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摘 要：提高便捷和降低成本是智能家居系统是否能够广泛推广的核心问题，针对目前市场上智能家居系统存在的价格高、管理与操控不便等问题，介绍了一种基于ARM Cortex A8为核心，通过Android手机进行操控的智能家居系统。该系统具有智能安防、家电控制、娱乐休闲等功能，可以通过手机客户端实时监测家庭环境、操控电器设备、播放音视频和查看报警记录等系列事件。实践证明客户端采用手机操控，不仅节省了主控平台的触摸屏，且不受数量限制，从而大大降低了设备体积，也有效提高了操作的便捷性和降低设备成本。
关键词：智能家居；系统设计；ARM Cortex；Android
中图分类号： TP242.6 文献标志码：A 文章编号：
Design and Implementation of Smart Home System based on APP and Cortex A8
DENG Zhihui
（Department of Information Engineering，Hunan College of Information， Changsha 410200，china）
Abstract： Convenience is one of the important problems in the research of the smart home system， aiming at the problems such as the difficulty of installation， operation and management of the smart home system. A kind of home robot based on Android control platform is designed. Robot intelligent home services， without disrupting existing home environment； based on Android platform of home robot control， the user can at any time any place to realize remote monitoring of home， and can control robot remote visual cruise and achieve a variety of manipulation. With the maturity and development of WIFI technology and 4G network， as well as the wide application of Android system， the home robot based on Android control platform will be widely concerned and applied.
Keywords： Smart Home； System design； ARM Cortex； Android
0 引 言
人们生活水平不断提升，智能家居产品已逐渐成为瞩目焦点，但却因其购买成本可观、电路改造困难和安装使用不便等问题，进一步限制了其普及性的应用拓展[1]。而与此同时，我国通信业也正呈现出蓬勃发展态势。迄至2014年，我国移动电话保有率可达94.5部/百人，智能手机普及率则达50%，两者均已远超全球平均水平[2]，特别是Android手机2014年上半年则占据我国智能手机89.9%的市场份额，已然占居主导地位[3]。在此背景下，本文介绍一种基于Android手机为操控平台，并以ARM Cortex为内核的智能家居系统，研发后系统不需加装操控设备或屏幕，而是直接利用客户手机即可随时随地实时监测家居环境和操控家居电器，从而能有效降低设备成本，同时为用户提供更多现实便利。
1 系统总体设计
家居系统由基于ZigBee无线网络节点（如电机驱动器、空调灯光控制器和温湿度传感器等节点）、基于ARM Cortex A8为核心的嵌入式系统（含网关）和基于Android的移动客户端三大部分构成，其对应的结构框图则如图1所示。
图1 智能家居系统结构框图
Fig.1 Structure diagram of smart home system
由图1可见，系统通过各传感器节点采集家庭环境数据，利用ZigBee无线网络上传到嵌入式系统进行处理，得到的结果再通过WIFI或3G网络，传达到客户端手机；用户则基于下传数据和信息，再通过手机APP软件下达相关控制命令到嵌入式系统；系统接到命令后，将进行解析和处理，并再经ZigBee无线网络将命令发送到执行器节点，从而实现对家居环境的监测和家中电器设备的有效控制。
2 系统硬件设计
根据智能家居系统的特点，主要选定设计了环境监测、模式切换、娱乐休闲、家电控制、安全防范与报警等功能，具体来说，则对应着包括嵌入式系统网关模块、无线传感器节点、温湿度传感模块、气体烟雾传感模块、热释电红外传感模块等在内的多个主题的研发实现。下面将分别展开论述。
2.1 嵌入式系统网关模块
嵌入式系统网关采用Exynos4412处理器，内置四个1.6G主频的Cortex A9，运算能力达16 000DMIPS，采用32纳米HKMG工艺，二级缓存1MB，内存为双通道64bit，支持HDMI1.4，集成 Mali -400MP图形处理器，图像处理较前代提升50%，整机性能提升60%，功耗下降20%，而且能流畅运行Android4.1操作系统[4]。同时，又因其功耗低、电路简单、运行速度快等特点，从而非常适用于智能家居和物联网终端等产品。嵌入式网关结构如图2所示，系统包括TF卡模块（存放应用程序）、USB/OTG（下载或外接U盘）、DHMI（高清视频输出）、声卡（休闲听歌）、RS232（ZigBee无线网络接口）和WIFI（与手机通信）等模块。 图2 嵌入式网关系统结构框图
