張月霞12 張玉宣12 王加慶12

（1.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100101；

2.北京信息科技大學(xué)北京高動態(tài)導(dǎo)航技術(shù)重點實驗室，北京 100101）

基于TD－LTE和Android技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

張月霞1，2， 張玉宣1，2， 王加慶1，2

（1.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100101；

2.北京信息科技大學(xué)北京高動態(tài)導(dǎo)航技術(shù)重點實驗室，北京 100101）

隨著科技水平和生活水平的提高，人們對居住環(huán)境提出了更高的要求，智能家居系統(tǒng)應(yīng)運而生；設(shè)計了一種基于TD－LTE和Android系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用各種傳感器監(jiān)測家庭環(huán)境，并通過TD－LTE網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至用戶手機，用戶通過Android客戶端可以隨時隨地的掌握家居環(huán)境的情況；該系統(tǒng)利用了第四代移動通信技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得其數(shù)據(jù)通信速率大大提高，適用群體范圍增大，可以遠程監(jiān)控家居設(shè)備，提供了安全、舒適和便捷的生活環(huán)境，極大地提升了家居生活品質(zhì)。該系統(tǒng)硬件設(shè)備簡單可靠，成本較低，易于擴展。

智能家居；TD－LTE；Android；傳感器；嵌入式

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們的物質(zhì)和文化生活需求也日益增長，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，智能家居系統(tǒng)應(yīng)運而生。智能家居系統(tǒng)融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等信息技術(shù)，以家庭通信平臺為基礎(chǔ)，將家中的各種智能設(shè)備連接起來，進行遠程控制與管理，使得生活更加舒適和便利［2］。因此，智能家居系統(tǒng)正成為未來社會發(fā)展的趨勢。

第四代（4G）移動通信技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為智能家居系統(tǒng)提供了新的騰飛的平臺。TD－LTE技術(shù)是由中國主導(dǎo)制定的第四代移動通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、通信速度更快、覆蓋范圍廣、兼容性強、使用更加靈活方便、資費便宜、更加適合高質(zhì)量的多媒體通信。Android技術(shù)是當(dāng)前最為流行的開放的移動互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，該技術(shù)由于具有開原性、可擴展性、低功耗、綠色環(huán)保等特點而備受青睞。隨著4G智能手機的廣泛普及，基于4G和Android技術(shù)的智能家居系統(tǒng)成為當(dāng)前研究的熱點。

本文設(shè)計了一種基于TD－LTE和Android系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用各種傳感器監(jiān)測家庭環(huán)境，并通過TDLTE網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至用戶手機，用戶通過Android客戶端可以隨時隨地的掌握家居環(huán)境的情況。該系統(tǒng)利用了第四代移動通信技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得其數(shù)據(jù)通信速率大大提高，適用群體范圍增大，可以遠程監(jiān)控家居設(shè)備，提供了安全、舒適和便捷的生活環(huán)境，極大的提升了家居生活品質(zhì)。該系統(tǒng)硬件設(shè)備簡單可靠，成本較低，易于擴展。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)由智能家居控制中心、智能網(wǎng)關(guān)、各種傳感器、智能家具、智能報警和Android客戶端組成，其組成見圖1。

圖1 智能家居系統(tǒng)框圖

智能家居控制中心是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)管理整個網(wǎng)絡(luò)，包括各個傳感器節(jié)點的接入和退出，對其數(shù)據(jù)進行分析處理，并將分析結(jié)果通過TD－LTE網(wǎng)絡(luò)傳送給Android客戶端，也可以將其結(jié)果在本地進行顯示。

Android客戶端安裝在用戶手機上，可以接收智能家居控制中心發(fā)送來的監(jiān)控信息。同時，用戶也可以通過Android客戶端對智能家具進行控制，其控制信息通過TD－LTE網(wǎng)絡(luò)先傳送給智能家居控制中心，然后再通過智能網(wǎng)關(guān)傳送至智能家具。

家庭內(nèi)部的環(huán)境信息，如溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度和紅外信息等可以通過對應(yīng)的傳感器探測得到，并通過Zigbee無線傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)，然后傳送到智能家居控制中心［3 7］。當(dāng)家庭內(nèi)部環(huán)境信息超于設(shè)定的門限值時，就會進行本地報警，報警信息也會傳送至用戶手機。

該智能家居系統(tǒng)也可以對智能家具如空調(diào)、洗衣機、電視、電飯煲等進行控制，其控制信息由智能家居控制中心經(jīng)過智能網(wǎng)關(guān)，通過Zigbee傳送至智能家居，實現(xiàn)對它們的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該智能家居系統(tǒng)硬件平臺采用嵌入式結(jié)構(gòu)，以ARM核心芯片作為微處理器，外加Zigbee無線通信模塊、TD－LTE無線通信模塊、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、智能家具控制開關(guān)、蜂鳴器、觸摸屏外圍電路和智能手機測試終端等，其組成圖如圖2所示。

