針對傳統智慧家居系統存在的操作複雜、可移動性差、升級維護成本高等缺點，本文提出了一種基於Android的智慧家居系統的設計和實現方案。採用了具有Android作業系統的智慧手機或平板電腦作為家居控制終端，以模組為核心的智慧開關和處理器作為家居控制器，通過無線路由器，搭建整個智慧家居系統平臺。

　　一、系統結構和工作流程

智慧家居系統主要由移動終端裝置、傳輸裝置、智慧開關和控制單元4部分組成，其中移動終端裝置是普遍在使用的智慧手機或平板電腦；傳輸裝置為無線路由器；智慧開關主要由WI-FI模組、CPU主控模組、AC-DC電源模組和可控矽開關模組組成；控制單元即為家用照明裝置。

移動終端裝置主要使用的是Android作業系統，WI-FI模組主要以cc3000-WG1300為核心器件，用於接收無線路由器傳送的資訊，CPU主控模組主要包含32位的STM32F103-48ARM處理器，通過SPI序列外部介面與WI-FI模組連線，讀取WI-FI模組轉換後的資訊；AC-DC電源模組用於給WI-FI模組、CPU主控模組、可控矽開關模組提供電源；可控矽開關模組用於控制燈的狀態。

系統結構佈局圖如圖１所示：

AC-DC電源模組上電後，給WI-FI模組、CPU主控模組、可控矽開關模組供電；

準備就緒後，使用者即可根據自己的需要在智慧手機（或平板電腦）上進行操作，傳送命令並通過無線路由器傳輸；

WI-FI模組接收來自無線路由器傳送的資訊，並進行相應的轉換後，通過SPI序列外部介面傳送給CPU主控模組；

CPU主控模組做相應的處理將命令給可控矽開關模組，可控矽開關模組識別命令後執行相應的動作來控制燈或電視機等用電裝置的狀態；

另一方面，使用者也可以通過按鍵操作方式來直接實現用電裝置的開與閉。

二、系統硬體平臺設計

智慧家居系統硬體電路主要由WI-FI模組、ARM處理器、儲存單元、電源模組、JTAG介面等組成。

（1）WI-FI模組

WI-FI模組採用CC3000－WG1300晶片實現資料的遠端傳輸，是一款自成一體的無線解決方案，內建無線網路協議IEE802.11協議以及TCP/IP協議，能夠實現使用者串列埠或TTL電平資料到無線網路之間的轉換，降低了設計的難度，同時大大提高了主控制器處理其他資料的能力，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板上除錯方便所設計。

（2）ARM處理器

ARM處理器主要以STM32F103為核心晶片，屬於中低端的32位ARM微控制器，該系列晶片是意法半導體公司出品，其核心是Cortex-Ｍ３，工作頻率為72MHｚ，內建高速儲存器，有豐富的增強I/O埠和連線到兩條APB匯流排的外設。其最小化電路如圖３所示。

　　（3）EEPROM儲存器

EEPROM是帶電可擦寫可程式設計只讀儲存器，是使用者可更改的只讀儲存器，其可通過高於普通電壓的作用來擦除和重寫。不像EPROM晶片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。電路圖如圖４所示。

（4）電源模組

電源模組採用了USB-MINI介面，該介面防誤差效能出眾，體積也比較小巧，普遍被使用者使用。另外還使用了LM1117低壓差電壓調節器，LM1117提供電流限制和熱保護。它與國家半導體的工業標準器件LM317有相同的管腳排列，它有可調電壓的版本，通過２個外部電阻可實現1.25～13.80V輸出電壓範圍。另外還有５個固定電壓輸出的型號。本系統採用該電壓調節器可實現3.30V的固定電壓輸出，電路如圖５所示。

　　（5）JTAG介面

JTAG介面是由測試訪問埠TAP控制器、旁路暫存器、指令暫存器和資料暫存器以及與JTAG相容的ARM架構處理器組成。處理器的每個引腳都有一個移位寄存單元將JTAG電路前處理器和邏輯電路聯絡起來，同時隔離了處理器核心邏輯電路與晶片引腳，所有的邊界掃描單元構成了邊界掃描暫存器BSR，該暫存器電路僅在進行JTAG測試時有效，在處理器核心正常工作時無效。其介面電路如圖６所示。

　　三、軟體設計

系統選擇具有Android作業系統的智慧手機或平板電腦作為移動終端平臺，在開發平臺上進行程式碼的編寫。軟體設計的流程圖如圖７所示。初始化服務在上電時自動開始執行，完成CPU和板級的初始化。初始化之後，首先，CPU主控模組讀取EEPROM中的資料，來確定將要執行的動作。即：

是否開關燈，並將所要執行的動作通過WI-FI模組連線到無線路由器獲取IP地址，獲取地址後，CPU主控模組開始檢測是否收到手機端資料包；

若收到資料包後就把當前燈的狀態傳送給手機，並執行開關動作以及設定開關定時來應答此資料包，當定時時間到時，執行定時動作；

若沒有收到資料包，直接檢視可控矽開關定時是否到，定時沒有到需要繼續檢視是否收到手機端資料包，等待執行開關動作。

另一方面，由系統結構圖可知，按鍵也可實現控制燈的開與閉，當按一下按鍵時，相當於執行一箇中斷，由於該中斷優先順序別較高，因此可直接驅使CPU主控模組傳送命令給可控矽開關，來執行開關燈動作，並執行WI-FI配置動作來配置WI-FI模組，需要裝置重啟則執行裝置重啟動作，流程圖如圖８所示。

　　四、實驗結果驗證與分析

將設計好的硬體電路在PCB板上進行設計，搭建整個智慧家居系統實驗平臺，把設計好的移動終端程式和伺服器程式分別安裝和移植到智慧手機和處理器上，在實驗室環境下進行了全面的實驗和除錯。系統所採用的手機是三星手機；智慧開關既可以由WI-FI進行控制，也可以由使用者手動控制；用電裝置由紅綠黃３種不同顏色的普通白熾燈組成。

首先，使用者在智慧手機執行實現燈亮滅的軟體，介面上會顯示3個燈的初始狀態都是滅的，使用者在該介面通過修改該軟體介面控制燈狀態的圖示，來實現燈的亮與滅；其次，開啟無線路由器，為實驗做準備。本實驗是通過修改軟體介面控制黃紅綠三個燈的狀態，即：點亮黃、綠兩盞白熾燈，紅燈保持不變，除錯結果如圖９所示。

由除錯結果表明，所設計的智慧家居系統執行穩定，使用者可在50ｍ左右的範圍內通過操作智慧手機，來實現燈泡的點亮與關閉。使用者也可以直接對智慧開關進行操作，實現燈泡的開與閉。使用者可通過Android手機傳送命令控制家居中的相應裝置，同時Android手機可實時顯示家居中用電裝置的狀態，即使不在家中，也可以實現相應的控制。

五、結語

本文提出的基於Android作業系統的智慧手機和無線通訊方式的智慧家居系統的設計和實現方案執行穩定，實現了對家用電器的本地控制。該系統以無線WI-FI智慧控制為基礎，佈線不再煩瑣，具有更好的可擴充套件性和移植性，節約了成本，具有廣闊的應用前景。

本文轉自d1net（轉載）