楊小燕　紀(jì)懷猛　周佳慧　張婉煌

摘要：如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，極大的促進了WiFi和ZigBee協(xié)議棧技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用。本文應(yīng)用Android手機來實現(xiàn)整個智能家居的系統(tǒng)的管理，通過WiFi無線通信技術(shù)實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與手機端的通信，運用ZigBee協(xié)議棧的特點性質(zhì)以及各種傳感器作用，實現(xiàn)了遠程溫濕度信息采集、繼電器控制等功能。實驗表明，該系統(tǒng)能使整個智能家居系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運行。

關(guān)鍵詞：智能家居；Android；ZigBee；無線網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0137-02

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對家居環(huán)境安全、舒適度的要求更高，智能家居[1]就是在這種時代需求下應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)住宅相比，智能家居有利于人們對自己的時間的有效合理的安排，方便人們對住宅的控制和管理，使得家居生活愈加舒適便利。文獻[2]提出了運用紅外線通信技術(shù)組合建構(gòu)智能家居的方法，但是由于紅外線傳輸距離短、無法靈活組網(wǎng)的缺陷使其在智能家居的應(yīng)用上受到了相當(dāng)大的限制。文獻[3-5]對基于藍牙的智能家居系統(tǒng)設(shè)計進行了詳細介紹，但是在較小的空間內(nèi)使用較多的電器時，會出現(xiàn)多路信號的相互干擾問題。文獻[6]提出使用WiFi技術(shù)對智能家居系統(tǒng)進行通訊設(shè)計，盡管可以實現(xiàn)家居環(huán)境的無線組網(wǎng)和對智能家居系統(tǒng)的控制，但是功耗卻非常的大，成本也較高。

本文所提出的智能家居系統(tǒng)控制方案是利用WiFi技術(shù)來實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點與Android手機端的之間的通信，網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端節(jié)點組成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)溫濕度的信息采集，以及繼電器的控制等功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文提出的基于Android的智能家居系統(tǒng)主要由Android手機端，無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及帶有各種傳感器的終端節(jié)點組成。其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，無線網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的“大腦”，由ZigBee協(xié)調(diào)器以及帶有透傳功能的WiFi模塊組成。它是外部公共互聯(lián)網(wǎng)與家庭內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)互通的樞紐，一方面ZigBee無線節(jié)點實時采集環(huán)境信息并傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)封裝成WiFi數(shù)據(jù)幀后傳送到Android端進行顯示；另一方面Android端將控制指令以數(shù)據(jù)幀的形式通過WiFi發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)幀解析成串口數(shù)據(jù)后發(fā)送到相應(yīng)的ZigBee終端節(jié)點實現(xiàn)遠程控制功能。

3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點三種類型的邏輯設(shè)備組成。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器

每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個ZigBee的協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器選擇一個信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識（PAN ID），然后開始組建這個網(wǎng)絡(luò)。它具有網(wǎng)絡(luò)的最高權(quán)限，是整個網(wǎng)絡(luò)的維護者，因此它還可以保持間接尋址用的表格綁定，同時還可以設(shè)計安全中心和執(zhí)行其他動作，保持網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器

路由器也叫中繼，負責(zé)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)以及尋找合適的路徑。在大型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中路由器可以出現(xiàn)一個或者多個組成一個MESH網(wǎng)絡(luò)，但是在小型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中也可不出現(xiàn)路由器。本文提出的智能家居系統(tǒng)就是一個以協(xié)調(diào)器為中心的星型網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點直接進行通信。

3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點

本文采用的是TI公司開發(fā)的基于8051內(nèi)核TICC2530F256芯片的終端節(jié)點，該節(jié)點集成了一個高性能的RF收發(fā)器，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4 / RF4CE/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。

4 Android客戶端軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 智能家居客戶端框架

智能家居系統(tǒng)的Android客戶端軟件是在Android Studio3.0平臺下采用Java開發(fā)。為實驗方便，本系統(tǒng)采用1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點、1個搭載了DHT11溫濕度傳感器和MQ-2氣體傳感器的終端節(jié)點和1個搭載了DHT11溫濕度傳感器和松樂5V繼電器的終端節(jié)點組成。圖2展示了網(wǎng)絡(luò)連接成功后，MQ-2氣體傳感器檢測到有毒氣體時客戶端主界面的顯示情況。

4.2 Android客戶端與智能家居網(wǎng)關(guān)的通信

Android客戶端與智能家居網(wǎng)關(guān)的通信是至關(guān)重要的一環(huán)，一般可采用TCP和UDP協(xié)議來處理數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。因為對數(shù)據(jù)的可靠性要求很高，所以本文采用的是TCP協(xié)議。

4.3 信息查詢與控制的實現(xiàn)

Android客戶端要實現(xiàn)對終端節(jié)點傳感器信息的查詢與控制，必須在Android客戶端發(fā)往家居網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)報文中體現(xiàn)協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點的通訊協(xié)議。如查詢某個節(jié)點上燈的開關(guān)狀態(tài)，報文組成如表1：

節(jié)點相應(yīng)格式如表2：

發(fā)送：3A 00 01 38 23 返回：3A 01 00 3B 23 （執(zhí)行成功）

開關(guān)單個節(jié)點上的燈的報文組成如表3所示：

響應(yīng)報文的格式與發(fā)送報文相同。點亮燈報文的校驗碼為31，關(guān)閉燈報文的校驗碼為30如點亮節(jié)點地址為0001的燈報文如下：

發(fā)送：3A 00 01 0A 01 31 23 返回：3A 00 01 0A 01 31 23

用類似的方式可以實現(xiàn)對溫濕度、煙霧傳感器狀態(tài)的查詢和對繼電器的控制，在此不再贅述。

5 結(jié)語

在本文提出的智能家居系統(tǒng)控制方案中，通過Android手機連接智能家居網(wǎng)關(guān)即可實現(xiàn)對家庭內(nèi)部的環(huán)境信息實時監(jiān)控和對家用電器實現(xiàn)實時控制，提高了人們對家居生活的體驗。隨著Android手機的普及和智能家居在國內(nèi)外的發(fā)展與推廣，利用Android手機作為智能家居的客戶端將具有越來越大的優(yōu)勢和商業(yè)價值。

參考文獻

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