圖2 智能家居硬件組成圖

該智能家居系統(tǒng)中，ARM核心處理器是整個系統(tǒng)中心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制，其他的硬件設(shè)備通過串口、USB等接口與其進行通信。本系統(tǒng)中核心處理器采用S3C2400芯片，其CPU采用ARM920T核心架構(gòu)，由Flash、SDRAM、電源、復(fù)位芯片和豐富的外圍設(shè)備等組成。

Zigbee模塊主要負(fù)責(zé)各種傳感器和智能家具與ARM處理器的通信，在每個傳感器和智能家具上均安裝有Zigbee模塊。本系統(tǒng)采用TI公司的CC2530模塊，其工作在2.4 GHz，具有較強的抗干擾性能，接收靈敏度較高。

該智能家居系統(tǒng)中采用了DHT11作為溫濕度傳感器、MQ－2作為煙霧傳感器，分別用來監(jiān)測家居中的溫度、濕度、有害氣體信息，并給每個模塊設(shè)定了門限值，超過閾值時，系統(tǒng)就會報警。系統(tǒng)中對這些環(huán)境的監(jiān)測信息可以及時發(fā)送到用戶手機上。

另外，系統(tǒng)通過紅外傳感器來探測人體的紅外輻射，可以實時監(jiān)控家中是否有人侵入，有人侵入時，將會報警，實現(xiàn)對家庭安全監(jiān)控。

2.1 溫濕度傳感器

DHT11［8］可以對環(huán)境溫濕度進行監(jiān)測，并將收集到的溫濕度信息轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給Zigbee模塊［8］。

DHT11內(nèi)置了一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并將測濕度器件和測溫度器件用電線與高性能8位單片機相連接，這樣使傳感器可以快速測試感知到周圍和內(nèi)部溫度與濕度的微小變化，所以它具有較高的靈敏度與很高的穩(wěn)定性，而且成本不高，抗干擾能力強。DHT11硬件電路圖如圖3所示。

圖3 DHT11硬件電路圖

DHT11模塊的溫濕度監(jiān)測功能主要由4個分傳感器實現(xiàn)，分別是：

1）溫度上限感應(yīng)器：環(huán)境溫度報警上限使用溫度上限感應(yīng)器進行調(diào)節(jié)。溫度上限感應(yīng)器與Zigbee模塊連接，可以向核心板發(fā)送溫度信息，并從核心板接收操作控制信息，改變溫度門限值。

2）溫度下限感應(yīng)器：溫度下限感應(yīng)器與溫度上限感應(yīng)器的工作原理相同，因為DHT11溫濕度感應(yīng)器不能利用單一的感應(yīng)器實現(xiàn)上、下門限的同時設(shè)置，所以需要兩個傳感器進行設(shè)計調(diào)節(jié)。

3）濕度上限感應(yīng)器：濕度上限感應(yīng)器與溫度上限感應(yīng)器的設(shè)計原理相同，一般設(shè)計值為90%。

4）濕度下限感應(yīng)器：濕度下限感應(yīng)器與溫度下限感應(yīng)器的設(shè)計原理相同，一般設(shè)計值為0或10%。

2.2 煙霧傳感器

MQ－2煙霧傳感器是一種典型的體電阻控制型氣敏器件。當(dāng)被測氣體濃度升高時，其阻值會隨之升高。它通過將氣體濃度信號轉(zhuǎn)換為電信號傳遞信息［9］。MQ－2傳感器是一種半導(dǎo)體氣敏傳感器，相對于其他傳感器具有更好的抗干擾能力。其硬件電路如圖4所示。

圖4 MQ－2硬件電路圖

該智能家居系統(tǒng)利用MQ－2煙霧傳感器的煙霧監(jiān)控功能實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警的功能，當(dāng)環(huán)境溫度超過煙霧傳感器探測門限溫度時，煙霧傳感器便會向核心板發(fā)送告警信號。

2.3 紅外傳感器

紅外傳感器通過內(nèi)置的紅外濾光片可以實現(xiàn)對紅外線的探測，探測范圍為7～10μm［10］。人體可以對外輻射紅外線，波長的范圍為9～10μm。因此，紅外傳感器可以進行人體探測，實現(xiàn)了防盜功能。當(dāng)住宅中有人闖入，紅外傳感器將會向核心板發(fā)送有人闖入的信號進行報警。

