一種Android端智能家居遠(yuǎn)程控制方案的實現(xiàn)※

時光，馬維華

（南京航空航天大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210016）

引 言

遠(yuǎn)程控制作為智能家居的一種標(biāo)志性技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各種智能家居系統(tǒng)中［1]。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種智能家居中遠(yuǎn)程空調(diào)控制方案。本系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)客戶端用戶友好型界面和GSM模塊，屏蔽控制信息傳輸處理細(xì)節(jié)，客戶端采用控件綁定號碼的方式，用戶只需根據(jù)終端Android界面提示，即可完成遠(yuǎn)程空調(diào)控制。相比于以往方案中GSM模塊采用PDU方式進行通信，用戶端需要手動輸入具體命令的模式，本系統(tǒng)采用text文本方式進行通信，傳輸?shù)目刂泼顑H為數(shù)字即可。

本文實現(xiàn)了兩種Android應(yīng)用中接收短消息的方式BroadcastReceiver（廣播接收者）方式和ContentObserver（內(nèi)容觀察者）方式，采用Handler機制將接收到信息顯示，且對安卓中SQLite數(shù)據(jù)庫的操作進行闡述及應(yīng)用。本系統(tǒng)通過接收GSM控制消息的基于LPC1766芯片的集中器傳輸控制消息到各個分控制器，可以同時控制6臺空調(diào)，每臺空調(diào)對應(yīng)一個分控制器，具體系統(tǒng)控制端架構(gòu)見圖1。

圖1 控制端系統(tǒng)架構(gòu)

1 系統(tǒng)控制端設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用NXP公司的LPC1766芯片作為集中器的SoC。系統(tǒng)GSM模塊采用華為公司的GTM900－B型號無線模塊，該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，并提供無線接口用于短消息的收發(fā)，且可通過串口通信和嵌入式MCU相連。

本系統(tǒng)中GSM模塊和集中器通過串口相連。GTM900－B模塊的串口與LPC1766的UART0相連，具體連接見圖2。

1.2 AT指令

GTM900－B模塊使用了GSM Rec.07.07中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)AT命令，本系統(tǒng)需要使用到的AT命令如表1所列［3]。

圖2 集中器與GSM模塊的連接

表1 系統(tǒng)中使用的AT命令

1.3 通信協(xié)議

本系統(tǒng)主要通過GSM短消息的方式完成對每個房間的溫度獲取（通過分控制器上的溫度傳感器）和每個房間空調(diào)工作模式、溫度的設(shè)置，以及關(guān)閉房間空調(diào)的功能。從安卓終端的角度包括兩個方面的通信——發(fā)送和接收。

從安卓終端發(fā)送到GSM模塊的控制信息包括三個方面：獲取溫度值，設(shè)置某個房間空調(diào)參數(shù)，關(guān)閉某個房間空調(diào)。GSM模塊采用text方式通信，系統(tǒng)將發(fā)送的三種控制信息數(shù)字化為相同規(guī)格：

Sent1分隔符Sent2分隔符Sent3分隔符Sent4

其中Sent1表示控制信息類型：“1”表示獲取溫度，“2”表示設(shè)置某個房間空調(diào)，“3”表示關(guān)閉某個房間空調(diào)。Sent2表示房間號，取值1～6對應(yīng)相應(yīng)房間。Sent3表示當(dāng)Sent1為“2”時，設(shè)置號碼為Sent2的房間空調(diào)的工作模式：“1”表示制熱，“2”表示制冷，“3”表示送風(fēng)，“4”表示除濕。Sent4表示當(dāng)Sent1為“2”時，設(shè)置號碼為Sent2房間的工作溫度。分隔符用冒號表示，主要作為區(qū)別控制信息與初始化返回信息的標(biāo)識符。所以，Android發(fā)送端發(fā)送的控制信息格式表示為“Sent1：Sent2：Sent3：Sent4”。

對安卓終端接收的反饋消息也包括三個方面：集中器從分控制器得到的溫度信息，設(shè)置某個房間空調(diào)成功的返回消息，某個房間空調(diào)關(guān)閉的返回消息。因為這三種消息長度不一致，處理方式不同，系統(tǒng)只對接收消息的前兩位格式化即可完成系統(tǒng)功能，具體如下：

