基于Android的智能檢控系統設計與實現

王菲露 袁壯 閔祥輝 李晨 權宇

摘要：針對不同家庭內部的應用環境，基于Android技術提出并設計了一種低功耗且易移植的智能家居控制系統。利用Android提供的語言、圖像、系統主題等資源通過WiFi通信建立智能家居控制終端軟件，并利用STM32數字電路頻率高且模擬電路敏感度強的特點建立閉環控制系統，使軟件客戶端既可以手動遠程調節家用設備，也能夠通過主控系統實現對各種參數閾值的判斷并進行自動調節。根據人機工程學原理結合不同用戶的個性化需求，將安全、電器控制、場景聯動、家居互聯等與家庭生活相關的各個子系統有機地結合在一起，實現了家用電器的本地控制和遠程控制相結合。該智能控制系統硬件設備簡單、成本較低、易于移植和擴展，既適用于家庭用戶，也可拓展學校等領域的智能控制系統，應用面廣。

關鍵詞：Android;WiFi;物聯網;遠程控制;自動化控制

中圖分類號：TP23? ? ?文獻標識碼： A

文章編號：1009-3044（2021）02-0012-02

Abstract： Aiming at the application environment in different families， a kind of intelligent home control system with low power consumption and easy migration is proposed and designed based on Android technology. Using Android provides language， image， system of subject resources such as WiFi communication to build smart home control terminal software， and use the STM32 high frequency digital circuit and analog circuit sensitivity is strong to establish the characteristics of closed loop control system， the software client can be either manual remote control of household equipment， also can be implemented through the main control system for various parameters threshold judgment and automatic adjustment. According to the principle of ergonomics and the personalized needs of different users， each subsystem related to family life， such as safety， electrical control， scene linkage and home interconnection， is organically combined together to realize the combination of local control and remote control of household appliances. The intelligent control system hardware equipment is simple， low cost， easy to transplant and expand， not only suitable for home users， but also can be extended to schools and other fields of intelligent control system， wide application.

Key words：Android;WiFi;the internet of things;the remote control;automatic control

如今大多數人把手機作為接入互聯網的首選設備，因此本系統選擇手機作為智能處理終端。研究公司Gartner近日的一項調查顯示，全球2019出售的智能手機中，搭載Android系統的智能手機市場占有率高達85.9%，因此擁有龐大市場占有率的Android系統是個不可替代的開發系統[3]。通信傳輸協議方面，Android對UDP和TCP協議都有很好的支持。TCP相對于UDP具有面向連接、可靠性高、測量精準等優勢，但是傳輸速率較慢、要求資源較多。綜合考慮后，本智能檢控系統選擇可靠性較強的TCP協議進行開發研究。本系統的開發為同類項目的研發提供了良好的技術積累、提高其便捷性和可移植性。

由于實際生活中常用電器設備的不統一性，往往需要進行技術優化才能適應現代化物聯網的需求。而通過無線網絡把常用家電連接在一起，則無須重新布線，且具有傳輸速度快、功耗低、便于安裝和維修等優點。通過標識IP地址和端口號，主控制器可以與其他子設備之間自動建立連接，方便自動查詢設備身份和獲取服務信息。因此，本文在建立WiFi通信基礎上，提出基于Android設計開發的智能檢控系統具有良好技術優勢和應用價值。

1 系統總體方案設計

總體方案設計如圖1所示，主控中心一方面通過WiFi網絡與手機或其他移動客戶端進行數據通信，另一方面通過布線網絡對智能檢控系統模塊進行電氣控制和環境數據采集。依照國際標準對煤氣泄漏、PM2.5超標、火情的發生等情況進行檢測并對危險情況進行報警，提醒用戶做出處理。用戶也可以通過App的客戶端來選擇自動調節和手動調節兩種模式。手動模式下，用戶可基于終端軟件控制App客戶端實現遠程調節電器的功能;自動模式下，用戶只需提前設置好相應參數的閾值，主控中心會依據現場情況和預設方案自動對超出閾值的參數做出相應反饋并進行處理。

2 系統設計與實現

2.1 技術路線

本智能檢控系統的主控中心是整個系統的總控制器。由于STM32F4片內各種接口資源豐富，指令功能強大。且其具有數字電路頻率高、模擬電路的敏感度強、有效抗干擾能力強等優點，所以本系統采用STM32F4微控制器。通過主控中心上的人機交互控制界面，實現對家庭常用設備的智能化調節和檢控。同時，根據不同環境的操作特性設置對應的智能化傳感器如溫度傳感器、煙霧傳感器、光強度傳感器等，這些傳感器及其特定電路模塊構成子控制器模塊系統并通過WiFi模塊相互連接。

主控中心是智能檢控系統的核心。 相關軟件設計主要包括： 網絡控制協議、WiFi模塊間通信協議和基于WiFi模塊的家庭電器調節控制程序設計。采用WiFi模塊設計各種傳感器驅動器，控制終端軟件客戶端與WiFi模塊串行通信的程序設計，控制接口程序設計，主控中心的歷史信息存儲結構設計。本系統實現了對設備運行狀態信息的實時采集和詳細分析。如果出現異常狀態，則將狀態信息和異常分析結果實時反饋到控制中心，并報警提醒用戶，大大提高了家用設備的安全性、增強了人機交互體驗感，提升了智能系統的使用效率。系統設計框圖如圖2所示。