紅外傳感器電路圖如圖5所示。

圖5 紅外傳感器電路圖

2.4 LTE模塊

LTE相比于2G／3G通信系統(tǒng)，具有帶寬更寬、資源配置靈活和后向兼容等優(yōu)點。ZM8620是4G通信模塊，集成了與其他傳感器或芯片相連的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口以及可以將傳感器實時的溫度濕度的指數(shù)情況用SIM卡發(fā)送到用戶手機上［11-12］。除此之外，此通信模塊還可以在計算機上輸入控制命令，將信號命令利用與計算機相連的數(shù)據(jù)線串口對它進行設(shè)置改造。

3 軟件平臺實現(xiàn)

3.1 軟件整體設(shè)計

智能家居控制器操作系統(tǒng)選用開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過裁減后移植到控制器硬件平臺上。該智能家居控制器將Linux、ARM系統(tǒng)、手機模塊和Zigbee模塊組成一個整體，構(gòu)成了一個功能齊全的嵌入式系統(tǒng)，利用Zigbee技術(shù)輕松實現(xiàn)家庭內(nèi)部多節(jié)點的無線連接。軟件部分主要對核心芯片進行編程，完成對各項指標(biāo)參數(shù)的顯示及控制。

智能家居控制器的功能為：

1）是智能家居系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對整個智能家居系統(tǒng)的控制；

2）利用Zigbee傳感器節(jié)點監(jiān)測各種故障報警數(shù)據(jù)（火災(zāi)、盜竊等），并自動向設(shè)定的手機號碼發(fā)送短信；

3）控制器通過無線Zigbee模塊與其它節(jié)點進行通信和控制；

4）控制器通過4G模塊將用戶家中狀況用戶可通過手機遠程監(jiān)控家庭中的多種家居設(shè)備。

智能家居中各個智能家具通過Zigbee模塊將監(jiān)測到的環(huán)境信息傳輸?shù)娇刂破?，控制器進行各種數(shù)據(jù)的顯示，并進行綜合管理（如故障處理、報警等），并將信息傳送到用戶的手機上和小區(qū)物業(yè)平臺上。

智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖

3.2 傳感器調(diào)試

該智能家居系統(tǒng)所使用的平臺提供了配套的串口調(diào)試助手。所有傳感器均需要經(jīng)過源代碼編譯并通過CC2530的zstack驅(qū)動實現(xiàn)功能。

3.2.1 DHT11

DHT11集采的信息需要通過電波的方式將信息傳送到協(xié)調(diào)器，而后協(xié)調(diào)器將其打印出來在串口調(diào)試助手上實現(xiàn)顯示。調(diào)試步驟如下：

1）將裸機程序里面的DHT11.c和DHT11.h文件復(fù)制到SAMPLEAPPDHT11——Source文件夾下；

2）在協(xié)議棧的APP目錄樹下DHT11.c文件；

3）實驗在點播例程的基礎(chǔ)上完成，實驗最主要的技術(shù)便為點播，故函數(shù)編程也是像以前一樣在SAMPLEAPP.c上進行；

4）初始化傳感器引腳P0.6；

5）將原來的延時函數(shù)改成協(xié)議棧自帶的延時函數(shù)；

6）將數(shù)據(jù)打包，并按軟件指定的方式發(fā)送給相對應(yīng)的設(shè)備。

3.2.2 MQ－2煙霧傳感器

MQ－2煙霧傳感器的調(diào)試與DHT11的操作步驟基本相同，先在PC平臺的程序中對MQ－2的電路進行檢測，然后通過串口調(diào)試工具在將MQ－2傳感器的程序加入?yún)f(xié)議棧，實現(xiàn)傳感器集采數(shù)據(jù)正常傳遞到Zigbee模塊中。調(diào)試步驟如下：

1）在裸機上完成對煙霧傳感器的驅(qū)動在MQ－2的主程序中加入調(diào)用初始化代碼：

Init Led（）；／／對初始化函數(shù)進行調(diào)用

Air Init（）；

程序代碼實現(xiàn)了當(dāng)煙霧傳感器檢測到環(huán)境中含有煙霧或有毒氣體時LED紅燈亮起，沒有煙霧時LED紅燈熄滅。

2）將程序添加到協(xié)議棧代碼中，因為煙霧傳感器電路是對IO口電平的檢測，所以在協(xié)議棧里檢測程序比較簡單，只需要配置好IO口，然后周期性檢測就可以了。

