)總設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖Fig.1 Design diagram of system

系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制前，需要進行遙控器學習操作，先將家居電器遙控器按鍵所對應的紅外或射頻編碼學習到主機中，然后，由主機轉(zhuǎn)發(fā)編碼數(shù)據(jù)到控制終端App并存儲到本地SQLite數(shù)據(jù)庫中，即可完成學習操作。運行于智能手機或平板上的App基于TCP/IP通信協(xié)議，通過WiFi或GPRS向主機發(fā)送控制指令，主機接收控制指令后，將控制指令解析，并根據(jù)指令決定主機是將指令轉(zhuǎn)發(fā)給相應的分機還是直接控制相應的家居電器工作，而分布在家居各個房間的分機主要負責接收主機發(fā)出的RF射頻控制信號，并將信號解析成控制指令，用于控制分機所在房間的家居電器工作。家居電器接收控制操作指令后，執(zhí)行相關(guān)功能，并將家居設備狀態(tài)信息返回到控制終端，從而實現(xiàn)智能手機或平板電腦對家居電器的實時智能控制。

本文設計的智能家居系統(tǒng)具有如下特點：

（1）基于開放流行的Android系統(tǒng)進行控制終端App的設計，使用開源的SQLite結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，同時，App采用圖形界面進行人機交互，具有良好的用戶體驗。

（2）用戶個人的智能Android手機或平板電腦作為控制終端，即可實現(xiàn)家居設備的智能控制，而不用為智能家居系統(tǒng)設計專用的控制器，這樣做不僅減少了硬件設計復雜度，降低了系統(tǒng)成本，還為用戶提供了非常便利的使用條件。

（3）智能家居系統(tǒng)中主機和分機的通信是利用射頻無線通信技術(shù)實現(xiàn)的，與其它實現(xiàn)同樣功能的無線通信技術(shù)相比，極大地降低了系統(tǒng)成本。

2 通信方式實現(xiàn)

常用家居電器的遙控信號有紅外和射頻，射頻信號是可以無視障礙物穿墻傳播的，而紅外信號傳播的兩點之間不能有任何障礙物，只能直線短距離傳播，這就為控制家居各個房間中紅外遙控信號的電器帶來不便。基于以上原因，系統(tǒng)采用智能網(wǎng)關(guān)（主機）和分布在各個房間的分機協(xié)作控制家居電器的方案。

為了滿足主機無線轉(zhuǎn)發(fā)從控制終端App得到的控制指令到相應分機設備的需求，需要組建一個通信網(wǎng)絡用于實現(xiàn)家居內(nèi)的主機和分機之間的通信。因家居所占空間的限制，只需滿足短距離通信即可，滿足這些條件的通信技術(shù)有ZigBee無線通信技術(shù)、有線通信技術(shù)和射頻無線通信技術(shù)等，本文設計的智能家居系統(tǒng)采用433 MHz頻段的射頻進行無線通信，構(gòu)建家居通信網(wǎng)絡。本系統(tǒng)采用433 MHz頻段的射頻構(gòu)成家居內(nèi)網(wǎng)具有以下優(yōu)點：采用射頻技術(shù)使得系統(tǒng)易于安裝，不需布線等工序，脫離了有線的限制，整體架構(gòu)靈活性高；433 MHz為我國免去申請步驟的無線通訊頻段，可以減少不必要的麻煩；射頻信號是可穿墻的無線信號，與其它實現(xiàn)同樣功能的無線通信技術(shù)相比，系統(tǒng)設計成本低廉，降低了系統(tǒng)的設計復雜度。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 基于Android的App設計

Android是Google公司基于Linux開放式內(nèi)核開發(fā)的手機嵌入式操作系統(tǒng)。Android系統(tǒng)分為3層，以Linux內(nèi)核為基礎層，中間層包括各類函數(shù)庫和虛擬機，最上層是用戶界面和各種應用軟件。

App的開發(fā)使用Android操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，Eclipse作為開發(fā)環(huán)境，ADT （android development tools）作為開發(fā)插件，Java面向?qū)ο笳Z言作為開發(fā)語言，負責應用程序數(shù)據(jù)存儲的SQLite數(shù)據(jù)庫作為開發(fā)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出一款在Android手機或平板上運行的App，作為智能家居系統(tǒng)的控制終端。在Android開發(fā)過程中，Google公司已經(jīng)對它的開發(fā)目錄文件根據(jù)MVC的設計模式進行簡要的分類，本文基于MVC的設計模式對Android App總體架構(gòu)進行設計，這樣一方面可以更易于總體框架的搭建、減少工作量，另一方面基于MVC的框架設計使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加清晰。設計完成的控制終端App的部分界面如圖2所示，主要由配置主機、添加分機、添加遙控、添加場景和遙控器學習等功能模塊構(gòu)成，其設計框圖如圖3所示。

