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摘 要：在未来世界的家居生活中，智能家居是不可扭转的趋势，它使得人们的生活更加便利、舒适和安全。根据人们实际生活的需求，结合Android平台、ZigBee无线传感技术与ARM技术，设计与实现了智能家居控制系统，该系统可以实现家用电器的开关，窗帘、窗户或者帷幕等电机开关的控制，还可以采集环境信息，具有家庭安防的功能。实践表明：本系统操作简单，性能稳定，易于升级和维护。
关键词：智能家居；ZigBee；Android
中图分类号：TP273.5；TN925
随着智能家居热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用，智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向。人们对家居的要求早已不只是物理空间，人们更进一步关注的是一个安全、舒适、方便的居家环境。家居智能化也在这种形势下应运而生了。智能家居系统相关技术正朝着一下几个方面发展：组网技术由有线向无线发展，硬件平台性能日益提高，设计事项功能模块化及系统平台智能化，远程控制实现多样化，个性化。
1 系统总体设计
本智能家居系统由ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器、一个CC2530协调器节点、若干温湿度传感器节点、若干继电器开关节点等组成，功能模块中的各个节点采集温度、湿度、继电器开关的状态通过ZigBee协议与协调器进行数据传输、存储及命令的传送。
2 Zigbee无线网络的建立
ZigBee网络主要通过2个步骤完成组建：网络初始化和终端节点加入网络。当ZigBee节点完成了网络初始化工作后，协调器会周期性的发送信标帧，只有ZR或者ZED节点接收到信标帧，才能够建立网络，从而进行数据的发送与接收。ZigBee网络组网流程如图1所示：
当节点成功组网后，ZED将在指定的报告周期时间内，通过zb_SendData Request原语向ZC发送状态数据包。ZC通过RS-232接口将数据包转发到Android模块，然后通过Socket将数据包传递到用户终端。
3 Android智能终端软件设计与实现
当ZigBee无线传感器网络建立完成后，用户还不能如愿的获取环境信息与进行家居控制，这时就需要设计一款界面友善、人性化、功能丰富的人机界面软件，在考察了现阶段各种智能家居网络上位机选用情况后，本文决定使用智能终端作为上位机。又考虑到目前Android平台占智能终端大部分市场份额的实际情况，所以，最终决定在Android平台上编写应用以实现智能家居系统的采集与控制。软件的具体结构如图2所示。
从软件设计的角度出发，要实现Android智能终端充当本系统上位机，最主要的两个需要解决的问题是：Android智能终端与ZigBee协调器之间的串口通信；Android智能终端之间通过GPRS网络的Socket通信。
3.1 Android终端与ZigBee协调器端口通信
Android终端作为智能家居的控制器，解决Android设备和ZigBee网络中的网元通信是关键问题。在ZigBee网络中，Android设备和ZigBee协调器可通过相应的端口连接以实现它们之间的通信，不同的Android设备可能端口不同，但是对端口的获取和操作的过程是一样的，首先要在HAL层获取到某个端口的ID，在Linux中，HAL层驱动是在Linux文件系统的dev文件夹下，只需要加载相应的驱动文件，就可以获取到相应的端口；然后，在控制台设置这个端口的读写权限，打开这个端口；最后，根据需要传输的数据格式，使用相应的输入输出流传输和接收数据，当程序完成操作后关闭相应的端口，以免数据溢出。
系统中的ZigBee节点采用了串口作为编译、调试与通信端口，Android终端主控制器S3C2410与无线收发芯片CC2530之间采用异步串口的方式进行通信。S3C2410片内集成有USART，简单设置后即可工作于异步模式。异步数据格式和ZigBee通信协议帧相同。
3.2 Android终端之间Socket通信
当Android终端通过串口接收到来自ZigBee协调器的数据后，用户只能在本地的Android终端上获取环境信息发送控制命令，为了实现用户远程登录本系统，本文又引入了第二个Android终端，其中本地终端作为数据的收集者通过无线通信公网建立Socket连接将数据转发给异地终端，异地终端也可以通过相同的Socket连接将控制命令发送给本地终端，然后再由本地终端通过串口传输至ZigBee协调器，从而实现对ZigBee网络中设备的控制。