Rec1 Rec2

其中Rec1表示反饋信息類型：“1”表示溫度信息，“2”表示設(shè)置空調(diào)返回信息，“3”表示關(guān)閉空調(diào)返回信息。Rec2表示當(dāng)Rec1為“2”或“3”時空調(diào)返回信息，“1”表示設(shè)置或者關(guān)閉成功，“0”表示失敗。所以，Android接收端接收的由系統(tǒng)控制端返回的信息中，首先會判斷第1位（即Rec1位），如果是“1”，則表示返回的是各個房間的溫度；如果是“2”，表示的是設(shè)置空調(diào)（Sent1等于“2”時）的返回消息；如果是“3”，表示的是關(guān)閉空調(diào)（Sent1等于“3”時）的返回消息；對于Rce1等于“2”或者“3”，再根據(jù)Rce2來判斷相應(yīng)的返回消息狀態(tài)。

1.4 集中器軟件設(shè)計

集中器上的程序主要完成系統(tǒng)模塊和GSM模塊初始化，判斷控制信息類型及作相應(yīng)的處理，向終端用戶返回消息［4]。具體程序流程見圖3。

圖3 集中器程序流程圖

其中GucRcvNew＝1表示集中器從UART0接收到來自GSM模塊的返回消息，recvfg用來對GSM模塊進行初始化，其初值為0。集中器發(fā)送命令at到GSM模塊，如果接收到GSM模塊的“at ok”返回消息，則設(shè)置recvfg＝1，然后進入switch語句，當(dāng)recvfg＝1時，向GSM模塊發(fā)送命令at＋cmgf＝1，如果返回值為“at＋cmgf＝1ok”，設(shè)置recvfg＝2。當(dāng)recvfg＝2時，向GSM模塊發(fā)送命令“at＋cnmi＝2，2，，1”，如果返回值為“at＋cnmi＝2，2，，1ok”，設(shè)置recvfg＝3，到此GSM模塊初始化結(jié)束。如果初始化過程中當(dāng)集中器發(fā)送AT命令后，接收到的不是正確返回值，則設(shè)置recvfg＝0，重新開始初始化。

根據(jù)控制信息類型設(shè)置flag子程序和根據(jù)flag值進行相應(yīng)處理的子程序主要是在初始化結(jié)束后完成系統(tǒng)功能，程序流程見圖4、圖5。

圖4 根據(jù)控制信息設(shè)置flag

圖5 根據(jù)flag值進行相應(yīng)處理

本系統(tǒng)集中器采用UART中斷方式和GSM模塊通信，當(dāng)有數(shù)據(jù)返回集中器時，會觸發(fā)UART中斷，在UART中斷處理程序中從U0RBR寄存器讀數(shù)據(jù)到Guc RcvBuf［GulNum] 數(shù)組中。因為每次通信返回的字節(jié)數(shù)不相等，本系統(tǒng)在UART中斷處理函數(shù)中引入定時器中斷，在定時器中斷處理函數(shù)中設(shè)置GucRcvNew＝＝1。即每次進入UART中斷處理函數(shù)時，開啟定時器，UART在初始化時設(shè)定的中斷觸發(fā)點是1個字節(jié)，當(dāng)所有返回字節(jié)都接收完成時，定時器超時會觸發(fā)定時器中斷處理函數(shù)，設(shè)置GucRcvNew＝＝1，主程序檢測到有數(shù)據(jù)返回。系統(tǒng)中設(shè)置定時器的觸發(fā)時間是0.5s。

2 Android端設(shè)計

本系統(tǒng)采用Android應(yīng)用程序的用戶友好型界面作為與用戶的接口，Android終端程序通過控件綁定方式對固定號碼進行短信接收與發(fā)送，用戶只需通過點擊控件方式即可傳遞和接收控制信息，具體根據(jù)系統(tǒng)自定義通信協(xié)議發(fā)送的控制信息則完全被程序屏蔽，對用戶完全透明。其中發(fā)送短信和接收短息都會對Android系統(tǒng)的SQLite數(shù)據(jù)庫作出改動，需要對數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)信息進行刪除來保證對用戶透明。另外對于控件之間消息傳遞采用Android中的Handler機制［5]。