圖2 App界面Fig.2 Interfaces of application

圖3 App設計框圖Fig.3 Design diagram of application

（1）配置主機主要是實現(xiàn)主機通過連接路由器進而成功連接到 Internet，以便于控制終端通過WiFi或移動寬帶與主機進行通信。

（2）添加分機操作即將分布在各個房間的用于控制家居電器的分機的MAC等數(shù)據(jù)存儲到App的數(shù)據(jù)庫中，以便于主機轉(zhuǎn)發(fā)控制指令時，根據(jù)MAC找到相對應的分機。

（3）添加場景。即添加一個家居中房間的相關(guān)信息到App數(shù)據(jù)庫中，如客廳、臥室、廚房等。

（4）添加遙控即將某個家用電器相關(guān)信息添加到App的數(shù)據(jù)庫中，包含電器所屬場景（房間）和所屬控制器（主機或分機）等信息。

（5）遙控器學習功能模塊。將家居電器遙控器按鍵所對應的紅外或射頻編碼學習到主機中，然后，主機轉(zhuǎn)發(fā)編碼數(shù)據(jù)到控制終端并存儲到App的SQLite數(shù)據(jù)庫中，用來組成控制終端向主機發(fā)送的控制指令。

3.2 主機分機的硬件設計

主機和分機的區(qū)別是主機具有與控制終端通信的WiFi模塊，而分機則無。主機由STM32F101C8主控制器、紅外遙控發(fā)送接收模塊、315 MHz和433 MHz射頻發(fā)送接收模塊、WiFi模塊、溫濕度傳感器及煙霧傳感器等組成，其設計框圖如圖4所示。

圖4 主機設計框圖Fig.4 Design diagram of host

（1）WiFi收發(fā)電路模塊。該模塊主要負責與控制終端App進行數(shù)據(jù)交互，WiFi模塊成功連接家庭路由器后，即可通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)與控制終端App進行通信。

（2）射頻信號收發(fā)模塊。主要實現(xiàn)主機與分機的數(shù)據(jù)交互，組成家居通信網(wǎng)絡以及RF家居電器的控制和主機對射頻遙控器信號的學習等功能。家居電器的射頻遙控信號主要是433 MHz和 315 MHz頻段的射頻信號。

（3）紅外信號收發(fā)模塊。主要實現(xiàn)紅外家居電器的控制及主機對紅外遙控器信號的學習等功能。

（4）傳感器模塊。煙霧傳感器用來采集房間煙霧信息判斷是否發(fā)生火災；溫濕度傳感器采集房間溫度、濕度等信息。

家居智能網(wǎng)關(guān)（主機）工作時的流程如圖5所示。已配置成功的主機會在上電工作并完成相關(guān)模塊的初始化后，主動獲取存儲在Flash中的家庭WiFi賬號和密碼，自動連接路由器并成功接入Internet。未配置的主機需按主機上的配置按鍵及操作App進行配置。配置完成的主機即可與控制終端App進行數(shù)據(jù)交互，并執(zhí)行遙控學習、家居電器控制、轉(zhuǎn)發(fā)控制指令到分機等功能。

圖5 智能網(wǎng)關(guān)程序流程圖Fig.5 Program flow chart of intelligent gateway

3.3 通信協(xié)議的設計

為了使網(wǎng)絡有序通信，需要制定簡潔、易于擴展的通信協(xié)議。具體的數(shù)據(jù)通訊基本協(xié)議格式如表1所示。

表1 系統(tǒng)通信協(xié)議格式Tab.1 Communication protocol format of system

幀頭和幀尾是固定值，分別為0x3a和0x0a，表示一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束；源地址、目標地址分別是通信發(fā)起者、通信接收者的IP或MAC地址；命令字用于定義不同功能的控制指令及區(qū)分不同的數(shù)據(jù)幀，不同的命令字代表不同的控制命令；考慮到通信的安全性，只有6位密碼正確的數(shù)據(jù)幀才是有效的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)即一幀數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)；有效數(shù)據(jù)長度為數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位長度；校驗位的內(nèi)容為源地址到所有數(shù)據(jù)的異或校驗。

4 結(jié)語

本文設計了一套基于Android的智能家居系統(tǒng)，采用Android智能手機或平板電腦作為控制終端優(yōu)勢明顯；設計開發(fā)的應用軟件能在Android操作系統(tǒng)的平臺上安裝和使用，易于推廣；將射頻無線通信技術(shù)作為家居內(nèi)網(wǎng)通信手段使得系統(tǒng)成本降低。但針對不常用的智能電器及插座等，可以通過智能控制面板進行自行定義和特別設置。經(jīng)過實際測試驗證，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)用用戶手中的智能手機或平板電腦代替所有家居電器的遙控器，實時監(jiān)視和控制家居電器的功能，給人們的日常生活帶來了非常大的便利。

[1] 蔣峰.家居智能安全遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].計算機測量與控制，2012，20（9）：2435-2436.

[2] 向軍，謝贊福.基于嵌入式Internet/Intranet的智能家居系統(tǒng)模型及實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2005，26（9）：167-169.

[3] 邵鵬飛，王喆，張寶儒.面向移動互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究[J].計算機測量與控制，2012，20（2）：474-476，479.

[4] S Kumar.Ubiquitous smart home system using Android application[J].International Journal of Computer Networks&Communications，2014，6（1）：33-43.