摘 要： 為了使家居系統(tǒng)更加人性化，設(shè)計(jì)了一種基于場(chǎng)景模式的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Android手機(jī)為監(jiān)控終端，以USB無線網(wǎng)卡、GPRS模塊和S3C2440構(gòu)成家庭網(wǎng)關(guān)，以nRF24LE1為家庭節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)模塊。介紹了該系統(tǒng)的無線組網(wǎng)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)硬件組成、網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序設(shè)計(jì)和Android監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 智能家居；Android；家庭網(wǎng)關(guān)
在歐美等西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家，智能家居已經(jīng)相當(dāng)普及。在中國(guó)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，智能家居也將成為家居發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。
目前部分智能家居集控裝置一般不具有場(chǎng)景模式功能，每次都需要對(duì)家電進(jìn)行單獨(dú)控制；同時(shí)部分具有場(chǎng)景模式功能的智能家居集控裝置中場(chǎng)景模式下的各個(gè)參數(shù)通常是固定不變的，使用極為不便[2]。
本文設(shè)計(jì)的基于場(chǎng)景模式的智能家居系統(tǒng)不僅具有場(chǎng)景控制功能，而且用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)置場(chǎng)景模式的參數(shù)。因此，本設(shè)計(jì)將為人們提供一個(gè)更加舒適的居住環(huán)境。
本文將無線組網(wǎng)技術(shù)與Android應(yīng)用開發(fā)相結(jié)合，通過以S3C2440為核心的家庭網(wǎng)關(guān)將Android手機(jī)與家庭設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)基于場(chǎng)景模式的智能家居系統(tǒng)。
1 總體設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端、智能家庭網(wǎng)關(guān)和家庭設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。
監(jiān)控終端可以顯示和控制家庭內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；家庭網(wǎng)關(guān)是監(jiān)控終端和家庭內(nèi)部設(shè)備之間通信的樞紐，并存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的配置文件，是整個(gè)系統(tǒng)的核心；家庭設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)際監(jiān)控。
2 家庭設(shè)備節(jié)點(diǎn)
2.1 節(jié)點(diǎn)硬件組成
系統(tǒng)家庭內(nèi)部組網(wǎng)所用的無線模塊是nRF24LE1。nRF24LE1采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術(shù)，在一個(gè)極小封裝中集成了包括2.4 GHz無線傳輸、增強(qiáng)型51 Flask高速單片機(jī)、豐富外設(shè)及接口等的單片F(xiàn)lash芯片，是一個(gè)綜合了性能及成本的完美結(jié)合，很適合應(yīng)用于各種2.4 GHz的產(chǎn)品設(shè)計(jì)[3]。
設(shè)備節(jié)點(diǎn)的組成如圖2所示。
節(jié)點(diǎn)中無線模塊用來接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的無線控制命令，并將監(jiān)控電路上傳的參數(shù)無線發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)；監(jiān)控電路是真正監(jiān)控家庭設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)體，其作用就是根據(jù)命令實(shí)施具體控制或者為用戶提取設(shè)備狀態(tài)；家庭設(shè)備包含家電設(shè)備（燈、空調(diào)等）、機(jī)械設(shè)備（水閥、機(jī)械按鈕等）和消防安防設(shè)備（如煙霧傳感、紅外人體感應(yīng)等）。
下面的示例節(jié)點(diǎn)可以簡(jiǎn)單地說明設(shè)備節(jié)點(diǎn)的硬件組成及工作原理。
圖3為照明控制節(jié)點(diǎn)原理圖。照明控制節(jié)點(diǎn)的無線控制模塊為nRF24LE1；控制電路由繼電器HRS4H-S-DC 5 V、三極管C8050和電阻R組成；家庭設(shè)備為一盞照明用燈。nRF24LE1內(nèi)部集成單片機(jī)的P0.0引腳向控制電路輸出0或1的控制信號(hào)，進(jìn)而控制照明燈供電線路的通斷。
圖3中的nRF24LE1代表完整的nRF24LE1應(yīng)用電路，包含了芯片外圍器件及線路。
2.2 無線模塊組網(wǎng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中所采用的無線模塊nRF24LE1內(nèi)置了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信協(xié)議控制和CRC糾錯(cuò)硬件電路， 數(shù)據(jù)編解碼和CRC產(chǎn)生及校驗(yàn)均由硬件完成。
但nRF24LE1不像ZigBee那樣有著成熟的組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。雖然Nordic為無線桌面及其他應(yīng)用設(shè)計(jì)推出了一套完整的無線通信協(xié)議——Gazell協(xié)議，但其所能承受的網(wǎng)絡(luò)最多為1個(gè)主機(jī)和6個(gè)外設(shè)，且主機(jī)只有收到外設(shè)數(shù)據(jù)包后才能發(fā)送數(shù)據(jù)到外設(shè)。其他研究機(jī)構(gòu)也有發(fā)表相關(guān)通信協(xié)議的論文，但他們所述的協(xié)議一般適用于數(shù)據(jù)量大、需要連續(xù)傳輸時(shí)的情況[3]。而此系統(tǒng)通信的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量小。
