基于Android和嵌入式Web技術的智能家居系統設計

潘穎輝

（包頭師范學院信息科學與技術學院，內蒙古包頭014030）

基于Android和嵌入式Web技術的智能家居系統設計

潘穎輝

（包頭師范學院信息科學與技術學院，內蒙古包頭014030）

借助ARM微處理器硬件平臺，結合Web Service技術和Android系統平臺，提出了一種基于B／S和C／S架構的智能家居系統.該系統的嵌入式Web服務器是基于Linux平臺，保證了系統的健壯性及安全性.同時可以根據需要拓展服務功能，將智能手機作為智能家居系統的一部分，借助移動通信網絡實現用戶手機到家居環境的互聯互通，可以隨時隨地控制和管理家居環境狀態，讓用戶享受可靠的智能家居服務.系統相對傳統的智能家居通用性強、組網方便、操作更加簡單，遠程控制能力增強，且市場應用價值高，易于推廣.

智能家居；Android；Web；服務器；客戶端

隨著社會經濟的快速發展，物質文化生活的不斷提高、人們消費觀念的日益轉變，以及物聯網技術的出現、家居設備智能化的成熟，人們渴望更加安全、健康、舒適、便利的現代化家居環境，智能家居概念應運而生，并逐漸進入人們的生活.智能家居是以住宅為平臺，利用計算機、無線通信、傳感器、物聯網等技術，集成各種先進的家居設備，依靠科學的管理模式，為用戶構建一個高效的住宅設備與家庭事務的控制管理系統［1］.隨著智能家居在消費者心中地位的提高，智能化家居逐漸成為家居市場的新寵兒，市場占有份額也越來越高.

由于目前智能家居設備層出不窮、技術標準不統一、市場價格水平差距大，阻礙了智能家居的發展.當今Android系統的盛行以及嵌入式技術的成熟，給智能家居的發展提供了強大的技術動力，其應用前景非常廣闊.讓智能手機成為智能家居的一部分，是智能家居系統未來發展的趨勢.因此，本文設計了一種基于Android和嵌入式Web技術的智能家居系統.

1 系統總體結構

1.1 Android及Web技術簡介

Android是一個移動設備軟件棧集合，包括操作系統、中間件和關鍵應用程序.Android是一個真正開放性的移動設備綜合平臺，底層以Linux內核為基礎提供基本功能，在用戶空間又分為本地庫C／C＋＋和Java程序，供用戶自行開發.結合Java面向對象的語言特點，Android平臺具有代碼開放性、硬件兼容性、不受限制性等優勢［2］.

Web技術指在Internet上利用各種技術實現和完成的各種服務功能和客戶瀏覽的開發技術.Web是一套技術規范，包括很多的技術和協議，如HTLM技術、URL、HTTP協議等.通過這套技術規范，可以對Internet網絡Web服務器上的資源進行描述并發布、處理，進而Internet上的其他機器可以通過Web客戶端訪問瀏覽這些靜態、動態Web資源.

1.2智能家居系統總體結構設計

面向Web服務的智能家居系統基本分為4個部分，即控制系統服務器（Web服務器端）、移動智能終端（Web客戶端）、家居監控終端群和通信網絡.智能家居系統的總體結構如圖1所示.控制系統服務器是基于Android系統開發的家庭網關；Web客戶端是基于Android智能手機開發的客戶端；家居監控終端群包括了空調、電飯煲、電燈等家用電器和溫度、濕度、可燃氣體和光照等各類環境傳感器；通信網絡包括了控制系統服務器與家居監控終端群之間的局域網、Web客戶端與控制系統服務器之間的無線網絡WiFi／3G／4G.系統通過Web Service技術實現數據在通信網絡之間傳輸，用戶通過移動智能終端實現查詢、控制和管理各種家居監控設備，監控家庭內部情況，接收各項警情.要特別注意的是，控制系統服務器作為家居系統的網關，在同Web客戶端與家居監控終端群之間進行信息資源交互時，控制系統服務器既擔當客戶端的角色，也擔當了服務器端的角色［3］.

