江新道 張芹
摘要:本文提出一種基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居終端系統(tǒng)方案,智能家居本地網(wǎng)關(guān)部分由ZigBee無線傳感器與家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)組成,基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備,通過控制終端軟件與家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)連接,并通過本地網(wǎng)關(guān)獲取信息和控制智能家居設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)。其核心是解決移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與智能家居設(shè)備之間的相互通信。
關(guān)鍵詞: 智能家居;移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng);ZigBee;Android
中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2018)18-0169-04
Mobile Internet-based Smart Home Terminal System Design
JIANG Xin-dao,ZHANG Qin
(Anhui Vocational College of Electronic and Information Technology, Bengbu 233060, China)
Abstract: This paper proposes a mobile Internet-based smart home terminal system solutions , smart home will be part of a local gateway with ZigBee wireless sensor network of home broadband , mobile Internet-based smart devices, via the control terminal software and home broadband internet connection, and access to and control through a local gateway smart home devices , enabling mobile Internet-based smart home system . Its core is the solution to the mobile Internet terminal equipment and smart home devices to communicate with each other .
Key words: smart home;mobile Internet;ZigBee;Android
1 整體框架設(shè)計(jì)
整個(gè)智能家居框架結(jié)構(gòu)由三部分組成:ZigBee本地網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)和智能終端,如圖1。其中,ZigBee本地網(wǎng)絡(luò)由若干ZigBee無線模塊連接家中的各種設(shè)備,用以采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信號(hào)。家庭網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)連接本地網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制終端,內(nèi)(ZigBee)外(TCP/IP)網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和家居基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理,是整個(gè)家居系統(tǒng)的核心組件。
2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu),供電方式選擇直流供電。移動(dòng)終端設(shè)備與家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交互采用http超文本傳輸方式,具體流程如圖2。
智能家居設(shè)備通過傳感器采集溫度、壓力等數(shù)據(jù),經(jīng)I/O接口與ZigBee相連,通過ZigBee協(xié)議將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳送給家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)的ZigBee模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。
網(wǎng)關(guān)與ZigBee適配器之間的I/O接口選擇串口接口(兼容性更好)。其控制過程如圖4所示。
ZigBee模塊設(shè)計(jì):
本文選用CC2430芯片作為主要部件,再配合晶振時(shí)鐘電路和射頻電路,可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。CC2430的典型應(yīng)用電路如圖5所示。
數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì):因?yàn)橐獙?duì)設(shè)備進(jìn)行管理,所以要在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加設(shè)備管理表。同時(shí)還要對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行設(shè)置,因此還要有權(quán)限管理表。網(wǎng)關(guān)部分的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如圖6所示:
功能框架設(shè)計(jì):整個(gè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由用戶管理、設(shè)備管理、終端管理、權(quán)限管理和日志管理5大管理模塊組成。
3 終端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 終端數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)利用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取功能
1) 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):家居設(shè)備表用來存儲(chǔ)家居設(shè)備的信息,諸如編號(hào)、名稱、IP地址等。其中,設(shè)備的類型指所使用的傳感器的類型。操作類型則是指允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行的操作,如電器設(shè)備的開、關(guān)等。設(shè)備狀態(tài)表用來存儲(chǔ)某設(shè)備某時(shí)間段的狀態(tài)。
2) 數(shù)據(jù)庫(kù)代碼實(shí)現(xiàn):由于Android系統(tǒng)的開放性, SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)用戶僅需繼承其提供的開放接口,就能實(shí)現(xiàn)SQLite數(shù)據(jù)的基本操作。數(shù)據(jù)操作類結(jié)構(gòu)見圖8。
