摘 要： 為了使家居系統(tǒng)更加人性化，設計了一種基于場景模式的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Android手機為監(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)點組網(wǎng)模塊。介紹了該系統(tǒng)的無線組網(wǎng)協(xié)議、節(jié)點及網(wǎng)關(guān)硬件組成、網(wǎng)關(guān)服務程序設計和Android監(jiān)控界面設計。
關(guān)鍵詞： 智能家居；Android；家庭網(wǎng)關(guān)
在歐美等西方經(jīng)濟發(fā)達的國家，智能家居已經(jīng)相當普及。在中國，隨著社會經(jīng)濟的快速發(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[1]。
目前部分智能家居集控裝置一般不具有場景模式功能，每次都需要對家電進行單獨控制；同時部分具有場景模式功能的智能家居集控裝置中場景模式下的各個參數(shù)通常是固定不變的，使用極為不便[2]。
本文設計的基于場景模式的智能家居系統(tǒng)不僅具有場景控制功能，而且用戶可以根據(jù)自己的需求設置場景模式的參數(shù)。因此，本設計將為人們提供一個更加舒適的居住環(huán)境。
本文將無線組網(wǎng)技術(shù)與Android應用開發(fā)相結(jié)合，通過以S3C2440為核心的家庭網(wǎng)關(guān)將Android手機與家庭設備節(jié)點進行整合，從而實現(xiàn)基于場景模式的智能家居系統(tǒng)。
1 總體設計方案
本系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端、智能家庭網(wǎng)關(guān)和家庭設備節(jié)點組成，如圖1所示。
監(jiān)控終端可以顯示和控制家庭內(nèi)部設備的運行狀態(tài)；家庭網(wǎng)關(guān)是監(jiān)控終端和家庭內(nèi)部設備之間通信的樞紐，并存儲整個系統(tǒng)的配置文件，是整個系統(tǒng)的核心；家庭設備節(jié)點實現(xiàn)對設備的實際監(jiān)控。
2 家庭設備節(jié)點
2.1 節(jié)點硬件組成
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)，在一個極小封裝中集成了包括2.4 GHz無線傳輸、增強型51 Flask高速單片機、豐富外設及接口等的單片F(xiàn)lash芯片，是一個綜合了性能及成本的完美結(jié)合，很適合應用于各種2.4 GHz的產(chǎn)品設計[3]。
設備節(jié)點的組成如圖2所示。
節(jié)點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)控家庭設備的功能實現(xiàn)體，其作用就是根據(jù)命令實施具體控制或者為用戶提取設備狀態(tài)；家庭設備包含家電設備（燈、空調(diào)等）、機械設備（水閥、機械按鈕等）和消防安防設備（如煙霧傳感、紅外人體感應等）。
下面的示例節(jié)點可以簡單地說明設備節(jié)點的硬件組成及工作原理。
圖3為照明控制節(jié)點原理圖。照明控制節(jié)點的無線控制模塊為nRF24LE1；控制電路由繼電器HRS4H-S-DC 5 V、三極管C8050和電阻R組成；家庭設備為一盞照明用燈。nRF24LE1內(nèi)部集成單片機的P0.0引腳向控制電路輸出0或1的控制信號，進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)設計
系統(tǒng)中所采用的無線模塊nRF24LE1內(nèi)置了點對點無線通信協(xié)議控制和CRC糾錯硬件電路， 數(shù)據(jù)編解碼和CRC產(chǎn)生及校驗均由硬件完成。
但nRF24LE1不像ZigBee那樣有著成熟的組網(wǎng)標準。雖然Nordic為無線桌面及其他應用設計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)絡最多為1個主機和6個外設，且主機只有收到外設數(shù)據(jù)包后才能發(fā)送數(shù)據(jù)到外設。其他研究機構(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)傳輸時的情況[3]。而此系統(tǒng)通信的特點是節(jié)點多、數(shù)據(jù)量小。
所以，本系統(tǒng)設計一個適用于此系統(tǒng)的簡單組網(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。設備節(jié)點的上傳數(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，S3C2440減少了整體系統(tǒng)成本，無需配置額外的組件[6]。
