内容发布更新时间 : 2024/5/2 6:49:23星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
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基于Android平台和ZigBee的智能家居系统设计
作者：杨小燕 纪怀猛 周佳慧 张婉煌 来源：《数字技术与应用》2018年第02期
摘要：如今物联网技术飞速发展，极大的促进了WiFi和ZigBee协议栈技术在智能家居中的应用。本文应用Android手机来实现整个智能家居的系统的管理，通过WiFi无线通信技术实现协调器与手机端的通信，运用ZigBee协议栈的特点性质以及各种传感器作用，实现了远程温湿度信息采集、继电器控制等功能。实验表明，该系统能使整个智能家居系统能够安全稳定地运行。
关键词：智能家居；Android；ZigBee；无线网关
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0137-02 1 引言
随着物联网技术的迅速发展，人们对家居环境安全、舒适度的要求更高，智能家居[1]就是在这种时代需求下应运而生。与传统住宅相比，智能家居有利于人们对自己的时间的有效合理的安排，方便人们对住宅的控制和管理，使得家居生活愈加舒适便利。文献[2]提出了运用红外线通信技术组合建构智能家居的方法，但是由于红外线传输距离短、无法灵活组网的缺陷使其在智能家居的应用上受到了相当大的限制。文献[3-5]对基于蓝牙的智能家居系统设计进行了详细介绍，但是在较小的空间内使用较多的电器时，会出现多路信号的相互干扰问题。文献[6]提出使用WiFi技术对智能家居系统进行通讯设计，尽管可以实现家居环境的无线组网和对智能家居系统的控制，但是功耗却非常的大，成本也较高。
本文所提出的智能家居系统控制方案是利用WiFi技术来实现网关节点与Android手机端的之间的通信，网关节点和终端节点组成一个ZigBee网络，实现温湿度的信息采集，以及继电器的控制等功能。 2 系统总体设计
本文提出的基于Android的智能家居系统主要由Android手机端，无线路由器、无线网关节点以及带有各种传感器的终端节点组成。其网络拓扑结构如图1所示。
其中，无线网关是智能家居系统的“大脑”，由ZigBee协调器以及带有透传功能的WiFi模块组成。它是外部公共互联网与家庭内部互联网互通的枢纽，一方面ZigBee无线节点实时采集环境信息并传送给协调器，协调器将收到的数据封装成WiFi数据帧后传送到Android端进
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行显示；另一方面Android端将控制指令以数据帧的形式通过WiFi发送到协调器节点，协调器节点将数据帧解析成串口数据后发送到相应的ZigBee终端节点实现远程控制功能。 3 ZigBee网络的设计
ZigBee网络一般包括协调器、路由器和终端节点三种类型的逻辑设备组成。 3.1 ZigBee网络的协调器
每个ZigBee网络只能有一个ZigBee的协调器，由协调器选择一个信道和网络标识（PAN ID），然后开始组建这个网络。它具有网络的最高权限，是整个网络的维护者，因此它还可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以设计安全中心和执行其他动作，保持网络其他设备的通信。
3.2 ZigBee网络的路由器
路由器也叫中继，负责数据包转发以及寻找合适的路径。在大型的ZigBee网络中路由器可以出现一个或者多个组成一个MESH网络，但是在小型的ZigBee网络中也可不出现路由器。本文提出的智能家居系统就是一个以协调器为中心的星型网络，由协调器和终端节点直接进行通信。
3.3 ZigBee网络的终端节点
本文采用的是TI公司开发的基于8051内核TICC2530F256芯片的终端节点，该节点集成了一个高性能的RF收发器，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4 / RF4CE/ZigBee标准的低功耗局域网协议。
4 Android客户端软件设计与实现 4.1 智能家居客户端框架
智能家居系统的Android客户端软件是在Android Studio3.0平台下采用Java开发。为实验方便，本系统采用1个网关节点、1个搭载了DHT11温湿度传感器和MQ-2气体传感器的终端节点和1个搭载了DHT11温湿度传感器和松乐5V继电器的终端节点组成。图2展示了网络连接成功后，MQ-2气体传感器检测到有毒气体时客户端主界面的显示情况。 4.2 Android客户端与智能家居网关的通信
Android客户端与智能家居网关的通信是至关重要的一环，一般可采用TCP和UDP协议来处理数据的收发功能。因为对数据的可靠性要求很高，所以本文采用的是TCP协议。
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4.3 信息查询与控制的实现
Android客户端要实现对终端节点传感器信息的查询与控制，必须在Android客户端发往家居网关的数据报文中体现协调器与终端节点的通讯协议。如查询某个节点上灯的开关状态，报文组成如表1： 节点相应格式如表2：
发送：3A 00 01 38 23 返回：3A 01 00 3B 23 （执行成功） 开关单个节点上的灯的报文组成如表3所示：
响应报文的格式与发送报文相同。点亮灯报文的校验码为31，关闭灯报文的校验码为30如点亮节点地址为0001的灯报文如下：
发送：3A 00 01 0A 01 31 23 返回：3A 00 01 0A 01 31 23
用类似的方式可以实现对温湿度、烟雾传感器状态的查询和对继电器的控制，在此不再赘述。 5 结语
在本文提出的智能家居系统控制方案中，通过Android手机连接智能家居网关即可实现对家庭内部的环境信息实时监控和对家用电器实现实时控制，提高了人们对家居生活的体验。随着Android手机的普及和智能家居在国内外的发展与推广，利用Android手机作为智能家居的客户端将具有越来越大的优势和商业价值。 参考文献
[1]鹿曼.基于Android的智能家居控制系统的设计与实现[D].济南：山东建筑大学，2013. [2]林子昊.无线智能家居控制系统[J].无线互联科技，2014，（7）：83-84. [3]朱世浪.基于蓝牙的智能家居无线网[J].福建电脑，2006，（2）：12-13+11. [4]刘永富，焦斌亮，刘庆赟.基于蓝牙的智能家居控制系统[J].现代建筑电气，2010，（12）：13-18.
[5]吴由松，吴允强.蓝牙智能家居系统设计[J].电子测试，2017，（21）：12-13. [6]肖宛昂，苏高民，陆廷，等.一种由WiFi智能插座构成的智能家居[J].单片机与嵌入式系统应用，2014，（5）：46-48.