Fig.2 Block diagram of embedded gateway system
2.2 无线网络ZigBee节点
ZigBee节点主要采用TI公司的CC2530处理器作为核心，它是用于ZigBee、RF4CE和2.4GHz IEEE802应用则是一个SoC解决方案。具体来说，其接收灵敏度高、成本和功耗均低，而且又具有强大的抗干扰性能[5]。CC2530的外围电路如图3所示，该节点可提供有如下三种功能，分别是：通过A/D端口对传感器数据进行采集、通过无线RF模块实现数据收发、对I/O端口所接终端或设备进行控制。
图3 基于CC2530的ZigBee无线网络节点电路
Fig.3 ZigBee wireless network node circuit based on CC2530
2.3 DHT11温湿度传感模块
为提高温、湿度测量的可靠性和稳定性，系统采用AM2302集成温湿度传感器。该传感器集成了一个 NTC 测温元件和一个电容式湿感元件，可在内部对输出信号进行数字转换，数据格式如表1所示。同时，再由单总线通过特定时序与外部进行通信。该款产品具有成本低、性价比高、响应快，且抗干扰能力强等优点[6]，正广泛应用于各类环境的温湿度检测任务中。实现原理图可如图4所示。
表1. AM2302数据格式表
数据位 0-7 8-15 16-23 24-31 31-39
含义 校验位 温度
低8位 温度
高8位 湿度
低8位 湿度
高8位
图4 AM2302模块原理图
Fig.4 Module principle diagram of the AM2302
2.4 气体烟雾传感模块
危害家居环境的气体主要有甲烷、液化气、煤气和烟雾等，为此系统采用MQ-5气体烟雾传感模块。这是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件，可将天然气、液化气和煤气等有害气体浓度转换成连续变化的0～5V输出的标准电信号，并且具有灵敏度高、探测范围广、稳定性高和电路简单等特点[7]。结合报警模块与无线网络节点，即可对烟雾、有害气体泄露进行有效监测，若能进一步结合室内换气功能则还能实现有害气体排放，进而提高安全系数。
2.5 热释电红外传感模块
防盗是智能家居的一项重点预设功能，当处理外出模式和睡眠模式时，系统会默认开启红外传感器，即通过内部的探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器来检测人体辐射的红外线信号，该传感器只对移动的人体或接近人体体温的移动物体起作用。其实现电路简单、灵敏度高、性能稳定，但输出信号很弱，需在外围电路中进行放大，原理电路如图5所示。
图5 热释电红外传感器原理图
Fig.5 Principle diagram of pyroelectric infrared sensor
3 软件设计
系统主程序流程如图6所示。
图6 主程序流程
Fig.6 Main program flow chart
系统的控制方式主要有在家模式、外出模式和睡眠模式三种情况。系统根据默认或用户设定情况对环境监测系统、照明系统、门禁系统、家电控制系统分别进行自动或手动控制。手动控制是通过系统中断实现，默认为自动控制。自动控制时，系统将各传感器采集的信息通过无线网络模块汇总到主控制器，再将这些信息或数据进行智能分析与处理，做出相应的控制策略和决策，最后发送控制命令到相应模块或节点。
4 Android UI客户端设计
系统客户端是基于Android平台的APP软件，这是系统人机交换的唯一窗口。UI功能的设计，不仅要能查看各类信息，还要能操控各种家电等功能，同时更要求界面美观、操作方便、且功能齐全。基于上述需求，在主界面设计了温度、湿度、光照、烟雾、红外等家居环境信息显示功能，满足了用户方便、快捷查看各类信息的心理需求；同时在主界面还设计了模式选择、娱乐休闲、报警报告、家电控制和系统设置等快捷操控图标，对系统各类功能分类进行设置或操控，满足了用户方便、快捷操控各种功能的实际需求。客户端UI用例如图7所示。
图7 APP客户端UI用例图
Fig.7 APP client UI use case diagram
5 结束语
通过样机测试，智能家居系统运行稳定，功能丰富，客户端利用手机通过WIFI进行操控，省略了主控平台的触控屏，大大降低了智能家居系统的体积，且数量不受限制，同时更有效提高了操作的便捷性和设备成本的可控性。
参考文献
[1] 智能家居发展中存在的5大主要问题探秘[N/OL].http：//yancheng.zxdyw.com /HTML/ 2011/8/201184121234.html.
[2] 工信部2014年通信运营业统计公报[N/OL].http：//www.miit.gov.cn /n11293472/n11293832/n11294132/n12858447/16414615.html.
[3] 艾媒咨询.2014上半年中国智能手机市场监测报告[N/OL].http：//www.iimedia. cn/37560. html.
[4] 张淑艳，王超，肖萍萍，朱娟.基于Cortex-A9和ZigBee的智能家居控制系统设计[J].产业与科技论坛，2014（23）：46-47.
[5] 王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D]. 西安：西安电子科技大学，2012.
