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基于Android的无线智能家居安防系统

梁玉琛，张森，李全虎

摘要：近年来，智能家居安防产业取得快速发展，人们对智能家居安防系统的需求不断增加。 而由于传统安全系统的技术限制，导致单一功能，而整体监控无法实现。 因此，本文主要利用Android技术和ZigBee，Wi-Fi无线传感器通信网络，为智能家居安防系统的建设提供灵活方便的无线解决方案。 该系统采用模块化思想，实现了家庭环境监控，视频监控，火灾自动报警，盗窃自动报警，燃气泄漏报警，家用电器智能控制等多种功能，使家居生活更加安全，更舒适，更方便。 经过实验测试，系统运行良好，达到预期目标，具有较好的实用价值。

关键词:Android，ZigBee，Wi-Fi，智能家居，安全。

绪论

智能家居安防产业是一个新兴的高科技产业，具有巨大的市场容量。 随着人们生活水平的提高，行业认知度的提高以及智能家居日益普及，消费者对智能家居的需求不断增长，行业前景非常广阔。

由于传统家居安防系统的技术局限性，整体监控无法实现。 传统的安防系统大多通过电话线报警，并且相关的各种灾害报警系统相对独立，经常发生虚假信息和信息遗漏，大部分时间业主不能即时收到报警信息，从而延误处理造成无法挽回的损失的危险情况的最佳时机。基于以上原因，本文基于真实环境，采用无线传感器网络技术构建低功耗，自组织，高可靠性的家庭网络，其无线控制模式使得操作更加方便灵活智能家居安防系统。 终端APP基于Android系统与其他平台相比，Android系统在开源代码和改进系统应用程序接口方面具有很大的优势，因此UI和系统流畅性的交互体验更加优越[1,2]。 多终端传感器节点通过无线网络收集可与Android手机APP同步的环境参数和安全信息，便于用户实时查看，无需具体时间跟踪，从而节省人力成本，提高可靠性，系统的灵活性。 同时，借助GSM网络中的短消息服务，针对各种危险情况的自动远程报警消息可以及时通知用户为下一步做出安全措施。

实验方案与设计

该系统的网络主要由ZigBee和Wi-Fi无线网络组成。 同时，该系统还依赖于GSM网络的短消息业务。 ZigBee终端节点负责收集温度，湿度，烟雾，热释电数据，家用电器开关卷数据以及将数据上传到协调节点。 协调员汇总数据，并判断终端传感器是否异常。 当传感器数据被触发到报警阈值时，GSM网络会自动发送报警消息给用户的电话。同时协调器通过UART与智能网关的中央处理器进行交互。 智能网关建立Wi-Fi网络。相机拍摄的视频监控图像通过Wi-Fi网络传输。 该系统具有双边控制功能。 终端Android手机接入Wi-Fi网络后，用户不仅可以在APP上实时查看不同终端节点采集到的环境参数和安全信息，还可以实现对APP整个系统的自顶向下控制。 图1是家居智能监控系统的网络结构图。

Zig Bee模块的配置

Zig Bee是一种双边无线通信技术，具有自组织网络，低复杂度，低功耗和低成本的优势，Zig Bee具有三种网络结构：星形，树形和网状网络[3]。 系统采用由协调器和多终端节点组成的星形网络，实现多终端节点与协调器之间的数据通信。

Zig Bee节点使用美国TI公司的CC2530作为微处理器。 微处理器由传感单元，处理器单元，通信单元和电源模块组成。 它用于执行Zig Bee网络构建，传感器数据采集和无线传输以及与智能网关的通信。

感测单元包含烟雾，温度，湿度，热电传感器和继电器模块，负责收集信息并将信息传输到传感器单元; 处理器单元负责控制节点的处理操作，路由协议，电源管理，其主要目的是实现安全可靠的网络通信。 通信单元负责与Zig Bee网络的其他节点进行通信，传递控制信息和数据; 电源模块负责为每个模块供电。 CC2530处理器支持ZIGBEE 2007协议，使用Z-Stack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈。 该芯片是在IAR Embedded Workbench开发环境下开发的，我们使用C语言进行相关编程。

Zig Bee终端节点将收集到的数据发送到协调节点，并且还从协调节点接收反向控制命令。 终端节点通过按需传输将数据上传到协调节点。 图2是终端节点的软件流程图。

Zig Bee协调员负责构建网络，接收多终端节点发送的环境参数和安全信息。 它通过UART将信息上传到智能网关。 协调器通过UART接收智能网关发送的反向控制指令，并将信息传送给多个终端节点。

在本文中，协调器节点通过按需传输模式向终端节点发送控制指令。 图3是协调器软件设计的流程图。

Wi-Fi模块的配置

Wi-Fi技术是一种短距离无线通信技术和无线通信协议。 它的正式名称是IEEE802.11b。 Wi-Fi具有传输速率高，覆盖范围广，抗干扰性强，组网方便等优点，其工作频率为2.4GHz。本系统中的智能网关采用Wi-Fi嵌入式无线以太网模块RT5350作为主控芯片，负责视频信号采集和Wi-Fi网络无线传输任务。网关硬件电路由网络接口​​电路，模块接口电路，串口电路的USB传输，USB摄像头接口电路和电源电路组成。图4是智能网关的模型图。 主芯片在软件系统上移植Openwork系统。系统是一个嵌入式Linux系统，具有高度模块化和高度自动化的特点，具有强大的网络组件和可扩展性。本文使用此系统实现Wi-Fi网络配置。