2 系統設計

2.1系統硬件架構設計

本文設計的智能家居系統主要由嵌入式Web服務器、通信網絡、以太網控制器、各種傳感器、家用電器的控制器、移動智能終端等部分構成，其中嵌入式Web服務器由嵌入式微處理器、操作系統、網絡協議棧和其他外圍設備構成，是整個系統硬件架構核心，結合現代以太網技術和WiFi／3G／4G無線通信技術，完成整個家居系統資源的集中管理和控制功能.智能家居系統的硬件架構如圖2所示.

嵌入式Web服務器以SAMSUNG的16／32位RSIC微處理器S3C6410作為硬件系統核心，S3C6410是基于ARM11內核的一款低功率、高性價比、高性能的通用微處理器.以太網控制器采用RTL8019AS.嵌入式Web服務器向下與家居環境的電器控制器和環境傳感器之間進行通信交互，接收到家居環境的所有數據信息以SQL Server數據庫的形式存儲并統一管理，向上與Web客戶端進行通信交互，完成家庭信息的查詢與控制.

2.2系統的軟件架構設計

客戶采用B／S架構訪問嵌入式Web服務器的數據庫，就是通過瀏覽器網頁以不同接入方式（LAN／WAN／Internet）訪問或操作數據庫，該B／S架構模式界面友好，使用簡單，便于客戶操作，使得軟件系統更具有高效、方便、快捷的優點.如果采用C／S模式，Android Web客戶端應用程序通過無線通信的方式實現對遠程Web服務器的訪問，C／S模式通過將嵌有套接字的源程序編譯成Java碼嵌入到Web網頁中，客戶端訪問該Web網頁時Java碼會自動下載到網頁，隨后與服務器建立Socket通信，從而獲取實時數據［4］.該C／S架構模式具有能減輕服務器負荷，提高運行效率的功能.因此，鑒于B／S和C／S結構的特點，本文基于Android的嵌入式Web服務器的智能家居系統采用的是B／S和C／S結構相結合的方式.基于B／S和C／S方式的系統軟件結構如圖3所示.

3 系統的設計與實現

3.1嵌入式Web服務器的設計

3.1.1 嵌入式Web交互式原理

在嵌入式系統中，與傳統Web服務器的高性能計算服務需求不同，嵌入式Web服務器不需要處理大流量數據的訪問，不提供對占系統資源大的程序的支持，只為遠程訪問、管理和監控設備提供服務支持.用戶端的瀏覽器，通過接入Internet，可以隨時隨地訪問嵌入式Web服務器［5］.

嵌入式Web服務器通過HTTP協議與客戶端通信，這里的客戶端指的是Web瀏覽器或Android Web客戶端，HTTP協議則是實現Web服務器與瀏覽器之間進行信息傳輸的一種機制.Web客戶端通過Web瀏覽器頁面請求數據，嵌入式Web服務器收到Web客戶端發送的HTTP請求時，做出處理并返回相應的數據，從而完成嵌入式Web服務器與Web客戶端之間數據的動態交互.Web瀏覽器發送的連接請求，通過TCP／IP協議經由Internet發送到嵌入式Web服務器端，Web服務器監聽Web瀏覽器的服務請求，處理并檢查合法之后，建立與Web瀏覽器的TCP／IP連接.TCP／IP連接建立成功后，Web瀏覽器開始發送HTTP請求，Web服務器端接收到用戶請求，并將其傳給HTTP會話模塊，HTTP會話模塊根據協議解析，判斷出請求的內容是靜態頁面還是CGI動態頁面，再根據請求的內容將執行結果返回Web瀏覽器.Web瀏覽器在接收到返回的數據后，將網頁內容顯示在客戶端屏幕上.

