【基于Android的智能家居系统设计9000字（论文）】

基于Android的智能家居系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u28741.绪论 .绪论随着科技的进步社会的发展，物联网技术作为当前的信息化时代的重要组成部分进入大众的视野，在此背景下，智能家居逐渐步入人们的视野。相对与普通家居，智能家居是一种高科技的、新型的家居行业，不仅拥有传统家居的基本居住功能，还新增了服务管理、舒适便利、安全可靠、网络通信、高效环保的功能，既能完成家庭内部的基本操作还能与外部的信息保持交流沟通。智能家居还有以下特点：具有时效性：在智能家居系统中，前段设备可以实时的将采集到的智能信息通过网络传输协议送到用户的控制端，完成实时的控制与操作，具有时效性。具有多样性：传递信息多样性，既可以有线传输，也可以无线传输，还可以根据具体用户需求将多种方案进行组合。具有创新性：物联网不仅是科技的进步更是时代的创新，它带给人们生活的变化是翻天覆地的，使过去人们对未来家居的幻想成为现实，将数字信息与现实人类生活联系到一起，使人们可以远程的对家居进行控制。更加智能化：智能家居系统可以自动采集信息、处理信息、发送信息，自动的控制设备，将终端采集到的信息进行整理移交给前端的汇聚节点，对数据信息进行合理的分配处理。更加精细化：智能家居可以监控整个室内环境的变化，将检测到的信息进行处理整合，形成完整的分析呈现给用户，如，监测房间内温度的变化后形成曲线图反馈给用户。当前社会智能手机的普及率已达66%在全球手机市场上，Android手机的市场份额则达到了87%，在我国的地位更是突出，因此，基于Android系统对智能家居系统的控制受越来越多的关注，本文将继续研究围绕Android系统来搭建的智能家居系统。

2.系统的结构与功能设计2.1系统功能设计本设计旨在实现基于Android的智能家居系统的控制，按照系统的设计目标，系统应能够实现手机智能操控，同时，能依据手机的设置，实现对各种功能的设置，具体功能如下：1.实现对屋内环境情况的感知，系统可配合大量的传感器，实现对室内温度，环境光亮度，是否下雨以及是否有人等情况进行感测，并能够根据感测结果，配合用户的设置，自动实现对家中部分设备的控制。2.实现对部分家居家电的控制，包括空调设备，自动化的窗户，窗帘，灯光设备等进行控制，用户可通过APP对自动控制和手动控制进行选择。3.实现手机APP对环境参数的检测与设备控制，系统应能够接入网络服务，获取室内当前信息，同时能够通过APP手动操作室内的各项家具家电，包括窗户窗帘，灯光，空调等，实现对系统的远程控制。针对以上功能设计，本文将利用单片机控制器以及WiFi模块以及手机APP实现系统的远程控制，配合各个传感器，实现对系统的智能化控制。通过以上功能，可实现本次设计的设计目标。2.2系统的结构设计依据本设计的功能设计，本系统主要由各类传感器以及控制器，远程服务器，手机APP以及各类执行器构成。按照系统的功能设计，本系统的主要结构如图2-1所示。图2-1系统的结构图系统主要包括五部分构成，分别为输入设备，中央控制器，输出设备，远程服务器以及AndroidAPP构成，其中，输入设备用于实现对环境的监控，包括温度传感器，环境光传感器，热释电人体红外传感器以及雨滴传感器等。温度传感器主要用于实现对室内温度的感测，用于判断是否需要开启空调；环境光传感器用于实现对室内光照亮度进行检测，判断是否需要开灯;热释电人体红外传感器用于实现对室内是否有人进行判断，做到人走灯关灯功能;雨滴传感器用于判断室外是否下雨，若下雨，则及时关闭窗户。中央控制器是系统的大脑，主要用于实现对系统的控制功能，以及数据的计算处理。系统的输出结构主要包括空调控制器，灯光控制器，窗户控制器以及窗帘控制器，WiFi模块等。空调控制器用于实现对空调的控制，调节室内温度，灯光控制器实现对室内的灯光控制，开灯或者关灯，并调节灯光亮度，窗户控制器用于实现对窗户的控制，开窗或关窗，窗帘控制器实现对窗帘的开关控制。WiFi模块可实现与远程服务器的相互通信，发送与接收控制数据等。远程服务器为系统的中转站，可实现手机端APP数据与设备终端数据的交换、接收以及推送数据。AndroidAPP用于实现对系统的控制以及数据的监测，将服务器推送的数据接收并反馈至用户，同时，对用户的各种设置作出响应，推送至设备终端实现对设备的控制功能。