第一章 绪论
1.1 课题研究背景及其意义
1.1.1 课题的背景
1984 年，美国联合科技公司在美国康涅狄格州哈特福德市建造了第一座 “智能型建筑”,从此便引发了世界各国对智能家居的研究与发展[1].
智能家居在中国的发展已经有十几年了，它给人们带来了全新的生活理念，让人们更便捷的操控家里的电器[2].然而由于物联网概念的提出，把智能家居的发展又推向了一个新的方向，通过它将电器设备连接起来，从而接收和传递数据，电器设备通过相关技术进行数据传输[3].自从物联网发展起来后，物与物互联的概念深入人心[4].智能家居通过互联网技术，使得电器设备相互连接到一起，并拥有控制家电的开关，定时操作等功能。相比于传统的智能家居是借助于有限局域网对家电进行控制，需要复杂的排线工程，物联网时代下的智能家居通过无线通信技术来控制家电设备，减少了排线的麻烦，而且由于布线的成本也比较高，这部分的成本免去了之后，价格大幅度下降，使智能家居走进了平常百姓的家中[5].目前应用于智能家居的无线技术包括 Wi-Fi 技术，Zig Bee 技术，红外技术，蓝牙技术等，无线技术的应用使得智能家居系统更加整体化，管理更加方便[6].
不断提高的生活水平，促使人们有了更高层次的家庭环境的向往和追求。不仅仅是从房屋周边配套设施、房屋面积、地理位置、周边环境出要求，现在由于智能家居越来越低廉的价格和贴心的设计，人们希望他们可以享受更方便、更有质量的生活。人们对生活质量的不断追求是智能家庭发展最大的动力。
目前智能家居的功能还在不断拓展，包括远程家电的控制、游戏娱乐的智能体验等。
根据目前的发展情况分析估算，全世界未来数年内选择建立一个智能家居生活的家庭数量将会过亿。所以，智能家居产业的市场潜力是不可估量的[7].
1.1.2 课题的意义
本系统以 Android 平台为基础，通过无线通信技术、计算机技术和自动控制技术实现家电设备的远程监控。为家庭带来更便捷，舒适的生活方式。给普通的家用电器带来新的生命力，使它们更贴合人们的需求和期许，更人性化的为家庭提供服务。用户可以随时通过 Android 设备对家中的电器进行操控和监测。
由于智能家居产业的飞速发展，加上人们的生活方式也有所改变，智能家居走进普通家庭将是理所当然的事[8].根据相关资料表明，智能化的家电设备越来越受到人们的关注和青睐。随着智能家居每年五百万的增长速度，智能家居的市场需求将大幅度提升[8].因此，对智能家居系统的研究非常符合社会的发展与需求。
本系统可以跟常见的家用电器设备连接，对它们进行开关控制，如照明、电动窗帘、热水器等。从长远角度看，系统还可以进行扩展，以后还可以连接到更多的智能设备上，满足人们多样化的需求。用户通过 Android 界面对电器设备进行监控，操作简单易懂，使用体验直观方便。
通过本系统，用户可以随时随地的对家中的电器进行监控，时刻与家联系在一起。在科学技术快速发展的今天，人们对不断提高生活水平的向往和期许促进了智能家居的迅速提升，智能家居已经成为衡量一个国家经济实力和技术水平的因素之一。
1.2 国内外的智能家居研究现状
1.2.1 国外研究现状
第一次提出了智能家居这个概念就是源于 1984 年美国改造的那幢大楼[1],但智能家居离平民百姓依然很遥远。1998 年 5 月，新加坡举办了一个国际展览，在展览中展示的一个“未来之家”系统吸引了人们的注意，它有着更加丰富的功能，使人们对智能家居有了更直观的体验和感受，更是指明了智能家居发展的道路[9].此后，智能家居产业受到了广泛关注，一些世界先进的技术公司在联合在一起，提出了一些智能家庭系统的实现计划。拉开了智能家居生活的序幕。
与传统的家庭生活相比，智能家居提供了一种全新的，更加舒适的生活方式。智能家居系统也从有线的整体布局的方式转变成了无线的灵活布局的方式，对家电设备的联网控制替代了单独控制，这是传统居家生活到智能化居家生活的蜕变。伴随着科技发展和人们消费观念的改变，智能家居正位于它的发展高峰期。
目前，智能家居在某些发达国家已经有了非常激动人心的进展。一个韩国研发的智能家居系统，是基于 Zig bee 作为网络通信协议的，同时使用了中间件、传感器、网络服务和相关技术等[10].根据目前了解的一些传感器的特性，传感器网络可以更好地应用在智能家庭这样一个动态的环境中，为用户提供更方便、灵敏、高效节能的智能家庭控制设备的解决方案。
美国德克萨斯大学设计了一款智能家居系统 Mav Home,这个系统的运行成本是比较小的，而且非常节能。系统可以用户的使用情况学习相应的使用模式并且检测电器设备状态，使用户体验到最舒适的生活[11].
