李月恒，段志強(qiáng)，楊棟偉

　　(北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 北京 100144)

　　摘要：隨著智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的快速發(fā)展，家庭的智能化已成為了一種發(fā)展趨勢。基于Android平臺、云平臺、S5PV210微處理器、ZigBee和多種傳感器實現(xiàn)對家庭狀況的采集和顯示以及對家庭設(shè)備的控制。該系統(tǒng)進(jìn)一步可結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)宏觀統(tǒng)籌節(jié)能環(huán)保。還可以將云技術(shù)和智能家具結(jié)合實現(xiàn)智慧小區(qū)，乃至智慧城市。

　　關(guān)鍵詞：Android；云服務(wù)；ZigBee；傳感器

0引言

　　隨著電子、通信、自動控制等技術(shù)的快速發(fā)展及人們物質(zhì)精神生活的提高，家用電器、室內(nèi)環(huán)境的檢測以及安全防護(hù)等的智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制已經(jīng)成為一種大趨勢。伴隨智能手機(jī)的迅速普及和不斷提高，網(wǎng)絡(luò)性能的提高，以及移動互聯(lián)網(wǎng)的盛行，基于Android平臺的智能控制在智能家居控制中扮演了重要角色。由于人們對智能化準(zhǔn)確性和性能要求更高，這就需要各種的傳感器對家庭信息的采集，并對采集的大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和可視化的處理，智能家居網(wǎng)關(guān)就難以實現(xiàn)對高并發(fā)大量數(shù)據(jù)的存儲和可視化。基于以上原因，本文設(shè)計了一種基于Android和云服務(wù)智能家居系統(tǒng)。在Android平臺實現(xiàn)智能家居用戶界面，在云服務(wù)平臺實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的存儲、分析，智能家居廠商可以在統(tǒng)一的平臺實現(xiàn)對變量的組態(tài)，方便對變量的添加、修改、更新。在網(wǎng)關(guān)部分，采用Android平臺，接收和發(fā)送由傳感器傳送的數(shù)據(jù)，加強(qiáng)了與用戶之間的可視化和交互性。即使在所有的Android設(shè)備出現(xiàn)故障時，也可以通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對家里智能設(shè)備的管理。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

　　智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括用戶端(Android智能終端)、智能家居云服務(wù)、智慧家庭網(wǎng)關(guān)(WiFi接入點、ZigBee和各種傳感器、設(shè)備組成的無線網(wǎng)絡(luò)終端、顯示屏)。

　　(1)用戶端主要負(fù)責(zé)本地和遠(yuǎn)程對家里的智能產(chǎn)品、環(huán)境等的控制和顯示。

　　(2)智能家居云服務(wù)主要負(fù)責(zé)不同智能家居廠商對自己產(chǎn)品變量的添加、更改、刪除、顯示等操作，以及與用戶、智慧家庭網(wǎng)關(guān)的通信和對它們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的存儲、分析等的處理。

　　(3)智慧家庭網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)接收、解析、發(fā)送和顯示來自用戶端發(fā)送給云服務(wù)的控制命令，以及接收、解析、發(fā)送和顯示來自ZigBee和各種傳感器、設(shè)備組成的無線網(wǎng)絡(luò)終端傳來的數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)智慧家庭網(wǎng)關(guān)主控芯片選用Samsung公司的32位精簡指令集(RISC)微處理器S5PV210。該處理器的內(nèi)部架構(gòu)采用64/32位總線架構(gòu)，CPU采用ARM CortexTM-A8內(nèi)核，具有運行速度快、運算能力強(qiáng)、硬件編解碼功能強(qiáng)大的特點，同時具有完整的通用系統(tǒng)外設(shè)、高性能、低功耗等優(yōu)點，減少了系統(tǒng)的整體成本。該系統(tǒng)采用WiFi模塊、4G模塊、ZigBee和各種傳感器、設(shè)備組成的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等作為外部擴(kuò)充，搭建了一個穩(wěn)定、功能齊全的智慧家庭網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)。智慧家庭網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　本系統(tǒng)控制終端采用TI 公司的ZigBee芯片CC2530，它以8051微處理器為內(nèi)核，自身攜帶的射頻發(fā)射器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無線通信。該控制終端由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，包括ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee組成的終端設(shè)備。ZigBee協(xié)調(diào)器完成自組網(wǎng)，維持無線網(wǎng)絡(luò)的正常通信，以及與網(wǎng)關(guān)主控芯片之間的通信。ZigBee組成的終端設(shè)備完成對家庭的控制和信息數(shù)據(jù)圖3ZigBee組成的終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖的采集。ZigBee組成的終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,實物圖如圖4。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括Android客戶端、智慧家居云、智慧家庭網(wǎng)關(guān)3部分。

