針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)存在的操作復(fù)雜、可移動性差、升級維護成本高等缺點，本文提出了一種基于Android的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案。采用了具有Android操作系統(tǒng)的智能手機或平板電腦作為家居控制終端，以模塊為核心的智能開關(guān)和處理器作為家居控制器，通過無線路由器，搭建整個智能家居系統(tǒng)平臺。

　　一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程

智能家居系統(tǒng)主要由移動終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、智能開關(guān)和控制單元4部分組成，其中移動終端設(shè)備是普遍在使用的智能手機或平板電腦；傳輸設(shè)備為無線路由器；智能開關(guān)主要由WI-FI模塊、CPU主控模塊、AC-DC電源模塊和可控硅開關(guān)模塊組成；控制單元即為家用照明設(shè)備。

移動終端設(shè)備主要使用的是Android操作系統(tǒng)，WI-FI模塊主要以cc3000-WG1300為核心器件，用于接收無線路由器傳送的信息，CPU主控模塊主要包含32位的STM32F103-48ARM處理器，通過SPI串行外部接口與WI-FI模塊連接，讀取WI-FI模塊轉(zhuǎn)換后的信息；AC-DC電源模塊用于給WI-FI模塊、CPU主控模塊、可控硅開關(guān)模塊提供電源；可控硅開關(guān)模塊用于控制燈的狀態(tài)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖如圖１所示：

AC-DC電源模塊上電后，給WI-FI模塊、CPU主控模塊、可控硅開關(guān)模塊供電；

準(zhǔn)備就緒后，用戶即可根據(jù)自己的需要在智能手機（或平板電腦）上進行操作，發(fā)送命令并通過無線路由器傳輸；

WI-FI模塊接收來自無線路由器傳送的信息，并進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，通過SPI串行外部接口傳送給CPU主控模塊；

CPU主控模塊做相應(yīng)的處理將命令給可控硅開關(guān)模塊，可控硅開關(guān)模塊識別命令后執(zhí)行相應(yīng)的動作來控制燈或電視機等用電設(shè)備的狀態(tài)；

另一方面，用戶也可以通過按鍵操作方式來直接實現(xiàn)用電設(shè)備的開與閉。

二、系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

智能家居系統(tǒng)硬件電路主要由WI-FI模塊、ARM處理器、存儲單元、電源模塊、JTAG接口等組成。

（1）WI-FI模塊

WI-FI模塊采用CC3000－WG1300芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，是一款自成一體的無線解決方案，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEE802.11協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口或TTL電平數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，降低了設(shè)計的難度，同時大大提高了主控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力，如圖２所示。

由圖２可知R5、R7、R9、R46、R47電阻均為０，但有著不同的用途，其中電阻R5、R7、R8為隔離作用，而電路中電阻R46-R49是為了在PCB板上調(diào)試方便所設(shè)計。

（2）ARM處理器

ARM處理器主要以STM32F103為核心芯片，屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體公司出品，其內(nèi)核是Cortex-Ｍ３，工作頻率為72MHｚ，內(nèi)置高速存儲器，有豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。其最小化電路如圖３所示。

　　（3）EEPROM存儲器

EEPROM是帶電可擦寫可編程只讀存儲器，是用戶可更改的只讀存儲器，其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重寫。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。電路圖如圖４所示。

（4）電源模塊

電源模塊采用了USB-MINI接口，該接口防誤差性能出眾，體積也比較小巧，普遍被用戶使用。另外還使用了LM1117低壓差電壓調(diào)節(jié)器，LM1117提供電流限制和熱保護。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列，它有可調(diào)電壓的版本，通過２個外部電阻可實現(xiàn)1.25～13.80V輸出電壓范圍。另外還有５個固定電壓輸出的型號。本系統(tǒng)采用該電壓調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)3.30V的固定電壓輸出，電路如圖５所示。