2.1 發(fā)送控制信息

Android中發(fā)送消息主要通過SmsManager類來實現(xiàn)，它繼承自java.lang.Object類。其主要的方法說明略——編者注。

發(fā)送短信程序首先調(diào)用SmsManager.getDefault（）獲取SmsManager對象，然后通過PendingIntent的getActivity方法獲得一個PendingIntent對象。根據(jù)短信長度Message.length（）與短信長度最大值比較來判斷是否需要調(diào)用smsManager.divideMessage（Message）將短信分割，然后再調(diào)用smsManager的sendTextMessage方法發(fā)送短信。代碼略——編者注。

發(fā)送短信模塊需要在清單文件AndroidManifest.xml中加入允許發(fā)送短信的權(quán)限：＜uses－permission android：name＝"android.permission.SEND＿SMS"／＞。

2.2 接收返回信息

在Android端接收消息，可以采用兩種方式，一種通過BroadcastReceiver廣播接收器的方式，另外一種是通過觀察數(shù)據(jù)庫變化的內(nèi)容觀察者類ContentObserver來實現(xiàn)。

2.2.1 BroadcastReceiver接收短信

Android中的廣播是一種在應(yīng)用程序之間傳遞信息的機制，在Android中有多種廣播，基于GSM短信的接收會產(chǎn)生一個廣播，應(yīng)用程序可以監(jiān)聽這些廣播并根據(jù)廣播類型作出相應(yīng)的處理。BroadcastReceiver就是對接收到的廣播進行過濾并響應(yīng)的一類組件。

當(dāng)應(yīng)用程序接收到廣播發(fā)送來的intent對象，BroadcastReceiver類根據(jù)其注冊的廣播地址與接收到的intent對象進行比較，如果匹配則調(diào)用BroadcastReceiver的on－Receive（）方法。

BroadcastReceiver類的注冊有兩種方式，第一種是靜態(tài)注冊方式，即在AndroidManifest.xml文件中利用intent－filter指明需要過濾的廣播地址。靜態(tài)注冊方式會使程序始終監(jiān)聽廣播消息，并自動調(diào)用程序繼承自BroadcastReceiver的類。第二種是動態(tài)注冊方式，其在activity中調(diào)用函數(shù)registerReceiver來注冊，當(dāng)應(yīng)用程序關(guān)閉后，就不在進行監(jiān)聽。在動態(tài)注冊的activity被銷毀前，需要調(diào)用unregisterReceiver解除注冊。

短消息廣播是一個有序廣播，即每次只被優(yōu)先級最高的接收者處理，然后由優(yōu)先級高的接收者傳遞到優(yōu)先級低的接收者。優(yōu)先級高的接收者可以終止這個廣播。對于有序廣播而言，動態(tài)注冊的優(yōu)先級高于靜態(tài)注冊。

系統(tǒng)中定義SmsReceiver類繼承自BroadcastReceiver類，采用動態(tài)注冊的方式，在activity中用于動態(tài)注冊的代碼略——編者注。

接收短信模塊需要在清單文件AndroidManifest.xml中加入允許發(fā)送短信的權(quán)限：＜receiver android：name＝".SMSReceiver"android：enabled＝"true"＞＜／receiver＞。

2.2.2 ContentObserver接收短信

系統(tǒng)實際使用中，對于用BroadcastReceiver接收短信往往效果不好，主要因為用戶在Android終端安裝的第三方軟件，比如接收短信軟件、安全軟件等，這類軟件從底層獲取系統(tǒng)權(quán)限，優(yōu)先級始終高于應(yīng)用層軟件，導(dǎo)致應(yīng)用層軟件不能優(yōu)先接收到廣播消息，所以在設(shè)計短信接收客戶端時一般采用監(jiān)聽數(shù)據(jù)庫方式。