3.智能家居系统的硬件电路设计3.1单片机控制电路设计单片机做为系统的控制中心，对于系统的功能实现具有重要的作用，本次设计中，所采用的雨滴传感器为模拟式传感器，该传感器输出的数据为一组电压数据，对于传统的数字电路而言，无法实现对该数据的采集，需通过AD转换电路转换为数字信号后，才可被系统处理。传统的单片机，如51系列单片机，不具有内置的ADC设计，采用外部ADC设计，不仅增加的系统整体的设计难度，还增加了系统的设计成本，降低了设计的可靠性，因此，本设计采用具有内置ADC的AVR系列单片机实现，型号为采用双列直插工艺封装的ATMEGA328PU实现。该单片机无法自主工作，需配合外部电路实现，其电路设计原理图如图3-1所示。图3-1单片机最小系统电路原理图本次设计中，单片机型号为ATMEGA328PU，该单片机为采用精简指令集架构RSIC的AVR系列单片机，因此，其内部寄存器指令多为单周期指令，这大大提高了单片机的运行速度，可达到传统51系列单片机运行速度的十几倍，适用于本次设计使用。该单片机内置有6通道的10bitADC，较多的采样通道也适合本文设计中大量的模拟传感器使用，10bit的ADC精度较高，适用于本次设计使用。该单片机具有PB-PD三组引脚，每组引脚具有8位，部分引脚为复用引脚，存在第二功能，如内置的硬件IIC总线，SPI总线以及串行通信总线，与通用引脚复用实现，同时，方便与外部设备的通信设计。独立的单片机芯片无法实现自主启动，需配置由时钟电路以及复位电路组成的最小系统实现系统的功能。时钟电路主要用于对单片机提供一组可运行的时钟，本设计中单片机不具有内部时钟，因此，需通过外部时钟电路实现。ATMEGA328P所支持最大时钟频率为20MHz，过高时钟频率随可提高系统的运行速度，但会降低系统的可靠性，综合单片机运行速度与可靠性考虑，本系统设置时钟频率为16MHz，留有大量的冗余设计，即使因为温度使晶体震荡频率产生漂移，也不会导致系统失效。复位电路主要用于实现单片机的复位，单片机复位引脚通过内置上拉电阻拉高，通常处于高电位状态，若需要复位，则直接拉低该引脚即可，通过微动开关拉低该引脚，实现复位。3.2wifi模板电路设计WIFI通信电路本次选用ESP8266-12F实现，该模块集成用802.11a/b/n等多种传输协议，其带宽需求足以满足本次设计需要。ESP8266是由乐鑫公司推出的专用的物联网模块，集成度高，同时集成有AP放大器，标注数字接口，低噪声放大器，过滤器。由于该器件属于高频器件，为降低对周围电路的干扰，系统设置有电磁屏蔽罩。系统内部集成有一个简单的32为M0处理器，能够实现一定的数据处理与控制，但本次设计中，修改了系统的固件，因此，该处理器主要用于接收中央控制器数据，并实现按照修改的固件进行数据传输的功能。ESP8266示意图如图3-2所示。图3-2ESP8266示意图该模块为封装好的成品模块，模块集成有印刷天线以及一颗LED指示灯，用于实现状态指示。该模块已能够实现系统的最基本功能，但仅有该模块无法工作，需要外围电路的支持。外围电路主要包括数据通信电路以及供电电路，本模块供电电压不可超过3.6V，但其他系统供电电压为5V，因此，需要通过电压转化电路进行降压。电源电路原理图如图3-3所示。图3-3无线模块电源电路示意图电源电路模块采用线性稳压电源AMS1117-3.3实现，输入5V电压下，其能够输入3.3V电压，最大输出电流可支持1A电流输出。在此条件下，能够满足无线模块的电流需求。除了电源电路外，还需设计ESP8266与单片机的通信电路，两者的通信采用串行通信，因此，需设置电路引出串行通信接口，通过线路将ESP8266的穿行通信接口引出即可。其原理图如图3-4所示。图3-4数据通信原理图通过引出通信线路，以及设置模式选择接口，即可实现程序的烧录以及与单片机的通信功能。3.3传感器电路设计3.3.1温度传感器电路设计环境温度传感器用于实现对环境温度的检测，常用的环境温度传感器包括模拟式温度传感器LM35以及数字式传感器DS18B20，模拟式温度传感器相较于数字式传感器而言，感应速度更快，数字式温度传感器使用与不带有ADC的数字系统使用，本设计单片机具有内置ADC，因此，选用LM35传感器，增强数据采集速度。温度传感器示意图如图3-5所示。