基于 Android 控制平台的家居机器人设计与实现
摘要：便捷性是研究智能家居系统的重要问题之一，针对目前智能家居系统存在的安装困难、操控与管理不方便等问题。
设计了一种基于 Android 控制平台的家居机器人。机器人实现智能化家居服务，无需破坏现有家装环境；基于 Android控制平台的家居机器人，用户可在任意时候任意地点实现家居情况的远程监控，并可控制机器人进行远程视觉巡航和实现各种操控。随着 WIFI 技术和 4G 网络的成熟与发展，以及 Android 系统的广泛应用，基于 Android 控制平台的家居机器人将会受到广泛关注与应用。
关键词：智能家居；机器人；Android
中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0064-02.
智能家居系统具有安全、可靠和便利性等突出特点[1-2]，已成为新建高档小区的标志。然而对于广大已完成装修的家庭，其安装困难、改造成本高等问题，限制了它在市场中的广泛推广与应用[3]。
机器人是能在地面自由行走，具有智能化程度高、功能强等特点，用它代替智能家居的监控中心，不需安装和改动线路就能直接在任何家庭使用，有利于广泛推广。
Android是近年来发展迅猛的移动操作系统平台，2013年已占全球智能手机 78.9%的市场，占中国 90%以上的市场，且使用越来越广泛[4]。本文介绍一种基于 Android 的家居机器人，可利用手机随时随地远程实时监控家居环境，并可直接视频控制机器人自由巡查和完成特定任务，能为用户提供更多功能与便利。
1 机器人硬件设计
家居机器人系统由基于嵌入式系统的机器人（含网关）、基于ZigBee的无线传感网络控制节点（如电机驱动器、空调和灯光控制器）和基于Android平台的移动客户端等三大部分组成，结构如图 1 所示。客户端通过 WIFI 发送控制命令给机器人，机器人接到命令后进行解析和处理，通过ZigBee无线网络监控各传感节点，从而达到对家居环境进行监测与控制功能。
图 1 家居机器人系统框图 根据智能家居及机器人系统的功能与特点，系统主要设计了自主巡航与避障、环境监测与控制、安全防范与报警、电器控制与调节、远程查询与控制等功能。
1.1 嵌入式系统
嵌入式系统采用 Samsung S3C2440 处理器，它基于ARM920T 核心，片内集成 LCD 控制器（最大支持 4K 色 STN和 256K 色 TFT）、3 通道 UART、4 通道 PWM 定时器和 1 通道内部定时器/看门狗定时器、8 通道 10 位 ADC 和触摸屏接口、日历功能的 RTC、AC ＇97 编解码器接口、摄像头接口（最大支持 4096×4096 像素输入；2048×2048 像素输入支持缩放）、130 个通用 I/O 口和 24 通道外部中断源等功能，同时具有普通、慢速、空闲和掉电模式[5]。其功耗低，电路简单，全静态设计非常适合家居机器人等对成本和功率敏感型的应用。
1.2 电机驱动模块
机器人行走为两个直流电机驱动，驱动电路采用 SGSTHOMSON Microelectronics 公司生产的 L298N，它是双全桥步进电机专用驱动芯片(Dual Full-Bridge Driver)，内部包含 4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 HBridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平，可驱动 46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压，能直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号进行控制。
1.3 温度和湿度传感模块
为确保测量的可靠性和稳定性，温度和湿度传感模块采用 DHT11 集成模块。DHT11 是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有品质卓越、响应快速、抗干扰能 力强、性价比高等优点[6]。
1.4 气体传感模块
家居环境中主要有烟雾和液化气等气体，系统采用MQ-2型气体传感模块，它是基于QM-NG1 探头的气体传感器，可探测空气中的液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等气体，具有探测范围广、灵敏度高、响应恢复速度快、稳定性高、寿命长和驱动电路简单等特点。结合报警模块与 WIFI 网络，能较好地对烟雾、甲烷泄露进行现场和远程同时报警，并自动烟雾排风等功能。
