基于Android平台上BLE的智能家居控制系统设计与实现

摘 要：基于智能家居无线控制的市场需求，以集成了CSR1010低功耗蓝牙芯片的智能插座为例，在Android平台上设计了一套基于蓝牙4.0通信协议的智能家居控制系统，实现了对此智能插座的无线通断电控制等功能。实际测试证明，系统工作良好，反应灵敏、准确，可以达到使用要求。

关键词：Android；BLE；智能家居；蓝牙4.0通信协议

中图分类号：TP237 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）03-00-02

0 引 言

近年来，随着物联网技术的发展和生活水平的提高，人们对居住环境的要求越来越高，智能家居随之成为物联网技术领域的一个重要研究课题，而家居系统的智能控制是其中的一个重要研究方向。低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy， BLE）是2010年推出的最新蓝牙版本，BLE相对于传统蓝牙最大的特点是超低功耗，并且目前BLE的硬件成本已经降到一个合理水平，非常适合应用于智能家居系统控制领域，据Bluetooth SIG高级市场总监柯瑞德分析，2013年至2018年，BLE的最大市场增长空间将会出现在智能家居系统领域。笔者研究了Android手机BLE应用及智能家居控制，以智能插座为例，设计了一套基于Android智能手机的BLE智能家居控制系统，实现对智能设备的实时控制功能。

1 Android系统中的BLE

Bluetooth SIG于2010年6月了蓝牙4.0技术标准，而Android智能手机全面支持BLE是在2013年7月Android4.3系统后。相较于传统蓝牙，BLE运行和待机功耗极低，一颗标准纽扣电池可以使其连续工作一年到几年时间。BLE与传统蓝牙协议及开发差别较大，以下对BLE通信协议及Android中的BLE开发做简单介绍。

1.1 BLE通信协议

低功耗蓝牙协议栈由控制器（Controller），主机（Host）和应用程序（Apps）组成，其协议栈如图1所示。各层的各种规范都基于GATT制定，它规定了发送和接收设备的各种属性值的方法。BLE通信把各种属性表示为服务（Service）的集合，而每个Service都由多个特征值（Characteristic）组成，Characteristic可以理解为一个数据类型，它包括一个value和0至多个对此value的描述（Descriptor）。BLE在连接建立过程中可以分为中心设备（Central）和设备（Peripheral）两个角色，Central负责scan advertisement，而Peripheral负责make advertisement。在BLE连接建立后，两个连接的设备又可分为服务端（GATT server）和客户端（GATT client），发送数据的设备为Server，接收数据的设备为Client。

1.2 Android中BLE的开发

Android平台的BLE开发常用类如表1所列，开发主要包括以下步骤：

（1） BLE授权，为使应用能使用手机BLE功能，需要在AndroidManifest.xml中进行授权。

（2） 检查并启动BLE功能，验证手机是否支持BLE。如果支持，通过蓝牙适配器BluetoothAdapter来查看蓝牙是否已经开启，也可以通过Intent传递ACTION_REQUEST_ENABLE参数调出蓝牙开启界面。

（3） 搜索BLE设备，使用BluetoothAdapter的startLeScan方法配合BluetoothAdapter.LeScanCallback回调参数进行BLE广播搜索，搜索需要设置时间上限并在发现设备后停止搜索以减少电量消耗。如果只想搜索某些设备，可以加入一个UUID数组参数。

（4） 建立GATT连接，当搜索到设备之后，可以使用BluetoothAdapter的getRemoteDevice方法根据UUID获得目标device，并通过BluetoothDevice的connectGatt方法进行BLE连接，之后即可进行数据交换。

2 系统设计

Android智能手机作为智能家居控制系统中BLE通信的主设备，负责搜索智能插座设备、发起连接、发送控制指令、断开连接等操作。软件整体运行流程如图2所示。

Android客户端主界面如图3所示，通过智能插座控制功能模块可以检查并打开手机蓝牙，添加设备，即开启BLE设备搜索，设置搜索时间上限为180 s，发现插座设备后发起连接请求并进行密码配对验证，建立连接后把设备信息保存到Sqlite数据库并添加到列表实现界面显示，之后可以点击开关按钮对插座通断电进行控制，即通过发送封装好的指定Service代表通断电Characteristic值。为实现多设备控制，在每次发送指令后断开GATT连接，当再次点击开关按钮时则先连接设备再发送相应指令。

3 实验结果及分析

3.1 功能测试

多次实验测试发现，在理想情况下系统实现了对集成CSR1010低功耗蓝牙芯片的智能插座通断控制功能。

3.2 性能测试

通过室内有障碍物及室外空旷环境下的实验测试发现，系统在室内障碍物环境下有效控制距离为13～15米，室外空旷环境下有效控制距离则达到30米以上，性能良好。

3.3 遇到的问题及解决方法

Android智能手机BLE在建立GATT连接之后马上进行Characteristic值传输有一定传输失败的概率。经研究实验，在连接建立成功后延时0.2秒进行数据传输能使控制成功率达到99%以上，使用效果良好。

4 结 语

本文介绍了一种Android平台上基于BLE的智能家居控制系统，通过Android App控制集成了蓝牙芯片的智能插座，整个系统结构明了、操作简单，经实验测试，系统对智能插座通断控制准确、反应灵敏、控制距离优秀，完全能够满足在室内复杂环境下工作的要求。

参考文献

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