3.1.2 嵌入式Web服務器的軟件實現

智能家居系統中的嵌入式Web服務器監聽用戶的查詢、控制請求，根據用戶遞交的請求提供相應的服務類型，嵌入式Web服務器端收到這些用戶請求后，把存儲在遠程數據庫中對應的數據發送給Web瀏覽器，這就完成了客戶瀏覽器同Web服務器之間的數據的動態交互.為了實現這一動態交互通信過程，可以采用CGI技術實現動態Web頁面功能.CGI是一種在Web服務器中運行的程序，是通用網關接口，定義了Web服務器與嵌入式應用間交互的接口標準.在Web環境下，完成瀏覽器與服務器之間的數據交互，CGI技術具有較好的動態交互性能.

Web服務器是處理HTTP請求的核心主程序，它對來自客戶端的訪問請求報文進行相應的分析處理，并將請求數據以報文的形式返回給客戶端.一個功能性完整的嵌入式Web服務器的核心部分主要包括HTML請求解析器和模塊分析器.HTML請求解析器用于接收HTTP請求報文，模塊分析器根據配置對報文進行相應處理.這樣，嵌入式Web服務器與嵌入式應用模塊進行交互，實現對設備系統控制參數的設置和讀取［6］.

嵌入式Web服務器在開始運行前，首先要執行初始化，主要工作包括了設置服務器監聽的端口和應用數據存儲區域.每當客戶端請求一個URL給嵌入式Web服務器時，HTTP引擎便馬上調用CGI程序.客戶端瀏覽器發送HTTP請求時，Web服務器接收并解析，判斷出請求的內容是靜態頁面請求還是CGI動態請求，如果是靜態頁面請求，則直接輸出HTML靜態文件.如果是CGI動態請求，就將數據內容傳遞給CGI程序，并重定向CGI程序，輸出到Web頁，CGI程序在處理時將數據封裝成HTML形式發送到輸出，這樣客戶端瀏覽器就可以看到對應的Web網頁.嵌入式Web服務器的軟件設計如圖4所示.

3.2 Web客戶端的設計

3.2.1 Android與遠程數據庫通信的方法

Android Web客戶端應用開發的核心技術，在于如何建立Android智能手機與家庭控制中心的嵌入式Web服務器之間的聯系，建立Android Web與遠程數據庫之間的通道，實現遠程查詢與控制智能家居設備的功能.從系統整體設計上看，在Android客戶端與遠程服務器之間，通過加入嵌入式Web服務器，以Web通信方式，調用Web Service完成對遠程服務器上的數據庫的操作，實現Android Web客戶端對家居環境設備的遠程控制和管理.

由于Android平臺沒有直接調用Web Service庫的數據接口，Android客戶端就不能直接訪問服務器的遠程數據庫，需要借助第三方的SDK來調用Web Service庫［7］.傳統PC環境下的Web Service客戶端庫相當豐富，然而這些客戶端的開發包比較龐大，而且限于Android移動設備的性能和內存因素，一般很難移植到Android系統中，無法適用于Android移動設備.因此，需要選擇適合Android移動設備的Web Service客戶端的SDK來實現遠程訪問數據，經過對比較常用的SDK對比研究，基于SOAP協議的Web Service可以實現遠程訪問數據庫，建立Android Web客戶端與遠程數據庫之間通信交互的通道.這種遠程訪問數據庫方法是借助第三方工具Ksoap2－Android實現對Web Service庫的訪問，Ksoap2－Android軟件工具可以封裝Ksoap2用戶請求，以SOAP的格式來調用Web Service庫，并將返回的SOAP格式的數據信息解析為Soap Object對象.Android Web客戶端發送請求與Web服務器接收響應都是基于SOAP協議的，所以，這種方法的方案成熟度較高，協議標準整體一致性強，安全支持性較好.因此，本設計采用了基于SOAP協議訪問遠程數據庫的方法，實現Android Web客戶端與嵌入式Web服務器的遠程數據庫之間的通信交互.

3.2.2 Android調用Web Service通信設計

Android Web客戶端與遠程數據庫的通信交互，是采用基于SOAP協議訪問遠程數據庫的方法來調用Android平臺中Web Service實現的.這種方法借助了第三方工具Ksoap2－Android來調用Web Service庫.SOAP調用Web Service的設計步驟如圖5所示.