美国另一个智能家居系统 ControW,可以对各种家电设备集中式的管理和控制，也是运用了 Zig bee 技术和自组网络的技术，系统的使用安装非常简单，且具有拓展性[11].
美国 Honeywell 公司设计了一种单户型的物联网智能家居系统，这个系统可以控制电灯、窗帘的开关，并且有提醒的功能，还可以对其中的功能进行相应的配置。可以让高端1[11].
近几年来，微软、Motorola 等美国的一些知名的公司也开始大力的研发设计智能家居，并且发布了一些功能比较全面的产品，比如 IBM 的“家庭主任”、Motorola 旳“居所之门”、微软的“梦幻之家”等，它们得到了相当一部分人们的青睐与关注[12].
现在的智能家居新的发展方向就是，智能家居的控制端从 pc 变成了移动设备，移动设备的控制正真体现了智能家居的便捷性与人性化，使用户能够真正体验到随时随地对家电进行控制，感受到智能家居带来的便利。
2011 年谷歌设计出了一种基于 Android 平台的智能家居系统，通过 Android 智能移动设备与中央管理控制器相互通信，由中央管理控制器对电灯、饮水机等电器发送指令，进而对它们进行操控。该系统还可以控制影音设备播放音乐，甚至计算用户运动中消耗掉的卡路里数。
现在全球有很多家庭已经选择了智能家居，比如在新加坡，就有将近五千的家庭用户，在美国有近 40000 户家庭迈向了智能家居。而在未来的几年中，智能家居将有更大更广的发展空间，智能家居已经成为全球流行的时尚文化，世界各地的人们都在追求这种现代化的生活方式。据相关数据统计，智能家居相关产品的销售额将在未来的十年里达到 328 亿美元，这是一个不容忽视的巨大的市场[1].
1.2.2 国内研究现状
目前为止，国内智能家居系统的发展已超过十年，但智能家居产业仍处于起步阶段，虽然有不少厂家在生产智能家居产品相关设备，但至今还没有能够大规模生产的厂家，国内对智能家居产业没有标准，用户认知度不高，这些都是抑制产业发展的原因，但更主要的就是因为其安装过程非常复杂、成本过高而导致价格不菲、稳定性也有待提高[13].
由于物联网概念的出现给智能家居引导了一个新的发展方向，加上国家对智能家居产业的重视，智能家居进入了发展的上升期，迎来了市场的春天。为了抢占市场先机，很多国内的商家都开始各自研发智能家居产品，智能家居市场正以几何式的速度增长着[14].
同时，这几年智能手机的发展也非常的迅速，与传统的手机系统相比，智能手机的功能更多更全面，运算速度也更快，更能满足人们多样的需求。目前使用范围最广的操作系统就是 Android 系统和 iOS 系统。根据相关机构统计的数据表明，2015 年国内智能机市场Android 份额预计达到 81.36%,占据统治地位，iOS 份额预计占据 11.00%的市场份额。由此看来，Android 手机的市场份额第一的地位难以撼动[15].因此，研发出一种基于 Android的智能家居系统更符合市场的发展趋势，具有长足的意义。
由于国内智能家居概念的深入人心，人们对智能的家庭生活也越来越向往，智能家居产业正处于一个即将快速发展的阶段，具有无穷的市场潜力，光明的发展前景[16].所以，国内的很多企业都把目光放到了智能家居产业中，深入的研究了市场的需求变化和发展环境，进而产生了更多批智能家居企业，它们成为了国内智能家居产业发展的龙头。
从 2011 年至今，我国政府政策对房地产行业进行了调控，智能家居产业也经历了又一个拐点，增长趋势明显，告别了徘徊期，正式进入了融合演变期。
在之后的几年中，智能家居行业在飞速发展的同时，也会出现互相融合的情况。未来的五到十年间，智能家居将会在激烈的竞争中急速发展，谁是胜利者并不能预测，但可以预见的是，国内在这期间将会出现大量的智能家居企业，有的企业一年的销售额将会达到上百亿甚至更高[17].
从 2014 年至今，市场上已经出现了品种繁多、花样百出的智能家居产品，也给消费者带来了不少惊喜，但始终没有特别突出的案例出现，这也从侧面反映了我国的智能家居产业发展仍然在摸索中前进。但是更多的企业正在涉足智能家居，相信人们很快就能体验到令人满意智能生活[18].