處理器上所運行的Linux系統(tǒng)支持多用戶、多任務，具有良好的用戶界面和豐富的網(wǎng)絡功能，能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運行[7]。
家庭網(wǎng)關(guān)中的協(xié)調(diào)器與設備節(jié)點中的無線模塊同樣也是nRF24LE1。它一方面通過無線網(wǎng)絡協(xié)調(diào)設備節(jié)點的運行與通信，另一方面還通過串口與網(wǎng)關(guān)處理器進行數(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網(wǎng)絡普及的場所（當下移動網(wǎng)絡幾乎已經(jīng)遍布每個角落）都能實現(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)絡初始化和GPRS初始化。初始化完成后，網(wǎng)關(guān)服務器就會進入等待用戶連接請求的循環(huán)中。
網(wǎng)關(guān)會為每個登錄用戶創(chuàng)建一個處理線程。因此，此網(wǎng)關(guān)支持多用戶同時操作。
4 監(jiān)控終端
本系統(tǒng)采用一部Android手機作為監(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，設置Android SDK路徑。
用戶要監(jiān)控家庭設備，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。
網(wǎng)關(guān)登錄分為網(wǎng)絡登錄和短信登錄。在有WIFI信號時，可以直接用網(wǎng)絡登錄。但是在一些沒有無線網(wǎng)絡可用的場合，用戶就只能通過短信的方式登錄網(wǎng)關(guān)。在短信登錄時，用戶只需輸入正確的用戶名和密碼即可。
當用戶成功登錄到家庭網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)就會為用戶建立服務線程。此時，用戶可以在監(jiān)控界面對家庭設備進行監(jiān)控。
為了方便用戶操作，將控制、監(jiān)測、場景和設置分為4個界面，并將其放在一個TabHost中，如圖8所示。
本系統(tǒng)中，用戶可以在控制界面單獨控制每個家電，可以在監(jiān)測界面采集家庭溫濕度、獲取家庭煙霧和人體感應的報警信息。
場景界面是根據(jù)用戶的點擊進入相應場景模式，并控制相應家庭設備進入這一種場景進行協(xié)調(diào)運作。
設置界面是設定每一種場景模式可監(jiān)控哪些家電設備，在界面上可對每一種設備添加或刪除。這種添加或刪除通過修改網(wǎng)關(guān)的配置文件來實現(xiàn)。
5 系統(tǒng)設計的實現(xiàn)與結(jié)論
本系統(tǒng)共實現(xiàn)7個節(jié)點：燈（3盞）、窗簾、空調(diào)、投影儀、煙霧報警、溫濕度傳感、紅外人體感應；共設計6種模式：起床、上班、下班、晚餐、影院和睡眠。
在每一種模式下，對應不同的電器協(xié)調(diào)運作方式。如起床模式：1號燈打開，窗簾打開，安防系統(tǒng)撤防。當某一模式不符合用戶需求時，用戶可以根據(jù)自身要求來修改模式內(nèi)容。而進入場景模式是通過簡單的Android手機界面按鍵觸發(fā)。所以，本文中的基于場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
[1] 葉國偉.智能家居市場現(xiàn)狀與趨勢[J].中國建設信息，2012(9)：54-55.
[2] 廈門萬安智能股份有限公司.具有環(huán)境適應情景模式的智能家居集控裝置：中國，201110425089.2[P].2011.12.19.
[3] 譚暉.nRF無線SOC單片機原理與高級應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.
[4] 蔣增文.一種基于 nRF24xx 的混合無線通信協(xié)議[J].通信技術(shù)，2010，10（43）：78-80.
[5] Samsung.S3C2440 user’s manual[S].2004.
[6] 劉海亮，曹家年，郭逢麗.嵌入式智能家居安防系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].應用科技，2011，38(2)：61-66.
[7] 蔡俊宇.基于Linux的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學，2010．