基于物聯網的遠程控制智能家居系統設計與實現

陳玲君紹興職業技術學院機電工程學院，浙江紹興312000

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基于物聯網的遠程控制智能家居系統設計與實現

陳玲君
紹興職業技術學院機電工程學院，浙江紹興312000

摘要：基于網絡技術的智能家居遠程控制系統能夠滿足用戶實時了解家居狀況、遠程控制家居設備的需求，是智能家居發展的重要方向。為此，設計了一種利用社交網絡開放平臺作為網絡通信媒介的新型遠程控制智能家居系統，從而克服了傳統遠程控制系統需要安裝家庭服務器，依賴固定IP地址的弊端，提高系統安全性。

關鍵詞：智能家居；遠程控制；社交網絡

在無線通信技術和互聯網技術的高速發展不斷提升人們的生活質量的同時，人們對舒適便捷的家居生活的需求也越來越高，家庭自動化、家庭信息化、智能家居等不斷智能化的設計思想在這種日益突出的需求下相繼被提出，實現家居環境的智能化、網絡化已成為當今家居產業的主要研究目標。智能家居是人類住宅即將經歷的的一場富有意義的革命，它能夠為人類帶來更加便捷、安全、高效的現代生活方式，是居住環境與現代科技融合后的的必然產物。所以，在新興的研究領域中智能家居系統也逐漸重要[1]。

1　相關技術介紹

1.1Android平臺下的應用程序設計

Android體系采用的是分層的軟件層次架構，它主要由5個部分組成，分別是：Linux內核、Dalvik虛擬機、各種本地運行庫、應用程序框架和上層應用程序。本文以Windows系統為開發Android的系統平臺，采用第一種開發方式，即基于Android SDK的應用程序開發方式，并使用比較流行的IDE開發工具Eclipse。Android SDK安裝具體步驟為：從Android開發者官方網站下載安卓SDK壓縮文件，文件下載完成后解壓到需要保存的工作路徑。運行SDK文件中的Setup.exe可執行文件，點擊Available Packages按鈕選擇要安裝的版本包。然后選擇希望安裝的SDK及其文檔或者其它包，按照安裝向導提示依次點擊相應按鈕開始下載安裝，不需要過多版本的話可以只選擇需要的版本進行安裝，之后如果再需要其他版本時再下載，這是因為該過程比較耗時。做完以上工作后，最后需要設置環境變量，在PATH變量中添加解壓后Android開發包中的tools文件夾的絕對路徑[2]。

1.2微博開放平臺

使用新浪微博開放平臺進行應用開發，需要進過以下的的幾個步驟：首先注冊微博賬號，成為開發者。微博提供不同的應用類型，包括移動應用、站內應用、網頁應用等，可以根據需要選擇應用類型，本設計主要用到移動應用。

在認證和授權的過程中涉及的三方包括：1、服務提供方，用戶將需要存儲在網絡上的資源如圖片，視頻，通信錄等存放在服務提供方處，服務提供方負責資源保存與保護以及其他服務；2、用戶，第三方應用的使用者、所訪問的資源的擁有者和服務提供方提供服務的對象；3、客戶端，需要訪問服務提供方資源的第三網站方或應用[3]。

微博開放平臺提供了諸多接口供開發者使用，文檔詳細描述了接口的功能、調用地址等。微博接口規定每個用戶每個小時以內只能請求一定的次數，用戶維度限制如表1。

表1　接口請求限制Table 1 Limitation for the interface request

2　遠程控制系統設計

2.1系統功能概述

利用Android手機、新浪網絡開放平臺、ZigBee無線模塊設計了一種智能家居遠程控制系統，能讓用戶通過手機對設備進行監控、查詢傳感器數據等，并能利用社交網絡的優越性，分享家居體驗。系統包括ZigBee設備無線網絡、家庭網關與遠程控制端三個部分。本設計在臺式計算機平臺上實現網關應用的設計，接收ZigBee網絡傳遞的數據進行處理、存儲和設備控制，網關應用使用java語言編寫，便于跨平臺使用。遠程控制端采用Android平臺手機，為用戶提供可視化操作界面。

2.2ZigBee內部網設計

本設計使用六個ZigBee節點。由于節點本身的組網限制，本設計使用樹狀拓撲結構進行組網，一個節點用作協調器節點，并負責與網關通過串口進行通信；兩個節點用作路由節點，用于模擬兩個房間的路由控制；其余三個節點分別接入兩個路由節點，模擬位于不相同房間中的設備。

