針對傳統智能家居系統存在的操作復雜、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的智能家居系統的設計和實現方案。采用了具有Android操作系統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平臺。
一、系統結構和工作流程
智能家居系統主要由移動終端設備、傳輸設備、智能開關和控制單元4部分組成，其中移動終端設備是普遍在使用的智能手機或平板電腦；傳輸設備為無線路由器；智能開關主要由WI-FI模塊、CPU主控模塊、AC-DC電源模塊和可控硅開關模塊組成；控制單元即為家用照明設備。
移動終端設備主要使用的是Android操作系統，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、可控硅開關模塊提供電源；可控硅開關模塊用于控制燈的狀態。
系統結構布局圖如圖１所示：
AC-DC電源模塊上電后，給WI-FI模塊、CPU主控模塊、可控硅開關模塊供電；
準備就緒后，用戶即可根據自己的需要在智能手機（或平板電腦）上進行操作，發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，并進行相應的轉換后，通過SPI串行外部接口傳送給CPU主控模塊；
CPU主控模塊做相應的處理將命令給可控硅開關模塊，可控硅開關模塊識別命令后執行相應的動作來控制燈或電視機等用電設備的狀態；
另一方面，用戶也可以通過按鍵操作方式來直接實現用電設備的開與閉。
二、系統硬件平臺設計
智能家居系統硬件電路主要由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芯片實現數據的遠程傳輸，是一款自成一體的無線解決方案，內置無線網絡協議IEE802.11協議以及TCP/IP協議，能夠實現用戶串口或TTL電平數據到無線網絡之間的轉換，降低了設計的難度，同時大大提高了主控制器處理其他數據的能力，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板上調試方便所設計。
（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體公司出品，其內核是Cortex-Ｍ３，工作頻率為72MHｚ，內置高速存儲器，有豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。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輸出電壓范圍。另外還有５個固定電壓輸出的型號。本系統采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、指令寄存器和數據寄存器以及與JTAG兼容的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電路預處理器和邏輯電路聯系起來，同時隔離了處理器內核邏輯電路與芯片引腳，所有的邊界掃描單元構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，在處理器內核正常工作時無效。其接口電路如圖６所示。
三、軟件設計
系統選擇具有Android操作系統的智能手機或平板電腦作為移動終端平臺，在開發平臺上進行代碼的編寫。軟件設計的流程圖如圖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。初始化之后，首先，CPU主控模塊讀取EEPROM中的數據，來確定將要執行的動作。即：
是否開關燈，并將所要執行的動作通過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據包；
若收到數據包后就把當前燈的狀態發送給手機，并執行開關動作以及設置開關定時來應答此數據包，當定時時間到時，執行定時動作；
若沒有收到數據包，直接查看可控硅開關定時是否到，定時沒有到需要繼續查看是否收到手機端數據包，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，相當于執行一個中斷，由于該中斷優先級別較高，因此可直接驅使CPU主控模塊發送命令給可控硅開關，來執行開關燈動作，并執行WI-FI配置動作來配置WI-FI模塊，需要設備重啟則執行設備重啟動作，流程圖如圖８所示。
四、實驗結果驗證與分析
將設計好的硬件電路在PCB板上進行設計，搭建整個智能家居系統實驗平臺，把設計好的移動終端程序和服務器程序分別安裝和移植到智能手機和處理器上，在實驗室環境下進行了全面的實驗和調試。系統所采用的手機是三星手機；智能開關既可以由WI-FI進行控制，也可以由用戶手動控制；用電設備由紅綠黃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燈亮滅的軟件，界面上會顯示3個燈的初始狀態都是滅的，用戶在該界面通過修改該軟件界面控制燈狀態的圖標，來實現燈的亮與滅；其次，打開無線路由器，為實驗做準備。本實驗是通過修改軟件界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，調試結果如圖９所示。
由調試結果表明，所設計的智能家居系統運行穩定，用戶可在50ｍ左右的范圍內通過操作智能手機，來實現燈泡的點亮與關閉。用戶也可以直接對智能開關進行操作，實現燈泡的開與閉。用戶可通過Android手機發送命令控制家居中的相應設備，同時Android手機可實時顯示家居中用電設備的狀態，即使不在家中，也可以實現相應的控制。
五、結語
本文提出的基于Android操作系統的智能手機和無線通信方式的智能家居系統的設計和實現方案運行穩定，實現了對家用電器的本地控制。該系統以無線WI-FI智能控制為基礎，布線不再煩瑣，具有更好的可擴展性和移植性，節約了成本，具有廣闊的應用前景。
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