文/湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系 鄧知輝

基于APP和Cortex A8的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

文/湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系 鄧知輝

提高便捷性和降低成本是智能家居系統(tǒng)是否能夠廣泛推廣的核心問題，針對目前市場上智能家居系統(tǒng)存在的價格高、管理與操控不便等問題，介紹了一種基于ARM Cortex A8為核心，通過Android手機(jī)進(jìn)行操控的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能安防、家電控制、娛樂休閑等功能，可以通過手機(jī)客戶端實時監(jiān)測家庭環(huán)境、操控電器設(shè)備、播放音視頻和查看報警記錄等系列事件。實踐證明客戶端采用手機(jī)操控，不僅節(jié)省了主控平臺的觸摸屏，且不受數(shù)量限制，從而大大降低了設(shè)備體積，也有效提高了操作的便捷性和降低設(shè)備成本。

智能家居；系統(tǒng)設(shè)計；ARM Cortex；Android

隨著人們生活水平不斷提升，智能家居產(chǎn)品已逐漸得到推廣，但因購買成本高、電路改造困難和安裝使用不方便等問題，限制了它的廣泛普及[1]。而隨著通信業(yè)的不斷發(fā)展，2014年我國移動電話普及率為94.5部/百人，智能手機(jī)普及率達(dá)50%，已遠(yuǎn)高于全球平均水平[2]，其中Android手機(jī)2014年上半年占我國智能手機(jī)的89.9%市場份額，已然占居主導(dǎo)地位[3]。本文介紹一種基于Android手機(jī)為操控平臺，以ARM Cortex為內(nèi)核的智能家居系統(tǒng)，其不需加裝操控設(shè)備或屏幕，直接利用客戶手機(jī)即可隨時隨地實時監(jiān)測家居環(huán)境和操控家居電器，能有效降低設(shè)備成本，并為用戶提供更多便利。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

家居系統(tǒng)由基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如電機(jī)驅(qū)動器、空調(diào)燈光控制器和溫濕度傳感器等節(jié)點(diǎn)）、基于ARM Cortex A8為核心的嵌入式系統(tǒng)（含網(wǎng)關(guān)）和基于Android的移動客戶端三大部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)通過各傳感器節(jié)點(diǎn)采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上傳到嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到的結(jié)果再通過Wi-Fi或3G網(wǎng)絡(luò)，傳達(dá)到客戶端手機(jī)；用戶根據(jù)所得數(shù)據(jù)和信息，通過手機(jī)APP軟件下達(dá)相關(guān)控制命令到嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)接到命令后進(jìn)行解析和處理，再通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到對家居環(huán)境的監(jiān)測和家中電器設(shè)備的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn)，主要設(shè)計了環(huán)境監(jiān)測、模式切換、娛樂休閑、家電控制、安全防范與報警等功能，包括嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)模塊、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、溫濕度傳感模塊、氣體煙霧傳感模塊、熱釋電紅外傳感模塊等。

2.1 嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)模塊

嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用Exynos4412處理器，內(nèi)置四個1.6G主頻的Cortex A9，運(yùn)算能力達(dá)16000DMIPS，采用32納米HKMG工藝，二級緩存1MB，內(nèi)存為雙通道64bit，支持HDMI1.4，集成 Mali－400MP圖形處理器，圖像處理較前代提升50%，整機(jī)性能提升60%，功耗下降20%，能流暢運(yùn)行Android4.1操作系統(tǒng)[4]。其功耗低、電路簡單、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)，非常適用于智能家居和物聯(lián)網(wǎng)終端等產(chǎn)品。嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)包括TF卡模塊（存放應(yīng)用程序）、USB/OTG（下載或外接U盤）、DHMI（高清視頻輸出）、聲卡（休閑聽歌）、RS232（ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接口）和Wi-Fi（與手機(jī)通信）等模塊。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee節(jié)點(diǎn)

ZigBee節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530處理器為核心，它是用于ZigBee、RF4CE和2.4GHz IEEE802應(yīng)用的一個SoC解決方案。其接收靈敏度高、成本和功耗低、性能及抗干擾性能強(qiáng)[5]。CC2530的外圍電路如圖3所示,該節(jié)點(diǎn)主要有通過A/D端口對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、通過無線RF模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、對I/O端口所接終端或設(shè)備進(jìn)行控制三大功能。

2.3 DHT11溫濕度傳感模塊

為提高溫度和濕度測量的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用AM2302集成溫濕度傳感器。該傳感器集成了一個NTC測溫元件和一個電容式濕感元件，在內(nèi)部對輸出信號進(jìn)行了數(shù)字轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)格式如表1所示。并由單總線通過特定時序與外部進(jìn)行通信。具有成本低、性價比高、響應(yīng)快，且抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]，被廣泛應(yīng)用于各類環(huán)境