所以，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)適用于此系統(tǒng)的簡(jiǎn)單組網(wǎng)協(xié)議。鑒于此無線模塊所具有的一些通信協(xié)議功能，系統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)議主要從沖突避免的角度來考慮。設(shè)備節(jié)點(diǎn)的上傳數(shù)據(jù)流程如圖4所示。
微處理器S3C2440為用戶提供了低價(jià)格、低功耗、高性能的小型微控制器解決方案。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，S3C2440減少了整體系統(tǒng)成本，無需配置額外的組件[6]。
處理器上所運(yùn)行的Linux系統(tǒng)支持多用戶、多任務(wù)，具有良好的用戶界面和豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行[7]。
家庭網(wǎng)關(guān)中的協(xié)調(diào)器與設(shè)備節(jié)點(diǎn)中的無線模塊同樣也是nRF24LE1。它一方面通過無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行與通信，另一方面還通過串口與網(wǎng)關(guān)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
USB無線網(wǎng)卡和GPRS模塊為兩種外界通信路徑。無線網(wǎng)卡避免了網(wǎng)線對(duì)家庭環(huán)境的破壞；GPRS為用戶提供了另外一種不依賴于因特網(wǎng)的監(jiān)控方式，使得用戶在任何移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)普及的場(chǎng)所（當(dāng)下移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)幾乎已經(jīng)遍布每個(gè)角落）都能實(shí)現(xiàn)家庭監(jiān)控。
網(wǎng)關(guān)程序的流程如圖6所示。初始化包括串口初始化、網(wǎng)絡(luò)初始化和GPRS初始化。初始化完成后，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器就會(huì)進(jìn)入等待用戶連接請(qǐng)求的循環(huán)中。
網(wǎng)關(guān)會(huì)為每個(gè)登錄用戶創(chuàng)建一個(gè)處理線程。因此，此網(wǎng)關(guān)支持多用戶同時(shí)操作。
4 監(jiān)控終端
本系統(tǒng)采用一部Android手機(jī)作為監(jiān)控終端。在Windows系統(tǒng)搭建Android開發(fā)環(huán)境的步驟為：安裝JAVA JDK，解壓Eclipse，解壓Android SDK，在Eclipse下安裝ADT，設(shè)置Android SDK路徑。
用戶要監(jiān)控家庭設(shè)備，就必須與家庭網(wǎng)關(guān)建立連接。網(wǎng)關(guān)登錄界面如圖7所示。
界面輸入信息中除了網(wǎng)關(guān)的IP和port，還有用于驗(yàn)證用戶信息的用戶名和密碼。這樣可以有效提高系統(tǒng)的安全等級(jí)。
網(wǎng)關(guān)登錄分為網(wǎng)絡(luò)登錄和短信登錄。在有WIFI信號(hào)時(shí)，可以直接用網(wǎng)絡(luò)登錄。但是在一些沒有無線網(wǎng)絡(luò)可用的場(chǎng)合，用戶就只能通過短信的方式登錄網(wǎng)關(guān)。在短信登錄時(shí)，用戶只需輸入正確的用戶名和密碼即可。
當(dāng)用戶成功登錄到家庭網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)就會(huì)為用戶建立服務(wù)線程。此時(shí)，用戶可以在監(jiān)控界面對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。
為了方便用戶操作，將控制、監(jiān)測(cè)、場(chǎng)景和設(shè)置分為4個(gè)界面，并將其放在一個(gè)TabHost中，如圖8所示。
本系統(tǒng)中，用戶可以在控制界面單獨(dú)控制每個(gè)家電，可以在監(jiān)測(cè)界面采集家庭溫濕度、獲取家庭煙霧和人體感應(yīng)的報(bào)警信息。
場(chǎng)景界面是根據(jù)用戶的點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)場(chǎng)景模式，并控制相應(yīng)家庭設(shè)備進(jìn)入這一種場(chǎng)景進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作。
設(shè)置界面是設(shè)定每一種場(chǎng)景模式可監(jiān)控哪些家電設(shè)備，在界面上可對(duì)每一種設(shè)備添加或刪除。這種添加或刪除通過修改網(wǎng)關(guān)的配置文件來實(shí)現(xiàn)。
5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)與結(jié)論
本系統(tǒng)共實(shí)現(xiàn)7個(gè)節(jié)點(diǎn)：燈（3盞）、窗簾、空調(diào)、投影儀、煙霧報(bào)警、溫濕度傳感、紅外人體感應(yīng)；共設(shè)計(jì)6種模式：起床、上班、下班、晚餐、影院和睡眠。
在每一種模式下，對(duì)應(yīng)不同的電器協(xié)調(diào)運(yùn)作方式。如起床模式：1號(hào)燈打開，窗簾打開，安防系統(tǒng)撤防。當(dāng)某一模式不符合用戶需求時(shí)，用戶可以根據(jù)自身要求來修改模式內(nèi)容。而進(jìn)入場(chǎng)景模式是通過簡(jiǎn)單的Android手機(jī)界面按鍵觸發(fā)。所以，本文中的基于場(chǎng)景模式的智能家居系統(tǒng)，不但具有了一般智能家居系統(tǒng)的智能化監(jiān)控功能，還更加符合人性化需求。
參考文獻(xiàn)
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