智能网关软件设计分为Openwork操作系统下载和迁移，IP地址配置和无线接入模式设置，USB设备负载设置，配置视频流格式等。为了防止与其他专用网络IP地址冲突，需要配置IP地址的模块。 该模块还配置为无线接入模式，然后其他终端可以无线访问该模块以获取视频信号。

在该系统中，网关配置了USB免费驱动摄像头以支持无线安全监控。 系统需要为Wi-Fi传输设置视频流格式，而摄像机使用的视频流格式为MJPEG。 完成上述配置后，Wi-Fi网络最终建立。 当Android手机访问热点时，输入Wi-Fi网络IP地址，即可观看实时视频监控。

Android应用程序的设计

本文将Android终端与智能家居设备联系起来，研究并实现基于Android的智能控制终端。 在此系统中，终端Android手机通过无线网络与家用电器或传感器进行通信。考虑到数据传输可靠性的要求，TCP具有面向连接，可靠性高，数据传输量大等优点，因此本文采用基于TCP（面向连接）协议的Socket通信。Android客户端将首先建立一个Socket对象，然后绑定服务器的IP地址和端口号[7]。服务器端调用accept函数并设置一个块以等待客户端的数据。 如果Android客户端的IP地址和端口号与服务器端的相应信息匹配，则客户端可以与服务器端建立连接。 然后，客户端调用写入功能从输出流中输入数据，这意味着Android客户端只需要将数据写入智能网关的Wi-Fi通信模块。APP功能的设计包括三部分：家用电器的开关控制，家庭环境监控和视频监控。 其中，家庭环境参数监测包括温度，湿度和烟气参数监测。Android手机连接到Wi-Fi网络后，APP的界面可以实时显示多终端节点中各个传感器采集到的参数信息。APP的功能设计包括温度，湿度，烟雾参数显示界面，按钮控制程序和视频监控程序设计等。

结果与讨论

基于Android的无线智能家庭安全系统在图5的模型中呈现。图6显示了开发的Android GUI应用程序。GUI的应用程序由三个界面显示。图6（a）是用户的开始界面，它需要用户输入指定的IP地址，然后才能连接Wi-Fi。连接成功后，用户可以进入图6（b）的主界面，用户可以实时查看各终端节点收集到的温度，湿度，烟雾等环境参数，并可实现对各终端的智能控制照明设备。图6是一个视频监控界面，用户可以通过APP对指定位置进行视频监控。为了验证系统的功能和性能，并确保系统按预定的设计目标运行，本文对系统进行了测试。 由于系统使用Zig Bee星型网络，本文选择一个协调节点和多个终端节点进行测试。 首先，Zig Bee节点和智能网关系统是电动的。然后，Android手机连接到智能网关构建的Wi-Fi网络：

• 1. 观察Android终端APP上各个终端位置的温度，湿度，烟雾浓度等数据是否同步更新;
  2. 触发温度传感器，烟雾传感器，热电传感器告警门限，通过GSM网络观察终端手机中发送的告警信息;
  3. 通过按APP上的按钮开关来测试相应照明设备的工作状态;
  4. 在APP上实时监控指定位置的视频监控画面。

表1显示了Android平台上照明设备控制的反馈结果。环境参数和安全信息随机测试了5组数据，测试结果如表2所示。

综合分析测试结果，系统可以稳定可靠地工作。 作为智能家居系统的终端控制系统，Android手机可以实时监控终端节点采集的环境参数，并有效控制相应的照明设备。 系统可实现火灾，盗窃，煤气泄漏自动文字报警，用户可通过Android APP查看指定地点的监控画面。 在测试过程中，本文设计的每个模块都协调工作，没有冲突。 所有的系统功能测试都是正确的。 以上结果符合基于Android的无线智能家居安防系统的设计要求，系统稳定可靠。

图5.系统整体模型图。

图6.开发的Android GUI应用程序：（a）网络连接屏幕，（b）主屏幕，（c）视频监控屏幕。

表1.自动控制照明设备的测试结果。

表2.环境参数和安全信息的测试结果。

总结

在本文中，我们在一个流行的研究主题智能家庭安全系统中进行了研究，并且我们研究了一些基于Zig Bee和Wi-Fi的主题无线传感器网络，基于Android的智能家居安防系统APP的研究。 结合具体项目需求和技术指标，设计了基于Android的无线智能家居安防系统，在软硬件架构设计方案中进行了详细讨论。 借助无线网络技术，智能家居系统的通信具有更大的灵活性和隐蔽性，同时，Android手机作为整个家庭系统的终端控制系统，提高了系统的实用性。 首先，系统运行稳定，功能全面，可靠性好，具有实用的推广价值。

参考文献

[1]吕洪海.基于Android的智能家居无线控制系统的设计与实现.电子科技大学，2012。

[2]章金金.硕士论文，智能家居系统的设计与实际应用.北京.北京邮电大学，2011。

[3]尚丽丽.基于Zig Bee的智能家居系统设计.大连理工大学，2010。

[4]张宇汉.基于WI-FI系统的智能家居家具的设计与实现.天津工业大学，2011。

[5]吴小浓.基于RT5350的无线视频监控系统的设计与实现.南京邮电大学，2016。

[6]翁玉宇.基于OpenWRT的智能家居监控系统的研究与实现.广东工业大学，2015。

[7]陈莉.基于Android家居的智能控制系统的设计与实现.西安电子科技大学，2014。

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