图3-5LM35温度传感器示意图该传感器是由美国国家半导体公司生产的温度传感器LM35，具有-55℃-85℃的温度感测能力，对于我国大部分地区冬夏温度，该传感器均能够正确感应。该温度传感器使用较为简单，其中1脚为电源引脚，可接3V-20V的电源，本次系统供电为5V，因此，可接入5V电源，2脚为温度输出引脚，该传感器在-55℃时，输出电压为0，温度每增加1℃，其输出电压增加2mV，通过对该引脚电压的检测，即可获得当前温度数据，该传感器3脚为电源地引脚。按照该传感器每增加1℃，输出脚输出电压增加2mV来计算，系统温度计算公式如下：（3-1）式中，T为输出的温度，Vout为输出引脚输出电压，55为该温度传感器的温度下限值，通过此式，可实现对温度传感器输出温度的计算。3.3.2环境光传感器电路设计环境光亮度传感器用于感测当前的环境光亮度，并通过亮度信息判断是否需要启动照明，本次设计中，采用的亮度传感器为数字式量度传感器BH-1750，该传感器与二氧化碳传感器同属于一个系列传感器，同样通过IIC总线通信。BH-1750传感器能够实现最大20000Lux的亮度探测，适用于本次设计。采用该传感器设计电路原理图如图3-6所示。图3-6环境光亮度传感器电路原理图其中，U2为环境光亮度传感器，其具有六组引脚，1号引脚为电源引脚，2号引脚为地址选择引脚，由于该传感器同样使用IIC总线通信，可与CCS811挂载于同一通信总线中，单片机通过发送传感器的地址，实现对传感器的选择，为避免地址冲突，BH-1750具有两组地址，可通过ADR引脚进行切换，当该引脚为低时，BH-1750总线地址为B0100011，当ADR引脚为高电平时，BH-1750总线地址为B0100010，通过对该引脚的选择，可实现器件地址的切换。GND为电源地引脚，SDA为IIC总线的数据总线，DVI为IIC总系片选信号，SCL为IIC总线时钟信号，其中时钟总线以及数据总线需通过4.7K电阻进行上拉，实现数据通信。3.3.3雨滴传感器设计雨滴传感器用于识别是否下雨，下雨时，可自动关闭窗户，雨滴传感器示意图如图3-7所示。图3-7水位传感器示意图该传感器结构简单，其主要通过一系列并排放置的电极，对雨滴的电阻进行测量，获得雨量数据。通常的水具有轻微的导电性，水与电极接触越多，则导电性能越强，通过对传感器电流的检测，即可实现对雨量的判断。由于传感器产生的电流较小，无法被单片机直接采集，因此，传感器中集成有三极管放大电路实现对电流的放大，放大后可被单片机采集，放大电路原理图如图3-8所示。图3-8信号放大电路设计该电路采用最基础的三极管共发射极放大电路设计，输入信号由基极输入，而三极管的发射机电流与基极电流成正比，经过放大的电流信号由电阻R2转换成电压信号后输出，由此实现了对信号的放大。信号放大后，可被单片机的ADC所采集，实现对是否下雨以及下雨量的采集。3.4系统的驱动电路设计由于空调功率较大，而单片机输出电流较小，不足以驱动空调运行，因此，本设计需设置控制电路实现对高压的隔离以及提供足够的功率供空调使用，最常用的低压控制高压的隔离器件为电磁继电器，利用继电器实现的空调控制器示意图如图3-9所示。图3-9空调控制器原理图其中JDQ为控制信号，由于电磁继电器低压端电流达到90mA，超出单片机引脚输出电流，因此，设置PNP三极管9012实现对电流的放大后，控制继电器电磁部分实现高压端的开关，由此实现对加热器的控制。4.系统的程序流程设计4.1服务器设计物联网服务器选用机智云服务器实现，机智云服务器对开发者免费，开发者仅需通过对应开发者账号，即可使用机智云服务器实现对系统的设计。应用机智云服务器时，首先需注册开发者账号，注册完成后创建新产品，首先选择产品分类，本设计属于智能家居类，同时，本次设计使用ESP8266，利用Wi-Fi或移动网络方案设计，因此，选择Wi-Fi/移动网络方案，产品名称为智能家居系统，通讯方式为WiFi，数据格式为定长数据，可降低开发难度，由于不需要低功耗设计，因此，功耗设置为正常功耗设置，设置选择如图4-1所示。图4-1创建新产品页面完成产品的基本参数设置后，即可保存产品，于开发者界面即可获得当前的产品名称等。之后对设计的数据节点进行定义，本次设计中，输入数据包括当前的温度，环境光亮度，雨量大小等，此类数据均属于数值型数据，而各个设备开关，包括空调，灯光窗户窗帘等仅有开关两种状态，为布尔型数据。