2.2.1協調器節點功能及軟件設計協調器節點通過九針串口線與家庭網關連接。在ZigBee內部網中，協調器節點主要負責實現建立網絡、允許其他節點加入網絡、轉發信息等網絡功能，在本設計中協調器節點還負責實現與網關之間的通信，主要功能有：（1）新節點加入網絡時，獲取設備地址、設備Profile等節點設備信息，并將這些信息發送到網關；（2）接收來自網關的設備控制命令并解析命令，得到要操作的設備地址，向相應設備發送控制命令；（3）接收設備節點返回的控制結果，并轉發給網關；（4）接收路由節點發送的房間環境信息，并轉發給網關。其應用程序流程圖如圖1所示。

圖1　協調器節點應用流程圖Fig.1　Application process of coordinator node

圖2　路由節點應用流程圖Fig.2　Application process of router node

2.2.2路由器節點功能及軟件設計路由節點主要提供內部網中消息的路由功能，以及允許節點加入網絡并為其分配地址。在本設計中，路由節點實現的應用功能有：（1）負責一個房間子網的劃分，一個路由節點負責一個房間子網中設備與協調器節點的通信連接；（2）路由節點負責房間環境信息的周期性采集，并將采集到的數據發送給協調器節點，路由節點的應用程序流程圖如圖2所示。

2.2.3設備節點功能及軟件設計設備節點主要負責網絡搜索與加入、發送和接收數據等功能。在本設計中，設備節點實現的應用功能有：（1）設備節點加入網絡時，主動向協調器節點發送設備地址、設備Profile等節點設備信息；（2）接收控制信息，執行控制操作，并返回操作結果給協調器節點。設備節點的應用程序流程圖如圖3所示。

圖3　設備節點應用流程圖Fig.3　Application process of equipment node

圖4　網關應用模塊圖Fig.4　Application module of gateway

3　家庭網關設計

家庭網關主要功能包括通過Internet與外部網絡通信、內部網絡信息存儲和通過串口與ZigBee內部網通信三個部分。硬件平臺主要采用臺式PC，以后可以考慮采用嵌入式設備，與外部網絡連接采用有線方式，通過九針串口線與ZigBee網絡協調器節點連接。為便于軟件在不同平臺間的移植，網關軟件的開發采用Java語言，開發環境為Eclipse[4]。

根據家庭網關功能劃分，網關軟件設計為主要包括四個模塊：外部網通信模塊、內部網通信模塊、數據庫和UI界面。系統結構框圖如圖4所示。

3.1ZigBee內部網設計

通信模塊主要包括外部網通信模塊與內部網通信模塊。

（1）外部網通信模塊啟用兩個線程實現，一個實現Runnable接口的類WeiboCheckRunnable獲取微博消息，篩選命令消息，更新命令；另一個實現Runnable接口的類WeiboSendRunnable接收更新命令，判斷命令類型并執行相應操作，返回結果到遠程控制端[5]。實現類流程圖如圖5。

圖5　Weibo Check Runnable類處理流程Fig.5　The process of Weibo Check Runnable

圖6　內部網通信模塊處理流程Fig.6　The process of internal network communication module

（2）內部網通信模塊采用javax.comm包實現異步串口通信，使用Java串口包API進行串口操作的基本步驟如下：（a）列舉出本機所有可用串口CommPortIdentifier，選擇需要的端口；（b）對串口參數進行配置，包括數據位數，輸入/輸出流控制，波特率，停止位和齊偶校驗；（c）打開串口獲取輸入輸出流，監聽串口事件，對串口進行讀寫[6]。

本設計對串口操作進行封裝得到SerialUtil類，本模塊對串口的操作主要通過SerialUtil類實現。本模塊采用觀察者模式接收來自外網通信模塊的控制命令，在命令執行后更新控制結果返回命令，同時進行了操作權限檢查與操作記錄，具體流程圖如圖6所示。

3.2用戶界面設計

用戶界面使用Java用戶界面開發工具包Swing。開發人員可以利用Swing各種的功能強大的模塊化組件來創建優美的用戶界面。用戶界面提供的主要交互功能有房間與設備列表顯示、微博登錄認證、設備信息設置、訪問用戶權限管理、交互記錄查詢等。

4　手機移動端軟件設計

移動客戶端軟件采用Android平臺2.3版SDK，應用主要包括交互界面、微博交互模塊和數據存儲操作三個部分，使用BroadcastRecieverz組件進行模塊線程之間的通信[7]。

用戶界面主要使用AndroidListview組件進行界面設計，Listview是Android中最常用的UI組件之一，能夠清晰地展示列表數據，界面簡潔，操作簡單。本應用主要設計房間列表、設備列表、操作列表等數據，因而選擇Listview組件。使用ListView組件關鍵在于Android提供的適配器類Adapter。