中的溫濕度檢測。原理圖如圖4所示。

2.4 氣體煙霧傳感模塊

危害家居環(huán)境的氣體主要有甲烷、液化氣、煤氣和煙霧等氣體，系統(tǒng)采用MQ-5氣體煙霧傳感模塊，它是由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件，可將天然氣、液化氣和煤氣等有害氣體濃度轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的0至5V輸出的標(biāo)準(zhǔn)電信號，其具有靈敏度高、探測范圍廣、穩(wěn)定性高和電路簡單等特點(diǎn)[7]。結(jié)合報警模塊與無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能較好地對煙霧、有害氣體泄露進(jìn)行有效監(jiān)測，結(jié)合室內(nèi)換氣功能還可實現(xiàn)有害氣體排放，提高安全系數(shù)。

2.5 熱釋電紅外傳感模塊

防盜是智能家居的一項主要功能，當(dāng)處理外出模式和睡眠模式時，系統(tǒng)會默認(rèn)開啟紅外傳感器，它通過內(nèi)部的探測元、濾光窗和場效應(yīng)管阻抗變換器來檢測人體輻射的紅外線信號，該傳感器只對移動的人體或接近人體體溫的移動物體起作用，其電路簡單、靈敏度高、性能穩(wěn)定，但輸出信號很弱，在外圍電路中需進(jìn)行放大，電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的控制方式主要有在家模式、外出模式和睡眠模式三種情況。系統(tǒng)根據(jù)默認(rèn)或用戶設(shè)定情況對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)分別進(jìn)行自動或手動控制。手動控制是通過系統(tǒng)中斷實現(xiàn)，默認(rèn)為自動控制。自動控制時，系統(tǒng)將各傳感器采集的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊匯總到主控制器，再將這些信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析與處理，做出相應(yīng)的控制策略和決策，最后發(fā)送控制命令到相應(yīng)模塊或節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

4 Android UI客戶端設(shè)計

4.1 客戶端控制流程

系統(tǒng)客戶端基于Android平臺的APP軟件，客戶端UI用例如圖7所示。

4.2 客戶端控制界面

系統(tǒng)登陸界面如圖8(a)所示，輸入已注冊的用戶名，即可進(jìn)入如圖8(b)所示的“智能家居控制系統(tǒng)”主界面。

主界面可以實時顯示智能家居控制系統(tǒng)所采集到的煙霧、溫度、濕度、光強(qiáng)、門禁和紅外等相關(guān)數(shù)據(jù)或信息；底部有六個控制按鈕分別用于模式切換、娛樂休閑、警報查看、家電控制、系統(tǒng)設(shè)置及退出家居系統(tǒng)等。點(diǎn)擊分別可進(jìn)入圖8(c-h)界面。

5 結(jié)束語

通過樣機(jī)測試，智能家居系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能豐富，客戶端利用手機(jī)通過Wi-Fi進(jìn)行操控，省略了主控平臺的觸控屏，大大降低了智能家居系統(tǒng)的體積，且數(shù)量不受限制，也有效提高了操作的便捷性和降低設(shè)備成本。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 基于CC2530的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路

圖4 AM2302模塊原理圖

圖5 熱釋電紅外傳感器原理圖

圖6 主程序流程

表1 AM2302數(shù)據(jù)格式表

圖7 APP客戶端UI用例圖

圖8 客戶端控制界面

[1] 智能家居發(fā)展中存在的5大主要問題探秘[N/OL].http://yancheng. zxdyw.com /HTML/ 2011/8/201184121234.html.

[2] 工信部2014年通信運(yùn)營業(yè)統(tǒng)計公報[N/OL].http://www.miit.gov. cn /n11293472/n11293832/n11294132/n12858447/16414615.html.

[3] 艾媒咨詢. 2014上半年中國智能手機(jī)市場監(jiān)測報告[N/OL].http:// www.iimedia. cn/37560. html.

[4] 張淑艷, 王超, 肖萍萍, 朱娟. 基于Cortex-A9和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇, 2014, 23:46-47.

[5] 王風(fēng). 基于CC2530的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn) [D]. 西安電子科技大學(xué), 2012.

[6] 劉德全. 智能溫室溫濕度檢測實驗系統(tǒng)電路設(shè)計與仿真[J]. 實驗室研究與探索, 2015,02:92-95.

[7] 王顯維. 基于MQ-5和AT89C51的煤礦瓦斯監(jiān)測報警器的設(shè)計[J].黑龍江科技信息,2014, 13:108-109.