4 系统运行效果与分析
为了验证智能家居网络的有效性，测试网络各个性能参数，搭建了ZigBee测试网络，该测试网络可以实现环境数据的采集与显示，可以通过终端设备控制网络中的节点对象，从而实现智能家居的控制功能。Android终端应用如图3，图4所示。
图3，图4应用程序分为协调器端和用户终端两种，其中协调器端应用包含了端口通信程序和Socket通信程序，在初始界面中有4个选项，端口设置、服务器设置、智能家居和退出选项。端口设置选项中可以对Android设备的通信端口和对应的波特率进行设置，Android可以通过cd/dev文件来发现新的端口，包括串口、USB口和MINI USB口等。服务器设置的作用是通过用户自己输入的服务器IP地址和服务器建立Socket链接，从而实现数据的远程发送与接收。智能家居选项是APP的主体应用，在设置好端口和服务器后进入智能家居菜单，这样程序就开始接收ZigBee协调器发送来的信息，通过建立好的Socket连接发送到用户终端的应用中。用户终端的应用程序采用了比较简洁的操作界面，当用户点击刷新按钮时发送更新数据请求到协调器端，协调器接收到请求后发送实事的环境信息给用户终端。
5 结束语
本文根据人们实际生活的需求，设计了基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统，本系统可以采集环境信息，控制继电器实现家用电器的开关，控制电机开关家里的窗帘、窗户或者帷幕，控制嗡鸣器的家庭安防功能。实践表明，本系统由于采用对等的Android控制模式，减少了发送端GPRS模块和用户终端硬件与软件的开支，达到了预期的系统功能和性能指标。
参考文献：
[1]黄卉.智能家居控制系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2011（02）：449-450.
[2]王励，金晶.物联网智能家居的发展前景[J].信息科技，2013（06）：214.
作者简介：李玲香（1976.03-），女，湖南郴州人，硕士，毕业于重庆邮电大学，讲师；杨振南（1982.04-），男，湖南永州人，硕士，毕业于湘潭大学，讲师。
作者单位：湖南科技学院，湖南永州 425199
基金项目：永州市科技局资助项目，永科发[2012]9号。
关键词：智能家居；ZigBee；Android
中图分类号：TP273.5；TN925
随着智能家居热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用，智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向。人们对家居的要求早已不只是物理空间，人们更进一步关注的是一个安全、舒适、方便的居家环境。家居智能化也在这种形势下应运而生了。智能家居系统相关技术正朝着一下几个方面发展：组网技术由有线向无线发展，硬件平台性能日益提高，设计事项功能模块化及系统平台智能化，远程控制实现多样化，个性化。
1 系统总体设计
本智能家居系统由ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器、一个CC2530协调器节点、若干温湿度传感器节点、若干继电器开关节点等组成，功能模块中的各个节点采集温度、湿度、继电器开关的状态通过ZigBee协议与协调器进行数据传输、存储及命令的传送。
2 Zigbee无线网络的建立
ZigBee网络主要通过2个步骤完成组建：网络初始化和终端节点加入网络。当ZigBee节点完成了网络初始化工作后，协调器会周期性的发送信标帧，只有ZR或者ZED节点接收到信标帧，才能够建立网络，从而进行数据的发送与接收。ZigBee网络组网流程如图1所示：
当节点成功组网后，ZED将在指定的报告周期时间内，通过zb_SendData Request原语向ZC发送状态数据包。ZC通过RS-232接口将数据包转发到Android模块，然后通过Socket将数据包传递到用户终端。
3 Android智能终端软件设计与实现