[6] 刘德全. 智能温室温湿度检测实验系统电路设计与仿真[J].实验室研究与探索， 2015（2）：92-95.
[7] 王显维. 基于MQ-5和AT89C51的煤矿瓦斯监测报警器的设计[J]. 黑龙江科技信息，2014（13）：108-109.
关键词：智能家居；系统设计；ARM Cortex；Android
中图分类号： TP242.6 文献标志码：A 文章编号：
Design and Implementation of Smart Home System based on APP and Cortex A8
DENG Zhihui
（Department of Information Engineering，Hunan College of Information， Changsha 410200，china）
Abstract： Convenience is one of the important problems in the research of the smart home system， aiming at the problems such as the difficulty of installation， operation and management of the smart home system. A kind of home robot based on Android control platform is designed. Robot intelligent home services， without disrupting existing home environment； based on Android platform of home robot control， the user can at any time any place to realize remote monitoring of home， and can control robot remote visual cruise and achieve a variety of manipulation. With the maturity and development of WIFI technology and 4G network， as well as the wide application of Android system， the home robot based on Android control platform will be widely concerned and applied.
Keywords： Smart Home； System design； ARM Cortex； Android
0 引 言
人们生活水平不断提升，智能家居产品已逐渐成为瞩目焦点，但却因其购买成本可观、电路改造困难和安装使用不便等问题，进一步限制了其普及性的应用拓展[1]。而与此同时，我国通信业也正呈现出蓬勃发展态势。迄至2014年，我国移动电话保有率可达94.5部/百人，智能手机普及率则达50%，两者均已远超全球平均水平[2]，特别是Android手机2014年上半年则占据我国智能手机89.9%的市场份额，已然占居主导地位[3]。在此背景下，本文介绍一种基于Android手机为操控平台，并以ARM Cortex为内核的智能家居系统，研发后系统不需加装操控设备或屏幕，而是直接利用客户手机即可随时随地实时监测家居环境和操控家居电器，从而能有效降低设备成本，同时为用户提供更多现实便利。
1 系统总体设计
家居系统由基于ZigBee无线网络节点（如电机驱动器、空调灯光控制器和温湿度传感器等节点）、基于ARM Cortex A8为核心的嵌入式系统（含网关）和基于Android的移动客户端三大部分构成，其对应的结构框图则如图1所示。
图1 智能家居系统结构框图
Fig.1 Structure diagram of smart home system
由图1可见，系统通过各传感器节点采集家庭环境数据，利用ZigBee无线网络上传到嵌入式系统进行处理，得到的结果再通过WIFI或3G网络，传达到客户端手机；用户则基于下传数据和信息，再通过手机APP软件下达相关控制命令到嵌入式系统；系统接到命令后，将进行解析和处理，并再经ZigBee无线网络将命令发送到执行器节点，从而实现对家居环境的监测和家中电器设备的有效控制。
2 系统硬件设计
根据智能家居系统的特点，主要选定设计了环境监测、模式切换、娱乐休闲、家电控制、安全防范与报警等功能，具体来说，则对应着包括嵌入式系统网关模块、无线传感器节点、温湿度传感模块、气体烟雾传感模块、热释电红外传感模块等在内的多个主题的研发实现。下面将分别展开论述。
2.1 嵌入式系统网关模块
嵌入式系统网关采用Exynos4412处理器，内置四个1.6G主频的Cortex A9，运算能力达16 000DMIPS，采用32纳米HKMG工艺，二级缓存1MB，内存为双通道64bit，支持HDMI1.4，集成 Mali -400MP图形处理器，图像处理较前代提升50%，整机性能提升60%，功耗下降20%，而且能流畅运行Android4.1操作系统[4]。同时，又因其功耗低、电路简单、运行速度快等特点，从而非常适用于智能家居和物联网终端等产品。嵌入式网关结构如图2所示，系统包括TF卡模块（存放应用程序）、USB/OTG（下载或外接U盘）、DHMI（高清视频输出）、声卡（休闲听歌）、RS232（ZigBee无线网络接口）和WIFI（与手机通信）等模块。 图2 嵌入式网关系统结构框图
Fig.2 Block diagram of embedded gateway system