1.3 基于 Android 智能家居的优势
Android 系统作为使用范围最广的移动终端操作系统，不仅在手机和平板电脑上有了大量的应用，甚至有的电视等设备的操作系统也是 Android.在 2015 年底，Android 的市场占有率达到了约百分之八十，而 iOS 系统的市场占有率仅仅是百分之十左右，Android系统遥遥领先。并且，Android 系统的移动终端比 iOS 系统的终端价格低廉，更受到大众的青睐，用户群更大。
Android 系统具有很强的操作性，它本身的特性更适合提供智能家居系统的实现。支持 C/C++（底层）JAVA（应用层）的开发，同时 Android 系统带有消息推送接口，智能家居系统可以利用此接口将电器设备的状态进行定时推送，用户可以随时了解家中的状况[19].
系统封装了 HTTP、SSL、Cookie 等协议，同时也可以使用套接字进行程序的编写[20].
与此同时，Android 系统的易用性强，移动终端轻巧方便携带，出门在外也可以利用Wi-Fi 或其他的互联网接入方式对家电进行操控，时刻了解家里的状况。
1.4 论文的组织及结构安排
本文的智能家居系统是基于 Wi-Fi 无线通信技术和 Android 平台的研究与设计。以功能的角度来看，本文将该智能家居控制系统分为数据采集终端节点和 Android 监控平台两大部分。数据采集终端节点利用 Arduino 单片机和 ESP8266 芯片作为 Wi-Fi 模块，实现对家电设备的控制和信号传输，后者则利用 Android 操作系统进行终端软件的设计，实现对电器设备的远程控制和监测。本论文的主要工作包括：
1.数据采集终端节点的设计与实现。数据采集终端节点的作用是对室内环境进行控制和检测，采用 ESP8266 模块和 Arduino 模块相结合的方式来实现系统的控制与数据交互。本文分别设计了窗帘控制系统，灯光控制系统，温湿度监控系统，烟雾与可燃气体监控系统等四个子系统。
2.Android 监控平台的设计与实现。分析出本智能家居系统的所需要的功能后，对各个部分进行规划。本系统设计的功能模块有登录模块，智能控制模块，场景模式模块和监控报警模块，其中设备控制模块又分别包括添加房间，编辑房间和各房间家电控制三种功能。家电控制主要包括灯光控制，窗帘控制等电器的开关控制操作以及温湿度与可燃气体的监测等。
3.对整个系统进行测试。测试表明设计的功能均可实现且基本无差错，温度监控与可燃气体监控数据基本没有误差，报警功能正常，证明系统的工作稳定并且测量结果可靠。
以下是本文的组织及结构安排：
第一章，绪论。对智能家居问世以来一路的发展进行了简单的阐述，论述了本课题的研究意义，同时分别对国内外的智能家居产业现状进行了分析，总结出了基于 Android 系统的智能家居的优势，最后对本文的主要工作和组织结构进行了阐述。
第二章，对智能家居系统所需要用到的技术进行了研究。首先对 Android 进行了研究与分析，介绍了 Android 平台的整体架构、特性以及应用开发的基本组件。随后介绍了系统终端软件开发要用到的 Android 上层应用和 NDK 技术，为软件开发做好准备。接着分析了 Android 的数据存储技术，选择 SQLite 作为本系统的数据库。最后介绍了本系统采用的 Wi-Fi 通信技术。
分别分析了系统的功能上的需求和性能上所要达到的要求，从而得出系统的整体模型，包括数据采集终端节点的设计和系统软件终端的设计。随后对数据采集终端节点的设计进行了详细的介绍，系统的硬件部分采用 ESP8266 模块和 Arduino 模块相结合的方式来实现系统的控制与数据交互。多个数据采集终端节点组成了室内环境监控系统，对室内的不同家电进行开关控制，监测室内的温度、湿度以及可燃气的浓度。室内环境监控系统包括四个子系统，分别是窗帘控制系统、灯光控制系统、温湿度监控系统以及烟雾与可燃气体监控系统。Arduino 模块是数据采集终端节点的核心控制器，内部的控制程序为 C 语言。最后设计了不同部分的数据库。
第四章，智能家居系统的软件设计。首先分析了软件的功能设计，对软件终端的结构进行总体把握。接着用 Eclipse+ADT 的方案搭建开发软件终端所需的 Android 平台开发环境。之后对软件的设计进行了描述，分别阐述了各个界面的功能，实现对电器设备的远程监控。
第五章，系统测试。对整个系统的测试分为两块，分别是功能测试和性能测试，来验证功能的完整和整体的性能。实验结果表明系统的可靠与稳定，并给出数据表格。
第六章，总结与展望。对论文进行总结，对系统中的不足之处进行指出，对以后的工作引导了方向。