1.5 红外热释电传感模块
热释电红外传感器原理图如图２所示。
图２ 热释电红外传感器原理图
1.6 无线传感器节点
无线传感器节点采用 CC2530 为核心，它是用于 2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统。
其性能强、成本低、功耗低、接收灵敏度高和抗干扰性能强[7]。
结合外围电路，该节点主要有三个部分及功能：通过 A/D端口控制传感器模块进行数据采集；控制无线RF模块完成数据收发；通过 I/O 端口各设备终端进行控制。
2 机器人控制程序设计
该机器人的控制方式主要有自动模式和远程控制模式两种。
2.1 自动控制模式
自动控制是机器人通过各传感器或通讯模块将采集到的信息汇总到系统的主控制器，通过对输入到主控制器的各种信息与数据进行智能分析与处理，机器人自主做出相应的控制策略或决策，根据决策信息向各终端执行器发出控制命令，机器人自主控制各模块节点、行走或报警等功能。正常工作状态为自动控制模式，机器人自主监控家居环境、家居安全，自主控制电相关电器设备等。
2.2 远程控制模式
远程控制模式为中断控制方式，当用户通过手机等方式远程访问时，机器人自动进入远程控制模式。用户可以通过手机 APP 软件或 Web 页面，向机器人发送控制命令，机器人按照命令完成视频巡航监控、环境监测和设备控制等功能。
3 客户端 UI 设计
客户端为 Android 平台，手机 APP 软件 UI 设计示例如图３所示。
机器人在自由行走状态下，能实时监测并显示温湿度和图像信息。
系统可通过“前进、后退、左转、右转”按钮远程控制机器人在家居环境下巡查，当开启“摄像头控制”时，还可通过“上、下、左、右”按钮控制摄像头的工作角度。
灯光、门窗监测等家庭设备控制时，系统自动读取现有设 备开关状态，并通过列表显示，用户可根据需求对家居设备进行开关控制。
图３ 客户端 UI 设计示例
4 结语
家居机器人是智能家居和人工智能相结合的产物。研究以用户家庭或住宅为平台的家居机器人，利用信息技术、自动控制、物联及网络等各种新技术，把生活息息相关的各种家电、安防、娱乐等设施集成，组成家庭或住宅管理系统，为人们提供一种全新的居家生活，对改善和提高人们的生活质量具有非常重要的意义，也具有非常广阔的市场前景[8-9]。
该机器人加装红外传感器后，能在房间内自主巡航，可利用手机 APP 软件利用 WIFI 远程遥控机器人或控制各种电气设备，UI 界面友好，操作简便、功能丰富，机器人能稳定运行。
参考文献：
[1] 李子云. 基于无线网络的智能家居安防系统[J]. 微处理机,2012（1）:31-33-36.
[2] 杨靖,林益,李捍东. 基于 ARM 和 WSNs 的智能家居安防系统设计[J]. 自动化仪表,2012(3):38-41.
[3] 智能家居发展中存在的 5 大主要问题探秘[N/OL]. http://yancheng.zxdyw.com/[4] 罗平. 移动智能终端操作系统的发展分析[J]. 韶关学院学报,2014(8):33-35.
[5] 孟令许. 基于 S3C2440A 的 ZigBee+WiFi 的智能家居控制系统[D].成都理工大学,2012.
[6] 崔阳,张维华,白云峰. 一种基于 Arduino 的智能家居控制系统[J]. 电子技术应用,2014(4):123-125.
[7] 王风. 基于 CC2530 的 ZigBee 无线传感器网络的设计与实现[D].西安电子科技大学,2012.
[8] TiiuKoskelaKaisaVaananen-Vainio-Mattila. Evolution towards smart homeenvironments:empirical evaluation of threeuser interfaces[J].PersUbiqu- itComput,2004,8:234-240[9] VincentRicquebourg,David Durand,David Menga et al.Contextinferring in the Smart Home:An SWRL approach[C].21st International Conference on Ad- vanced Information NetworkingandApplications Workshops (AINAW'07).IEEE CS Press,2007作者简介：邓知辉（1981-），男，湖南新田人，硕士，讲师，研究方向为智能控制、集成电路设计与信号处理教学及研究。