2.2 无线网络ZigBee节点
ZigBee节点主要采用TI公司的CC2530处理器作为核心，它是用于ZigBee、RF4CE和2.4GHz IEEE802应用则是一个SoC解决方案。具体来说，其接收灵敏度高、成本和功耗均低，而且又具有强大的抗干扰性能[5]。CC2530的外围电路如图3所示，该节点可提供有如下三种功能，分别是：通过A/D端口对传感器数据进行采集、通过无线RF模块实现数据收发、对I/O端口所接终端或设备进行控制。
图3 基于CC2530的ZigBee无线网络节点电路
Fig.3 ZigBee wireless network node circuit based on CC2530
2.3 DHT11温湿度传感模块
为提高温、湿度测量的可靠性和稳定性，系统采用AM2302集成温湿度传感器。该传感器集成了一个 NTC 测温元件和一个电容式湿感元件，可在内部对输出信号进行数字转换，数据格式如表1所示。同时，再由单总线通过特定时序与外部进行通信。该款产品具有成本低、性价比高、响应快，且抗干扰能力强等优点[6]，正广泛应用于各类环境的温湿度检测任务中。实现原理图可如图4所示。
表1. AM2302数据格式表
数据位 0-7 8-15 16-23 24-31 31-39
含义 校验位 温度
低8位 温度
高8位 湿度
低8位 湿度
高8位
图4 AM2302模块原理图
Fig.4 Module principle diagram of the AM2302
2.4 气体烟雾传感模块
危害家居环境的气体主要有甲烷、液化气、煤气和烟雾等，为此系统采用MQ-5气体烟雾传感模块。这是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件，可将天然气、液化气和煤气等有害气体浓度转换成连续变化的0～5V输出的标准电信号，并且具有灵敏度高、探测范围广、稳定性高和电路简单等特点[7]。结合报警模块与无线网络节点，即可对烟雾、有害气体泄露进行有效监测，若能进一步结合室内换气功能则还能实现有害气体排放，进而提高安全系数。
2.5 热释电红外传感模块
防盗是智能家居的一项重点预设功能，当处理外出模式和睡眠模式时，系统会默认开启红外传感器，即通过内部的探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器来检测人体辐射的红外线信号，该传感器只对移动的人体或接近人体体温的移动物体起作用。其实现电路简单、灵敏度高、性能稳定，但输出信号很弱，需在外围电路中进行放大，原理电路如图5所示。
图5 热释电红外传感器原理图
Fig.5 Principle diagram of pyroelectric infrared sensor
3 软件设计
系统主程序流程如图6所示。
图6 主程序流程
Fig.6 Main program flow chart
系统的控制方式主要有在家模式、外出模式和睡眠模式三种情况。系统根据默认或用户设定情况对环境监测系统、照明系统、门禁系统、家电控制系统分别进行自动或手动控制。手动控制是通过系统中断实现，默认为自动控制。自动控制时，系统将各传感器采集的信息通过无线网络模块汇总到主控制器，再将这些信息或数据进行智能分析与处理，做出相应的控制策略和决策，最后发送控制命令到相应模块或节点。
4 Android UI客户端设计
系统客户端是基于Android平台的APP软件，这是系统人机交换的唯一窗口。UI功能的设计，不仅要能查看各类信息，还要能操控各种家电等功能，同时更要求界面美观、操作方便、且功能齐全。基于上述需求，在主界面设计了温度、湿度、光照、烟雾、红外等家居环境信息显示功能，满足了用户方便、快捷查看各类信息的心理需求；同时在主界面还设计了模式选择、娱乐休闲、报警报告、家电控制和系统设置等快捷操控图标，对系统各类功能分类进行设置或操控，满足了用户方便、快捷操控各种功能的实际需求。客户端UI用例如图7所示。
图7 APP客户端UI用例图
Fig.7 APP client UI use case diagram
5 结束语
通过样机测试，智能家居系统运行稳定，功能丰富，客户端利用手机通过WIFI进行操控，省略了主控平台的触控屏，大大降低了智能家居系统的体积，且数量不受限制，同时更有效提高了操作的便捷性和设备成本的可控性。
参考文献
[1] 智能家居发展中存在的5大主要问题探秘[N/OL].http：//yancheng.zxdyw.com /HTML/ 2011/8/201184121234.html.
[2] 工信部2014年通信运营业统计公报[N/OL].http：//www.miit.gov.cn /n11293472/n11293832/n11294132/n12858447/16414615.html.
[3] 艾媒咨询.2014上半年中国智能手机市场监测报告[N/OL].http：//www.iimedia. cn/37560. html.
[4] 张淑艳，王超，肖萍萍，朱娟.基于Cortex-A9和ZigBee的智能家居控制系统设计[J].产业与科技论坛，2014（23）：46-47.
[5] 王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D]. 西安：西安电子科技大学，2012.
[6] 刘德全. 智能温室温湿度检测实验系统电路设计与仿真[J].实验室研究与探索， 2015（2）：92-95.
[7] 王显维. 基于MQ-5和AT89C51的煤矿瓦斯监测报警器的设计[J]. 黑龙江科技信息，2014（13）：108-109.