　　3.1Android客戶端

　　根據(jù)客戶端的需求和軟件的特點，客戶端軟件設(shè)計如圖5所示。

　　Android客戶端軟件設(shè)計是在Android平臺上開發(fā)的，實現(xiàn)對電視、空調(diào)、窗簾、門禁、燈等的控制和室內(nèi)環(huán)境狀況(溫、濕度等)的顯示。本客戶端由登錄界面和控制界面組成，登錄界面如圖6所示。先調(diào)用4G/WiFi網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，確保打開WiFi/4G，再通WebService 傳入賬號和密碼進(jìn)入控制界面，如圖7所示。同時需要在Android Mainfest.xml文件中設(shè)置獲取聯(lián)網(wǎng)權(quán)限，代碼如下［1］：

　　<usespermission android:name”android.permission.INTERNET”/>

　　智慧家居云(云服務(wù)平臺)開啟端口，等待客戶端HttpCliet發(fā)送HTTP請求，經(jīng)過3次TCP/IP握手，雙方建立連接，通過Socket實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送［2］。云服務(wù)器接收客戶端的控制命令，存儲在數(shù)據(jù)庫中，客戶端接收云服務(wù)器的狀態(tài)信息，進(jìn)行顯示。云服務(wù)平臺和客戶端的通信框圖如圖8所示。

　　3.2智慧家居云

　　智慧家居云建立在云平臺上之上，實現(xiàn)智能家居服務(wù)。云平臺總架構(gòu)采用IaaS(Infrastructure as a Service) 和PaaS(Platform as a Service)整合的方式來構(gòu)建云應(yīng)用平臺［3］。

　　IaaS為上層應(yīng)用平臺提供存儲、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、異常處理和其他一些應(yīng)用程序。PaaS在IaaS提供的虛擬機(jī)群基礎(chǔ)上為客戶提供Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用。這樣，智慧家居云應(yīng)用就可以在PaaS平臺上完成智能家居云服務(wù)應(yīng)用［4］。

　　智慧家居云應(yīng)用采用JavaWeb進(jìn)行開發(fā)，結(jié)合移動服務(wù)和JavaEE的標(biāo)準(zhǔn)，采取分層結(jié)構(gòu)模型管理［5］。結(jié)構(gòu)模型如圖9所示,按照邏輯結(jié)構(gòu)可分為對象訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、訪問控制層、界面顯示層、異常處理層、安全認(rèn)證層。這種分層的模型保證了操作的相對獨立性以及數(shù)據(jù)的安全性和有效性，便于管理和擴(kuò)展。

　　云應(yīng)用軟件設(shè)計包括智能家居開發(fā)者服務(wù)軟件設(shè)計，客戶端、智慧家居云和智慧家庭網(wǎng)關(guān)通信軟件設(shè)計。智能家居開發(fā)者進(jìn)入登錄界面，如圖10所示，打開服務(wù)界面，如圖11所示，建立不同廠商不同產(chǎn)品變量的數(shù)據(jù)表，服務(wù)界面實現(xiàn)對智能家居產(chǎn)品的組態(tài)，即對不同廠商的產(chǎn)品進(jìn)行查詢、添加、更新、刪除和顯示，并將產(chǎn)品變量存儲于數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)客戶端帶著廠商的ID號(Cid)參數(shù)向智慧家居云發(fā)生HTTP請求時，云平臺接收到請求，查詢Cid對應(yīng)的廠商產(chǎn)品變量表，建立一個新的用戶數(shù)據(jù)表，并把傳過來的控制命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲/回傳顯示。同樣，智慧家庭網(wǎng)關(guān)帶著參數(shù)用戶ID號(Uid)不斷向智慧家居云發(fā)生HTTP請求，獲取/上傳與Uid相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　3.3智慧家庭網(wǎng)關(guān)

　　智慧家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計基于Android平臺，包括網(wǎng)絡(luò)部分、控制部分、執(zhí)行部分3個部分。智慧家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計框圖如12所示。

　　智慧家庭網(wǎng)關(guān)作為連接公網(wǎng)(智慧家居云平臺)和家庭局域網(wǎng)(ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò))的樞紐，既擔(dān)負(fù)家庭內(nèi)部對云端的訪問和交互，又承擔(dān)互控用戶通過云端對家庭網(wǎng)絡(luò)的訪問和控制，另外還負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部設(shè)備的互聯(lián)、互控等操作。公網(wǎng)采用4G/WiFi,實現(xiàn)控制部分和控制部分的連接［6］。控制部分采用微處理器加外圍控制電路，通過串口和ZigBee實現(xiàn)與執(zhí)行部分的連接。執(zhí)行部分由ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端設(shè)備、傳感器和執(zhí)行設(shè)備組成［7］，采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信，采用樹狀結(jié)構(gòu)，如圖13所示［8］。