具體代碼如下:
3) 控制系統(tǒng)功能框架設(shè)計(jì):控制系統(tǒng)由五大模塊組成,分別是登錄、開關(guān)、溫度、監(jiān)控和計(jì)量模塊。各模塊之間的結(jié)構(gòu)如圖9所示。
4) 登錄模塊:實(shí)現(xiàn)終端用戶的身份認(rèn)證。用戶登錄流程見圖10。
(1)用戶登錄:通過Android系統(tǒng)打開登錄界面,輸入用戶名和密碼,該數(shù)據(jù)通過Android系統(tǒng)提交給家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行比對(duì)處理,再反饋給Android用戶界面。
(2)用戶注冊(cè):通過Android系統(tǒng)打開登錄界面,輸入新的用戶名并設(shè)置新的密碼,數(shù)據(jù)通過Android系統(tǒng)提交給家庭網(wǎng)關(guān)比對(duì)、存儲(chǔ),處理后再反饋回Android界面。
(3)家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的獲?。和ㄟ^超文本傳輸協(xié)議HTTP訪問家庭網(wǎng)關(guān),通過HttpPost向家庭網(wǎng)關(guān)提交數(shù)據(jù)請(qǐng)求,家庭網(wǎng)關(guān)首先要對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行判斷,然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后將處理的結(jié)果再次通過HTTP協(xié)議反饋給終端設(shè)備。具體處理流程見圖11,代碼如下:
5)主控模塊 負(fù)責(zé)智能家居設(shè)備的管理工作。
一方面,用戶通過Android終端控制器向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制信息,家庭網(wǎng)關(guān)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將控制信息發(fā)送給指定的家居設(shè)備;另一方面家居設(shè)備也可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù),再由家庭網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到Android終端上,通過Android界面顯示。數(shù)據(jù)交互過程見圖12:
3.2 模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1)登錄模塊:用戶通過登錄模塊進(jìn)入遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),進(jìn)入控制界面。登錄流程見圖13:
用戶打開系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)登錄界面(見圖14左圖),如注冊(cè)新用戶,則彈出右側(cè)注冊(cè)界面。
2)主控模塊:負(fù)責(zé)完成對(duì)智能家居的控制。具體流程如圖15所示:
當(dāng)用戶進(jìn)入主控模塊,則可實(shí)現(xiàn)對(duì)家中各房間的控制,主控界面見圖16。
進(jìn)入房間后,可以對(duì)房間內(nèi)各智能家居設(shè)備,如燈具的開關(guān),空調(diào)的開關(guān)、視頻監(jiān)控等進(jìn)行控制。同時(shí),用戶還可以新建房間,也可以自定義房間圖標(biāo)顯示的房間信息。
3) 溫度監(jiān)控:溫度監(jiān)控過程如圖17所示:
4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析
4.1 硬件環(huán)境
Zigbee模塊采用廣州星博技術(shù)公司生產(chǎn)的無線智能控制板(圖18);智能網(wǎng)關(guān)采用高性能計(jì)算機(jī)一臺(tái)(CPU四核 2.4GHz, 內(nèi)存8GB,硬盤1TB);終端選擇華為榮耀8和紅米5兩款手機(jī);家居設(shè)備:松下P50U30C電視機(jī)*1,攝像頭*2,溫控電路模塊*2,戴爾Vostro14-5480筆記本電腦*1,光控電路模塊*2,開關(guān)控制器*4,串口調(diào)試器*1。
4.2 軟件環(huán)境
家庭網(wǎng)關(guān)端:操作系統(tǒng)采用Windows 2008 Server并安裝數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件MSSQL2008;移動(dòng)終端采用安卓操作系統(tǒng),同時(shí)開啟GPRS。
4.3 測(cè)試結(jié)果分析
1)開關(guān)監(jiān)控:較為成功地實(shí)現(xiàn)了家居開關(guān)狀態(tài)的管理。本次實(shí)驗(yàn)主要目的是分析開關(guān)狀態(tài)切換的延遲對(duì)操作結(jié)果的影響,共進(jìn)行4組,每組5次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3:
實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)切換間隔很短,會(huì)造成開關(guān)操作失敗。原因分析:1)網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)需要一定的時(shí)間進(jìn)行處理; 2)開關(guān)控制器也有響應(yīng)時(shí)間。這對(duì)我們網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)提出要求:必須充分考慮開關(guān)切換時(shí)間間隔問題。
2)溫度監(jiān)控:測(cè)試過程同上。主要問題:1)溫度采集區(qū)域差異性,如臥室與客廳存在溫度差異;2)溫度傳感器的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致每次獲取的溫度有差異。
3)視頻監(jiān)控:本次實(shí)驗(yàn)主要分析視頻信號(hào)傳送中,清晰度與流暢度之間的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4:
實(shí)驗(yàn)結(jié)果:視頻采集清晰度高則畫面的流暢度就差。原因:當(dāng)視頻采集的像清晰度提高,則需傳送的數(shù)據(jù)量就增大,而對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬不變,所以畫面變得不夠流暢。解決方法:在家庭網(wǎng)關(guān)部分加入圖像壓縮技術(shù)。
5進(jìn)一步的工作
本文通過Android操作系統(tǒng)、ZigBee無線通信和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)基本功能。但實(shí)現(xiàn)的主控模塊相對(duì)較少,僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備開關(guān)、視頻監(jiān)控的控制。進(jìn)一步的工作目標(biāo)為:1)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的較高級(jí)控制,如對(duì)家用電腦的控制。2)嘗試ZigBee和WIFI混合,提高組網(wǎng)靈活性。
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