当ZigBee无线传感器网络建立完成后，用户还不能如愿的获取环境信息与进行家居控制，这时就需要设计一款界面友善、人性化、功能丰富的人机界面软件，在考察了现阶段各种智能家居网络上位机选用情况后，本文决定使用智能终端作为上位机。又考虑到目前Android平台占智能终端大部分市场份额的实际情况，所以，最终决定在Android平台上编写应用以实现智能家居系统的采集与控制。软件的具体结构如图2所示。
从软件设计的角度出发，要实现Android智能终端充当本系统上位机，最主要的两个需要解决的问题是：Android智能终端与ZigBee协调器之间的串口通信；Android智能终端之间通过GPRS网络的Socket通信。
3.1 Android终端与ZigBee协调器端口通信
Android终端作为智能家居的控制器，解决Android设备和ZigBee网络中的网元通信是关键问题。在ZigBee网络中，Android设备和ZigBee协调器可通过相应的端口连接以实现它们之间的通信，不同的Android设备可能端口不同，但是对端口的获取和操作的过程是一样的，首先要在HAL层获取到某个端口的ID，在Linux中，HAL层驱动是在Linux文件系统的dev文件夹下，只需要加载相应的驱动文件，就可以获取到相应的端口；然后，在控制台设置这个端口的读写权限，打开这个端口；最后，根据需要传输的数据格式，使用相应的输入输出流传输和接收数据，当程序完成操作后关闭相应的端口，以免数据溢出。
系统中的ZigBee节点采用了串口作为编译、调试与通信端口，Android终端主控制器S3C2410与无线收发芯片CC2530之间采用异步串口的方式进行通信。S3C2410片内集成有USART，简单设置后即可工作于异步模式。异步数据格式和ZigBee通信协议帧相同。
3.2 Android终端之间Socket通信
当Android终端通过串口接收到来自ZigBee协调器的数据后，用户只能在本地的Android终端上获取环境信息发送控制命令，为了实现用户远程登录本系统，本文又引入了第二个Android终端，其中本地终端作为数据的收集者通过无线通信公网建立Socket连接将数据转发给异地终端，异地终端也可以通过相同的Socket连接将控制命令发送给本地终端，然后再由本地终端通过串口传输至ZigBee协调器，从而实现对ZigBee网络中设备的控制。
4 系统运行效果与分析
为了验证智能家居网络的有效性，测试网络各个性能参数，搭建了ZigBee测试网络，该测试网络可以实现环境数据的采集与显示，可以通过终端设备控制网络中的节点对象，从而实现智能家居的控制功能。Android终端应用如图3，图4所示。
图3，图4应用程序分为协调器端和用户终端两种，其中协调器端应用包含了端口通信程序和Socket通信程序，在初始界面中有4个选项，端口设置、服务器设置、智能家居和退出选项。端口设置选项中可以对Android设备的通信端口和对应的波特率进行设置，Android可以通过cd/dev文件来发现新的端口，包括串口、USB口和MINI USB口等。服务器设置的作用是通过用户自己输入的服务器IP地址和服务器建立Socket链接，从而实现数据的远程发送与接收。智能家居选项是APP的主体应用，在设置好端口和服务器后进入智能家居菜单，这样程序就开始接收ZigBee协调器发送来的信息，通过建立好的Socket连接发送到用户终端的应用中。用户终端的应用程序采用了比较简洁的操作界面，当用户点击刷新按钮时发送更新数据请求到协调器端，协调器接收到请求后发送实事的环境信息给用户终端。
5 结束语
本文根据人们实际生活的需求，设计了基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统，本系统可以采集环境信息，控制继电器实现家用电器的开关，控制电机开关家里的窗帘、窗户或者帷幕，控制嗡鸣器的家庭安防功能。实践表明，本系统由于采用对等的Android控制模式，减少了发送端GPRS模块和用户终端硬件与软件的开支，达到了预期的系统功能和性能指标。
参考文献：
[1]黄卉.智能家居控制系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2011（02）：449-450.
[2]王励，金晶.物联网智能家居的发展前景[J].信息科技，2013（06）：214.
作者简介：李玲香（1976.03-），女，湖南郴州人，硕士，毕业于重庆邮电大学，讲师；杨振南（1982.04-），男，湖南永州人，硕士，毕业于湘潭大学，讲师。
作者单位：湖南科技学院，湖南永州 425199
基金项目：永州市科技局资助项目，永科发[2012]9号。