　　ZigBee協(xié)調(diào)器完成無線網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)并實現(xiàn)與微處理器的通信，流程圖如圖14所示。ZigBee終端設(shè)備（ZigBee終端工作流程圖如圖15所示）、傳感器、執(zhí)行設(shè)備和外圍的控制電路組成ZigBee無線終端設(shè)備，實現(xiàn)對室內(nèi)的燈、窗簾、空調(diào)、電視、門禁等的控制［9］。

4系統(tǒng)測試

　　系統(tǒng)的測試分為客戶端和智能家居云之間功能測試、智能家居云和智慧家庭網(wǎng)關(guān)之間功能測試。第一部分為準(zhǔn)備工作，啟動智能家居云服務(wù)，連接好網(wǎng)絡(luò)，智能家居提供商登錄云服務(wù)器，添加、更改、刪除不同廠家的產(chǎn)品變量并完成初始化，生成廠家的變量表。接著，打開網(wǎng)絡(luò)連接，登錄智慧家庭網(wǎng)關(guān)，并連接好ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee無線終端設(shè)備，使其正常工作。第二部分為測試工作，登錄vi 客戶端Android界面，確保連接上網(wǎng)絡(luò)，一切連接正常，進(jìn)行客戶端和智能家居云之間功能的測試，分為A組和B組兩組進(jìn)行測試，代表不同廠商AA和BB的產(chǎn)品，通過HTTP請求智能家居云服務(wù)，請求的參數(shù)Cid不一樣，一個Cid=AA，另一個Cid=BB,客戶端A對客廳燈、電視機(jī)、室內(nèi)溫度進(jìn)行操作，客戶端B對臥室燈、空調(diào)、臥室窗簾進(jìn)行操作。接著智能家居云服務(wù)器接收客戶端發(fā)送來的請求，接收客戶端發(fā)送來的控制信息并進(jìn)行顯示，如圖16所示。最后進(jìn)行智能家居云和智慧家庭網(wǎng)關(guān)之間功能測試，確保連接網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)請求智能家居云端，獲得客戶端相應(yīng)的控制命令，測試結(jié)果如圖17所示。經(jīng)過測試，各項功能都正常實現(xiàn)。

5結(jié)論

　　隨著云和智能手機(jī)技術(shù)不斷提高和發(fā)展，智能家居云服務(wù)已成發(fā)展的趨勢。本文利用Android平臺實現(xiàn)與用戶的交互、對家庭智能化設(shè)備控制和對家里環(huán)境狀況的顯示，利用云服務(wù)實現(xiàn)對智能生活中大數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的組態(tài)。進(jìn)一步可結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)宏觀統(tǒng)籌節(jié)能環(huán)保。還可以將云技術(shù)和智能家具結(jié)合實現(xiàn)智慧小區(qū)，乃至智慧城市［10］。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 楊豐盛. Android應(yīng)用開發(fā)揭秘［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

　　［2］ 李剛. 瘋狂Android講義［M］. 北京：電子工業(yè)出版社, 2011.［3］ 裴超. 基于云計算的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)研究［J］. 軟件導(dǎo)刊, 2014, 13(3):8082.

　　［4］ 徐鵬, 陳思, 蘇森. 互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用PaaS平臺體系結(jié)構(gòu)［J］. 北京郵電大學(xué)學(xué)報, 2012, 35(1):120124.

　　［5］ 岳敬華. 基于云服務(wù)的智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］. 杭州：杭州電子科技大學(xué), 2013.

　　［6］ 徐繼寧,張暕,胡敦利，等.基于ZigBee和WiFi的智能家居系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(12):5760.

　　［7］ 王權(quán)平, 王莉. ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用［J］. 現(xiàn)代電信科技, 2004(1):3337.

　　［8］ 安康,張慧熙,王李冬，等.基于ZigBee技術(shù)的多節(jié)點設(shè)備無線物聯(lián)自組網(wǎng)設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(8):5154.

　　［9］ 林鈴, 于德海. 自學(xué)習(xí)紅外遙控器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 電腦知識與技術(shù), 2008, 3(24)：12571259.

　　［10］ 巫細(xì)波, 楊再高. 智慧城市理念與未來城市發(fā)展［J］. 城市發(fā)展研究, 2010, 17(11):5660.