當(dāng)客戶端接收到短信后會將其插入SQLite數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫發(fā)生變化會觸發(fā)內(nèi)容觀察者——ContentObserver。ContentObserver類似于一個觸發(fā)器，當(dāng)其所觀察的Uri發(fā)生變化，這個觸發(fā)器就會觸發(fā)來執(zhí)行相應(yīng)的處理。主要方法的說明略——編者注。

本系統(tǒng)在onChange的方法中，利用Context實例對象的getContentResolver方法獲得一個ContentResolver對象，然后調(diào)用ContentResolver的query方法獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的短消息。具體代碼略——編者注。

對于得到的短消息通過Cursor對象的getColumnIndexOrThrow方法獲取其thread＿id，id和body內(nèi)容。對于在數(shù)據(jù)庫中的短消息，為了保證對用戶的透明傳輸，要調(diào)用ContentResolver對象的delete方法將收件箱中的短消息刪除。具體代碼略——編者注。

ContentObserver接收短信模塊需要在清單文件AndroidManifest.xml中加入允許接收短信的權(quán)限：＜uses－permission android：name＝"android.permission.READ＿SMS"／＞。

2.3 Handler機制

對于使用ContentObserver接收到房間溫度信息后，通過Android的Handler機制將信息傳送到主activity顯示。在Android中，主程序會創(chuàng)建一個Looper對象，在Looper對象初始化時候會創(chuàng)建一個消息隊列Message－Queue用來存放線程放入的消息。用戶可以構(gòu)造一個Handler對象與Looper溝通，以便將消息push到消息隊列中。當(dāng)主線程檢測到有新消息進入消息隊列后，首先判斷該消息對應(yīng)的Handler，然后將消息分發(fā)到指定的Handler處理。

系統(tǒng)中通過ContentObserver繼承類SMSContentO－bserver的構(gòu)造函數(shù)將在activity中定義的Handler對象傳入SMSContentObserver中，然后調(diào)用Handler對象的obtainMessage方法獲得一個message對象，最后調(diào)用message對象的sendToTarget方法將控制消息發(fā)送到消息隊列，在activity中定義了handleMessage函數(shù)用來處理得到的控制消息。具體代碼略——編者注。

2.4 Android終端效果

Android客戶端控制界面見圖6，當(dāng)點擊“獲取溫度”按鈕，Android端會自動向系統(tǒng)控制端發(fā)送短信“1：0：0：00”，這樣系統(tǒng)控制端會檢測到是1類控制信息，則返回每個房間溫度。

當(dāng)需要設(shè)置某個房間空調(diào)的工作方式，則通過點擊“設(shè)置空調(diào)”按鈕左側(cè)的“房間號”、“空調(diào)模式”和“設(shè)置溫度”等三個下拉列表（Spinner）來設(shè)置。如設(shè)置房間號為“房間二”，空調(diào)模式為“制冷”，設(shè)置溫度為“25℃”，然后點擊“設(shè)置空調(diào)”按鈕，安卓端會自動發(fā)送2類控制信息“2：2：2：25”到系統(tǒng)控制端，系統(tǒng)接收到控制信息會處理后返回設(shè)置是否成功消息，安卓端解析后將其顯示。當(dāng)需要關(guān)閉某個房間空調(diào)，可以通過“關(guān)閉空調(diào)”按鈕左側(cè)的“要關(guān)閉空調(diào)所在房間號”下拉列表實現(xiàn)，比如選擇“房間五”，然后點擊“關(guān)閉空調(diào)”按鈕，Android端即把3類控制信息“3：5：0：00”發(fā)送到系統(tǒng)控制端，系統(tǒng)控制端處理后將空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)返回。

圖6 客戶端初始界面

結(jié) 語

智能家居中的遠(yuǎn)程控制方式有很多，本系統(tǒng)結(jié)合Android終端的用戶友好型界面，采用自定義協(xié)議方式，設(shè)計了一套基于短消息的空調(diào)控制系統(tǒng)。在Android終端接收返回信息的兩種方式中，ContentObserver因其穩(wěn)定性在工程實踐中使用較多，本系統(tǒng)最終也是采用了ContentObserver的方式，并取得很好的效果。本系統(tǒng)設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，對其他工程設(shè)計也具有一定參考價值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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