3）將程序加入?yún)f(xié)議棧后，將程序下載到協(xié)調(diào)器，便可以實現(xiàn)設(shè)計功能。

3.2.3 紅外傳感器

紅外傳感器的調(diào)試工作也與之前的傳感器調(diào)試步驟相同。調(diào)試步驟如下：

1）在裸機上完成對紅外傳感器的驅(qū)動。在紅外傳感器的程序中需要加入以下程序，以實現(xiàn)傳感器對有人或無人的判斷功能。

if（PeopleScan（））／／改變LED狀態(tài)

LED1＝1；／／傳感器檢測無人，LED紅燈滅掉e

lse

LED1＝0；／／傳感器檢測有人，LED紅燈點亮

2）將程序添加到協(xié)議棧代碼中。

3）實現(xiàn)功能。

3.3 代碼實現(xiàn)

核心芯片通過編寫的代碼對傳感器采集到的信息進行處理，完成對所采集到信息進行實時的顯示并且可以通過GSM模塊發(fā)送給固定的手機，部分源代碼如下：

4 實驗結(jié)果

該智能家居系統(tǒng)使用的CC2530核心板可以通過按鍵對系統(tǒng)的功能進行設(shè)置。在使用系統(tǒng)前用戶可以通過自己的需要設(shè)置溫濕度門限、煙霧濃度門限與紅外探測開關(guān)。

當(dāng)環(huán)境溫度超過門限溫度，裝有溫濕度傳感器的Zigbee模塊便會發(fā)出蜂鳴報警，紅色LED也會亮起。協(xié)調(diào)器也會接收到報警信息并通過GSM模塊將實時溫度通過短信發(fā)送給用戶，實現(xiàn)對家庭環(huán)境溫濕度的監(jiān)測。

當(dāng)煙霧濃度超過門限濃度，Zigbee模塊便會發(fā)出蜂鳴報警，紅色警燈也會亮起。協(xié)調(diào)器也會接收到報警信息并通過GSM模塊將實時溫度通過短信發(fā)送給用戶，實現(xiàn)對家庭環(huán)境煙霧濃度的監(jiān)測。

紅外傳感器的開啟和關(guān)閉可以在核心板上進行手動控制，當(dāng)紅外傳感器處于開啟狀態(tài)時，一旦檢測到人體發(fā)出的紅外線，Zigbee模塊就會報警，協(xié)調(diào)器也會接收到報警信息并通過GSM模塊將信息發(fā)送給用戶，實現(xiàn)對家庭環(huán)境安全性的檢測。智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于TD－LTE和Android系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用各種傳感器監(jiān)測家庭環(huán)境，并通過TDLTE網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至用戶手機，用戶通過Android客戶端可以隨時隨地的掌握家居環(huán)境的情況。該系統(tǒng)利用了第四代移動通信技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得其數(shù)據(jù)通信速率大大提高，適用群體范圍增大，可以遠程監(jiān)控家居設(shè)備，提供了安全、舒適和便捷的生活環(huán)境，極大地提升了家居生活品質(zhì)。該系統(tǒng)硬件設(shè)備簡單可靠，成本較低，易于擴展。

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Design of Smart Home System Based onTD－LTE and Android Technology

Zhang Yuexia1，2，Zhang Yuxuan1，2，Wang Jiaqing1，2

（1.School of Information and Communication Engineering，Beijing University of Information Science＆Technology，Beijing 100101，China；2.Beijing Key Laboratory of High Dynamic Navigation Technology，Beijing University of Information Science＆Technology，Beijing 100101，China）

With the improvement of science technology and living standard，people put forward higher requirements for living environment，smart home system came into being.In this paper，it designs a smart home system based on TD－LTE and Android technology，which uses a variety of sensors to monitor the home environment，and sends the information to the mobile phone users through the TD－LTE network.Users can master the home environment situation at anytime and anywhere through the Android client.Because of the use of 4G and Android technology，the data communication rate of the system is greatly improved.The application of the system is increasing.The system can remotely monitor the home equipment，provide a safe，comfortable and convenient living environment，and greatly improve the quality of home life.The hardware of the system is simple，reliable，and is low cost，and is easy to expand.

urban traffic；smart home system；TD－LTE；Android；sensors；embedded

1671-4598（2016）08-0182-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.049

：TP212

：A

2016-01-09；

：2016-02-10。

北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進與培養(yǎng)計劃項目（CIT＆TCD201504058）；國家自然科學(xué)基金（61261160497）；北京市平臺建設(shè)項目（71R1411008）；國家自然科學(xué)基金重點項目（51334003）；高動態(tài)導(dǎo)航北京市實驗室開放課題（HDN2014004）；北京市教委市屬高校創(chuàng)新能力提升計劃項目（PXM2013_014224_000093）。

張月霞（1978-），女，河南安陽人，副教授，研究生導(dǎo)師，主要從事移動通信、衛(wèi)星通信和無線定位方向的研究。