客戶端微博交互模塊主要由發送線程與監聽線程構成，應用可以啟動多個發送線程，監聽線程只有一個，當用戶操作發送命令時，啟動發送線程，發送命令消息，同時向監聽線程注冊對應的微博ID進行監聽；當監聽線程獲得返回結果后，發送廣播通知；BroadcastReciever接受廣播更新界面。

數據的存儲可以選擇SQlite和SharedPreferences，由于應用中使用到的數據較少，實現中選擇使用SharedPreferences。實現SharedPreferences存儲的步驟如下：1、根據Context獲取

SharedPreferences對象；2、利用edit（）方法獲取Editor對象；3、通過Editor對象存儲key-value鍵值對數據；4、通過commit（）方法提交數據[8]。

5　系統運行調試

調試的主要目的是測試整個系統的功能，比如家庭網絡中的節點之間的通信功能、各個節點的功能、通過短信和Web瀏覽器對家庭網絡節點設備進行監控的功能。

內網組網與網關調試調試的主要任務是測試家庭網絡中的節點之間的通信功能是否通暢、各個節點的功能是否完整、網關各項功能是否正常。具體調試步驟如下：（1）使用九針串口線連接協調器節點與網關計算機，協調器節點上電，開啟網絡，開啟路由節點加入網絡；（2）打開網關軟件，開啟數據庫服務，開啟設備節點通過路由節點加入網絡；（3）驗證新節點入網時，網關軟件對內網節點信息管理功能正常，能夠得到正確的節點信息并進行存儲；（4）等待定時環境信息檢測，網關軟件能正常顯示各房間溫濕度信息；（5）對已加入網節點進行本地控制操作，驗證各節點功能完整，工作正常。

遠程控制功能調試主要測試客戶端通過開放平臺控制設備的功能能否實現，因為網關部分遠程控制與本地控制使用同一模塊，控制部分功能在上一步已經驗證。本步調試主要驗證網關與客戶端通信是否正常、命令解析功能是否正常、用戶權限管理功能是否生效。具體調試步驟如下：（1）網關軟件登陸微博，設置用戶權限；（2）打開移動客戶端應用，登錄認證，測試各項功能包括獲取房間、設備、操作列表，操作設備，獲取房間環境信息；（3）修改用戶權限，驗證權限限制功能是否正常[9]。

6　結論

本文設計了一種利用社交網絡作為網絡通信媒介的新型遠程控制的智能家居系統。本設計利用社交網絡公共開放平臺作為交互媒介，解決了傳統遠程控制系統需要架設家庭服務器，依賴固定IP地址的弊端，不再使用家庭端服務器也使得系統安全性有所提高，此外家庭網關應用能夠適應內網拓撲結構的變化，保存網絡節點信息，在網絡結構變化時及時調整，提高了系統的靈活性。

參考文獻

[1]鄭嫻，姚銘.智能家庭網絡的研究現狀與發展趨勢[J].住宅科技，2006（8）:109-112

[2]薛震南.基于物聯網的智能家居研究[D].南京:南京大學，2013

[3]胡向東，韓愷敏，許宏如.智能家居物聯網的安全性設計與驗證[J].重慶郵電大學學報:自然科學版，2014，26（2）:171-176

[4]王麗俠，張湃.基于物聯網的智能家居系統的研發[J].電氣應用，2015，34（14）:26-30

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[6]邵葉紅，張學敏.基于ZigBee技術的無線點菜系統[J].電子技術，2010（10）:68-70

[7]宋小倩，周東升.基于Android平臺的應用開發研究[J].軟件導刊，2011，10（2）:104-106

[8]無線龍. ZigBee無線網絡原理[M].北京:冶金工業出版社，2011

[9]范懷宇.Android開發精要[M].北京:機械工業出版社，2012

Design and Implementation of Remote Control Intelligent Home System Based on Internet of Things

CHEN Ling-jun
Department of Mechanical＆Engineering/Shaoxing Vocational＆Technical College, Shaoxing 312000，China

Abstract:At present，the smart home remote control system using network technology meets the people to understand the needs of home，remote control of household equipment，it is an important part of smart home. Therefore，the new-style remote control intelligent home system based on social network open platform was designed to overcome a disadvantage that a traditional remote control system need set up home server and rely on the fixed IPaddress. The security of the system was improved.

Keywords:Smart home；remote control；social network site

作者簡介:陳玲君（1983-），女，碩士，講師.主要研究方向為智能家居控制. E-mail:chenlingjun@sxvtc.com

基金項目：浙江省教育廳科研項目:基于無線傳感網的智能教室遠程控制系統設計（Y201534905）；2015紹興職業技術學院校級科研項目:基于Arduino的智能環境監控系統設計（201525）

收稿日期:2015-05-12修回日期: 2015-08-06

中圖法分類號：TN915.5

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）01-0088-04