3.2.3 Web客戶端設計的實現

智能家居系統的客戶端與嵌入式Web服務器相比，相對簡單，客戶端軟件如果在電腦上使用，只要登陸Web瀏覽器就可以了，如果在移動終端設備（如手機、平板電腦）上使用，需要登陸Web客戶端.本系統重點設計的客戶端是指可以直接在Android手機上登陸使用的Android Web客戶端.

Android Web客戶端通過調用嵌入式Web服務器端的Web Service庫，實現對遠程數據庫的查詢、控制與管理操作，從而實現對用戶家居智能設備的控制和家居生活環境狀態的監控［8］.考慮到系統的安全性，Android Web客戶端訪問遠程數據庫之前先要登錄嵌入式Web服務器，驗證身份合法后，才能進行下一步的操作，通過選擇網絡，連接Web服務器指定端口，建立Web客戶端與Web服務器之間的通信交互通道，完成查詢與控制智能家居系統設備的功能.Android Web客戶端軟件設計主流程如圖6所示，Android Web客戶端軟件界面如圖7所示.

4 結論

本文在結合嵌入式系統和Android平臺優點的基礎上，利用Android移動智能終端設備的更高級的功能和嵌入式Web服務技術，提出了一種基于Android和嵌入式Web技術的智能家居系統設計方案.該系統通過移植Android系統、建立嵌入式Web服務器和遠程數據庫、開發Web客戶端，并利用無線／有線組網方式，實現Android Web客戶端訪問遠程數據庫，實現對家居生活環境的遠程監控.系統主要采用Java語言開發，具有架構簡單、開發難度較低的特點，并采用面向對象思想和多線程技術開發復雜應用程序.此外，本系統還具有可裁剪性，可以根據家居生活環境的不同，通過服務器統一部署，任意增減家居控制設備.

［1］ 韓佩富，李洋.基于嵌入式Web服務器的智能家居系統設計［J］.微處理器，2008（5）：189－191.

［2］ 柯元旦，宋銳.Android程序設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010：12－35.

［3］ Jeremy Bentham.嵌入式系統Web服務器TCP／IP Lean［M］.陳向群，譯.北京：機械工業出版社，2010：115－121.

［4］ 董航飛.C／S和B／S結構相結合的嵌入式Web服務器設計［J］.單片機與嵌入式系統，2014（1）：37－43.

［5］ 王莉，周偉.基于ARM的嵌入式Web服務器設計［J］.計算機工程與應用，2012，48（14）：90－93.

［6］ 潘琢金，王秋實.嵌入式Web服務器中動態Web技術的研究2010［J］.計算機工程與設計，2010，31（18）：3975－3978.

［7］ 鹿曼.基于Android的智能家居控制系統的設計與實現［D］.濟南：山東建筑大學，2013.

［8］ 南春輝，李博，武穎.基于Web技術的嵌入式智能家居系統設計［J］.電視技術，2013，37（3）：86－92.

Design of smart home system based on Android and embedded Web technology

PAN Ying－hui

（College of Information Science and Technology，Baotou Teaches’College，Baotou 014030，China）

In this paper，with the help of ARM microprocessor hardware platform and combine Web Service technology and Android platform，proposed a smart home system based on B／S and C／S architecture.Embedded Web server of this system is based on the Linux platform，ensuring the robustness and security of the system，and can expand services as needed.Meanwhile，smart phone is part of the smart home system，with the mobile communication network mobile phone users to achieve interoperability of the home environment，you can control and manage the home state of the environment at any time，allowing users to enjoy reliable smart home services.Compared with the traditional smart home system versatile，convenient networking，operating more simple，remote control capability enhancements，and high market value，easy to spread.

smart home；Android；Web；server；client

TP 311 ［學科代碼］ 520·5099 ［

］ A

（責任編輯：石紹慶）

1000－1832（2015）01－0071－06

10.16163／j.cnki.22－1123／n.2015.01.014

2014－04－29

國家自然科學基金資助項目（11301044）.

潘穎輝（1980—），女，碩士，講師，主要從事嵌入式研究.