　　（5）JTAG接口

JTAG接口是由測試訪問端口TAP控制器、旁路寄存器、指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器以及與JTAG兼容的ARM架構(gòu)處理器組成。處理器的每個引腳都有一個移位寄存單元將JTAG電路預(yù)處理器和邏輯電路聯(lián)系起來，同時隔離了處理器內(nèi)核邏輯電路與芯片引腳，所有的邊界掃描單元構(gòu)成了邊界掃描寄存器BSR，該寄存器電路僅在進行JTAG測試時有效，在處理器內(nèi)核正常工作時無效。其接口電路如圖６所示。

　　三、軟件設(shè)計

系統(tǒng)選擇具有Android操作系統(tǒng)的智能手機或平板電腦作為移動終端平臺，在開發(fā)平臺上進行代碼的編寫。軟件設(shè)計的流程圖如圖７所示。初始化服務(wù)在上電時自動開始執(zhí)行，完成CPU和板級的初始化。初始化之后，首先，CPU主控模塊讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)，來確定將要執(zhí)行的動作。即：

是否開關(guān)燈，并將所要執(zhí)行的動作通過WI-FI模塊連接到無線路由器獲取IP地址，獲取地址后，CPU主控模塊開始檢測是否收到手機端數(shù)據(jù)包；

若收到數(shù)據(jù)包后就把當(dāng)前燈的狀態(tài)發(fā)送給手機，并執(zhí)行開關(guān)動作以及設(shè)置開關(guān)定時來應(yīng)答此數(shù)據(jù)包，當(dāng)定時時間到時，執(zhí)行定時動作；

若沒有收到數(shù)據(jù)包，直接查看可控硅開關(guān)定時是否到，定時沒有到需要繼續(xù)查看是否收到手機端數(shù)據(jù)包，等待執(zhí)行開關(guān)動作。

另一方面，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，按鍵也可實現(xiàn)控制燈的開與閉，當(dāng)按一下按鍵時，相當(dāng)于執(zhí)行一個中斷，由于該中斷優(yōu)先級別較高，因此可直接驅(qū)使CPU主控模塊發(fā)送命令給可控硅開關(guān)，來執(zhí)行開關(guān)燈動作，并執(zhí)行WI-FI配置動作來配置WI-FI模塊，需要設(shè)備重啟則執(zhí)行設(shè)備重啟動作，流程圖如圖８所示。

　　四、實驗結(jié)果驗證與分析

將設(shè)計好的硬件電路在PCB板上進行設(shè)計，搭建整個智能家居系統(tǒng)實驗平臺，把設(shè)計好的移動終端程序和服務(wù)器程序分別安裝和移植到智能手機和處理器上，在實驗室環(huán)境下進行了全面的實驗和調(diào)試。系統(tǒng)所采用的手機是三星手機；智能開關(guān)既可以由WI-FI進行控制，也可以由用戶手動控制；用電設(shè)備由紅綠黃３種不同顏色的普通白熾燈組成。

首先，用戶在智能手機運行實現(xiàn)燈亮滅的軟件，界面上會顯示3個燈的初始狀態(tài)都是滅的，用戶在該界面通過修改該軟件界面控制燈狀態(tài)的圖標(biāo)，來實現(xiàn)燈的亮與滅；其次，打開無線路由器，為實驗做準(zhǔn)備。本實驗是通過修改軟件界面控制黃紅綠三個燈的狀態(tài)，即：點亮黃、綠兩盞白熾燈，紅燈保持不變，調(diào)試結(jié)果如圖９所示。

由調(diào)試結(jié)果表明，所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)運行穩(wěn)定，用戶可在50ｍ左右的范圍內(nèi)通過操作智能手機，來實現(xiàn)燈泡的點亮與關(guān)閉。用戶也可以直接對智能開關(guān)進行操作，實現(xiàn)燈泡的開與閉。用戶可通過Android手機發(fā)送命令控制家居中的相應(yīng)設(shè)備，同時Android手機可實時顯示家居中用電設(shè)備的狀態(tài)，即使不在家中，也可以實現(xiàn)相應(yīng)的控制。

五、結(jié)語

本文提出的基于Android操作系統(tǒng)的智能手機和無線通信方式的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了對家用電器的本地控制。該系統(tǒng)以無線WI-FI智能控制為基礎(chǔ)，布線不再煩瑣，具有更好的可擴展性和移植性，節(jié)約了成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。