服务器端变量设置如图4-2所示图4-2数据设置对于环境光亮度等数据，不可通过人为设定改变其数值，因此为只读数据。对于布尔型开关数据状态，同样可由手动修改，因此，也是为可写数据。通过对以上数据的设置，基本完成对所有数据节点的定义。完成数据节点设置后，即可保存数据节点设置，之后按照机智云通讯手册，对通讯程序进行设计。在进行项目创建时，机智云服务器已经自动生成产品的密钥信息，所有设备只有输入正确密钥才能访问该产品服务，因此，程序设计时，应含有密钥信息。ESP8266内置有AT指令集固件，单片机可通过串口传输指令，实现对数据的透传，但采用AT指令集设计复杂，访问复杂，因此，机智云采用独立的机智云指令集设计，单片机无需再传输复杂的AT指令，仅需通过部分操作数发送，即可实现与服务器的对接，并实现数据透传的功能。在实现WIFI通信设置之前，需首先刷图机智云的专用固件。本次设计使用的ESP8266型号为ESP8266-12F，具有32Mbit固件空间，因此，可刷入机智云提供的32Mbit固件工具包。刷入工具采用由模组生产商乐鑫提供的固件专用烧录工具，通过对固件的烧录，实现对AT固件替换为机智云专用固件。固件烧录完成后，即可按照机智云提供的数据通信手册，实现对数据的上传与下载。按照机智云数据手册，整个系统的配置需首先进行配网设置，配网模式分为AP模式以及AirLink模式。AP模式由手机直接连接ESP8266模块发出的网络，并通过用户名密码设置后实现；AirLink模式通过手机APP对系统进行配网，为方便操作，本次设计选用Airlink模式进行配网，配网工作由手机APP实现。配网实现后，可按照机智云数据手册，实现对数据的发送与接收。4.2手机APP设计手机APP用于接收云端服务器所返回的数据，由于云端服务器设置采用机智云服务器设计，因此，在APP设计时，需调用机智云平台API用于接收云端服务器数据。手机APP设计时，采用机智云所提供的框架基础上进行修改，框架集成有机智云服务器数据发送与接收所使用的数据解码模块，在此基础上对源程序进行修改，首先应调整系统数据传输密钥，该密钥记录有项目名称以及数据解密密码，密钥在项目生成时生成，可通过项目信息获取。同时，需修改数据接收点以及数据接收界面信息，设计数据接收点以及接收界面后，可用于接收服务器返回的信息。APP结构如图4-3所示。图4-3APP结构结构中各个模块作用不同，其中，ControlModule模块为设备控制模块，用于控制模块，DeviceModule模块为设备模块，用于控制设备，首先需要对该两组模块进行修改。机智云服务器端具有大量的项目正在运行，手机APP访问机智云服务器时，将通过PS以及PK序列号密码进行对项目进行识别，实现对项目的定位。因此，需将PS码以及PK码写入ControlModule模块，用于访问服务器时对项目的识别，添加程序如图4-4所示。图4-4添加系统PS码与PK码由于本次设计中，仅具有一组设备，因此，无需对DeviceModule模块进行调整。之后，本文将对系统部分图片进行设计，利用AndroidStudio建立工程对图片进行添加，本次设计中，需要对程序启动画面，程序图标，以及控制界面图片进行添加，通过对图片设计，相关图片设计如图4-5所示。图4-5（a）程序启动画面图4-5（b）部分控制图标图4-5（c）APPICON图标将所有图片加入工程，并添加相关代码，使图片在相应位置进行展示，程序添加设计如图4-6所示。图4-6程序图片程序设计实现对系统图片的添加后，经过其他程序设计，即可实现对APP的设计。4.3联网通信程序流程设计本系统具有联网通信功能，该功能通过对无线透传模块设置以及无线服务器的数据传输实现。该功能需按照服务器要求数据格式添加数据包包头以及包尾后，服务器可识别数据格式。由于ESP8266为数据透传模块，数据链路仅由一次设定后，再次链接的链接由ESP8266自动完成，用户可通过透传功能将数据发送至服务器。首次设计时，需设置TCP/IP链接，链接至机智云项目服务器后，通过PS密码识别指定项目，之后即可实现数据通信。结合机智云的接入文档，配合ESP8266的AT指令集，可方便实现数据透传，首先应打开ESP8266的TCP/IP链接，并链接到机智云的服务器后，通过发送项目PS密码，即可成功登陆机智云服务器，之后可按照机智云数据手册打包数据后，透传至机智云服务器，实现数据上传以及下载。