3 終端軟件的設計

3.1 界面設計

客戶端可實時同步顯示傳感器采集到的室內傳感器所測得的各項數據。在各項數據的具體顯示頁面，都設置有不同控制功能的操作按鈕，可以對相應的智能設備進行實時調節與控制。當系統判斷環境參數臨近或達到危險臨界值的時候，會把顯示界面替換成醒目的背景顏色，加深字體顏色等以提醒用戶潛在危險情況的發生。

3.2 功能設計

在Android客戶端，主要負責的功能包括：接收來自主板的數據、對數據進行處理、顯示數據、實時提醒用戶、保存以往數據。接收數據時，對數據進行簡單的判斷;獲取數據后對獲取的多組同一連續時間段的數據進行對比檢測，舍棄明顯與實際情況不符合的信息，并分析造成錯誤數據的具體原因。在判斷完數據的正確性后，將數據與用戶設定的閾值進行比對，并將正確數據顯示在應用首頁。對比結果以不同顏色的背景變化、字體變化等形式體現在首頁上，若采集到的參數超過用戶設定的閾值，則需要向操作系統發布Broadcast，以便讓用戶切換到其他應用或者在未解鎖應用的時候獲取實時消息。為了很好地實現上述功能，我們在系統中設置了注冊服務，使應用可以隨時檢測并記錄數據，并將數據保存在本地，以便日后隨時訪問與監控。

移動端設備建立Socket通信獲取數據時，利用已知的IP地址及相應的端口號即可使用套接字通訊對檢測到的參數進行更新，此時Android客戶端程序會調用Socket（）建立套接字與硬件的服務器端進行套接字通訊，并分別通過accept（）、connect（）建立連接進行數據交換，最后通過close（）關閉套接字并將獲取的數據通過更新UI的方式顯示出來，從而完成一次數據更新。功能設計流程圖如圖3所示。

Android中不允許在子線程中進行UI的更新等操作，但在主線程直接進行UI操作又會造成阻塞，會使App產生運行卡頓的效果。而利用runOnUiThread（）方法將當前線程切換到主線程，在此方法中執行UI更新操作、對采集到的正確數據進行修正并轉化成國際單位進行顯示。同時可以及時對UI進行更新來達到多次采集數據并依次顯示的效果。

4 系統結果和性能分析

通過一系列反復實驗與測試，如標準的預期性能指標測試、單一功能加壓測試、復雜場景測試等，本系統在硬件設計和終端軟件開發符合預期要求，能夠較好地滿足用戶對常用家電設備的實時智能管控。基于Android的智能檢控系統可以很好地應用于日常家居環境。也可根據應用子系統的具體情況進行增減，或者選擇不同級別靈敏度的傳感器和反饋端的設施，以達到低成本、高性價比的實用目的。通過對數據傳輸字節的限制，軟件終端能精確地執行用戶的遠程指令，同時由于我們選取的是168MHz高主頻的STM32F4作為主控，所以對閾值的判斷速度極快，能在完全確保用戶安全的基礎上實現用戶的個性化需求。

5 結束語

實現了基于Android的智能檢控系統的開發，擴展了智能檢控系統的軟硬件使用范圍，滿足了用戶對智能家居的多樣化需求。結合軟件工程理論，對系統進行需求分析，根據需求層次，本系統充分考慮用戶的體驗和使用環境，提供手動和自動模式的自由選擇，大大提高了用戶的臨場感和人機交互體驗。本系統將Android技術融入閉環控制系統應用中，充分利用智能傳感器功能，實現對多樣化的家電設備的實時調節和控制。經反復測試，本系統功能可靠穩定，性價比高，滿足用戶需求，大大提高了智能家居系統的應用質量。

參考文獻：

[1] 路冉.基于Android的車輛監控系統的設計與實現[D].哈爾濱：黑龍江大學，2019.

[2] 任克強， 王傳強. 基于物聯網的室內數據采集監控系統[J]. 液晶與顯示， 2020， 35（2）：136-142.

[3] 阮星，蔡闖華.一個基于ZigBee協議的智能照明應用實例的實現[J].赤峰學院學報（自然科學版），2011，27（8）：38-40.

[4] 呂紅海.基于Android的智能家居無線控制系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012.

[5] 李濤.基于Android的智能家居APP的設計與實現[D].蘇州：蘇州大學，2014.

[6] 卞竹江.基于Android系統的移動辦公系統的開發[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[7] 王朝華.基于Android的智能家居系統的研究與實現[D].廣州：廣東工業大學，2012.

[8] 李凱麗.基于藍牙技術的溫濕度遙控測試儀設計[J] .電子技術與軟件工程，2016（19）51-52.

[9] 王瑞娜.基于Android的智能家居系統的設計與實現[J].河北北方學院學報（自然科學版），2016，32（11）：8-13.

[10] 宋偉強.基于Android的移動巡檢系統開發[J].硅谷，2013（7）：49-50.

【通聯編輯：梁書】