由于ESP8266通过串行通信接口与单片机相连，因此，进行数据传输时，首先初始化串行接口，按照默认波特率9600bps进行通信。之后，通过AT指令启动ESP8266的TCP/IP链接功能，其配网通过softAP模式实现，通过机智云的IP地址02实现广域网连接。连接后，即可发送项目PS密码至机智云服务器，实现项目服务器连接，此时，手机端已能够扫描至设备。手机端由用户操作的操作信息由手机APP进行打包，发送至服务器，服务器通过数据链路推送至单片机后，单片机将对数据进行解码，去掉包头以及包尾后，取回原数据，实现数据的接收，接收后，单片机将执行相应的指令，实现对紫外灯的远程控制。由此，可实现智能家居系统的远程控制。4.4系统总程序流程设计实现对系统各个流程设计后，对系统总程序流程进行设计，设计如图4-7所示。图4-7系统总程序流程系统启动后，首先进行初始化，完成后，将自动搜索wifi并连接，实现连接后，可开始读取各个传感器数据，并将传感器数据推送至服务器，服务器将数据发送至APP。由于采用HTTP连接，因此，终端需主动询问服务器控制信息，之后，终端系统将向服务器查询控制信息，并依据查询结果响应控制信息，实现对手机APP端的响应，由此实现对系统的设计。具体到本文中的操作如下：在使用时，对系统上电，打开APP，首先选择自动模式与手动模式，在自动模式下，首先通过热释电人体红外传感器判断是否有人，若有人再通过温度传感器检测室内温度，当室内温度低于27℃时，感应灯亮，空调开关打开，否则保持关闭；通过环境光传感器感测环境光亮度，当亮度低于一定值后，启动开关，灯亮，同时启动窗帘电机，关闭窗帘，否则保持灯关闭，窗帘打开的状态；通过雨滴传感器感测窗外是否下雨，若下雨则启动电机，窗户关闭，无雨的情况下，窗户自动打开。若选择手动模式，则可通过APP进行手动控制。整个操作过程如下流程图4-8所示。图4-8（a）雨滴传感器控制流程图4-8(b)环境光传感器控制流程图4-8（c）温度传感器控制流程5.系统的组装与调试5.1系统的组装完成对系统的设计后，本设计通过购买相关元器件实现对系统的组装，组装结果如图5-1所示。图5-1硬件电路搭建结果硬件电路包括中央控制器，温度传感器，环境光传感器，雨滴传感器以及各类驱动器等。其中窗帘电机选用230铜刷直流电机，具体参数为：尺寸：20*15*25，轴长：8mm、轴径：2mm、电压1-6v，转速：17000-18000每分钟，由于该电机实际扭矩不足，大概率拉不动实际窗帘，这里仅做演示，而在现实场景下，建议使用无刷直流减速电机，该电机适用于30-60kg的卧室轻型纱帘，最终距离地面20cm。对系统的组装后，按程序流程设计，对程序进行编写，编写完成后，通过编译器对程序进行编译，编译结果如图5-2所示。图5-2程序编译结果编译结果显示，系统通过了编译，之后，可对系统进行测试。5.2

系统的调试实现对系统的组装后，拟对系统进行调试，首先，将系统上电，上电显示结果如图5-3所示。图5-3系统上电结果系统上电后，指示灯亮，同时手机端APP中，可查看系统的信号采集信息，APP显示如图5-4所示。图5-4APP端显示APP端显示，当前的环境温度为25度，环境光亮度为795lux，无雨滴，同时有人在，系统当前处于手动模式，手动打开灯光，系统指示灯亮，手动打开窗户以及窗帘，系统均会依据系统的设置产生相应的动作，手动模式下，系统工作正常，之后，打开系统的自动模式。自动模式下，利用水滴模拟下雨，可观察到系统的窗户电机动作，实现关窗，环境亮度过低时，系统能够自动打开灯光，同时关闭窗帘。当系统温度过高时，系统空调指示灯亮，证明空调开始工作，通过设计与调试，系统所有功能工作正常，能够实现基于Android的智能家居系统的设计。总结本文旨在实现基于Android的智能家居系统的设计。通过对国内外发展状况的分析，提出一种配合AndroidAPP设计实现的智能家居系统。在硬件方面，该系统使用ATMEGA328P控制器，配合ESP8266实现对系统的硬件电路终端的设计，得出系统应具有的结构以及功能。通过使用雨滴传感器、环境光传感器、温度传感器以及热释电人体红外传感器实现对是否下雨、光亮度、环境温度、是否有人进行监测。在软件方面，我们使用机智云APP进