98 计算机应用与软件 2017 年本文的无线智能家居控制系统分成智能家居 APP 服务器中央控制器子控制器四大部分智能家居 APP 基于 Android 操作系统进行设计, 完成远程监视和控制功能 ; 服务器基于 TCP 协议的 Socket 通信进行设计的, 完成转发数据的功能 ; 中央

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牡昝
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1 第 34 卷第 11 期计算机应用与软件 Vol 34 No 年 11 月 ComputerApplicationsandSoftware Nov.2017 基于 Android 的无线智能家居系统设计与研究 1 倪亚玲 1 李晓宁 1,2 张小红 1 ( 电子科技大学机械电子工程学院四川成都 ) 2 ( 国网四川省电力公司德阳供电公司四川德阳 ) 摘要伴随着智能手机产业的快速发展, 网络通信技术的日新月异, 物联网浪潮的推波助澜, 智能家居逐渐成为当代家居生活的发展方向家庭网络需要具备便捷性模块化扩展性及独立性的通信特点, 而无线网络技术能够为智能家居系统提供更大的灵活性移动性, 所以把无线网络技术融入到家庭网络中已经成为当今智能家居市场主流趋势由此设计开发基于 Android 的无线智能家居系统此外, 在完成设计以后对无线智能家居系统的各项功能进行测试, 系统在各项测试中性能优良, 达到了系统设计预期的要求关键词 Android 智能家居系统设计 WiFi 中图分类号 TP3 文献标识码 A DOI: /j.isn x DESIGNANDRESEARCH OFWIRELESSSMARTHOMESYSTEM BASEDONANDROID NiYaling 1 LiXiaoning 1 ZhangXiaohong 1,2 1 (SchoolofMechatronicsEnginering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,Sichuan,China) 2 (StateGridSichuanElectricPowerCompanyDeyangPowerSupplyCompany,Deyang618000,Sichuan,China) Abstract Withtherapiddevelopmentofthesmartphoneindustry,thedevelopmentofnetworkcommunication technology,thesurgeofinternetofthings,smarthomehasgradualybecomethedevelopmentdirectionofcontemporary homelife.thehomenetworkneedstobeconvenient,modular,scalableandindependentofthecommunicationfeatures, andwirelesnetworktechnologycanprovidegreaterflexibilityandmobilityforthesmarthomesystem.sothewireles networktechnologyintothehomenetworkhasbecomethemainstreamoftoday ssmarthomemarkettrends.therefore, wedesignanddevelopawirelessmarthomesystembasedonandroid.inaddition,afterthecompletionofthedesign, thefunctionsofthewirelessmarthomesystemaretested.thesystemhasgoodperformanceinvarioustestsandmeets therequirementsofthesystemdesign. Keywords Android Smarthome Systemdesign WiFi 0 引言时代的推移, 人们生活水平的提高, 改善生存生活环境成为当今社会的热门话题智能家居的普及在家居环境改善的过程中有举足轻重的作用, 智能家居控制系统是家居智能化的核心, 扮演着最为重要的角色 [1-2] 美国俄罗斯都认为物联网行业的发展是经济腾飞, 夺取当今世界的霸主地位的关键因素, 而智能家居的普及对物联网行业的发展中有举足轻重的作用 [7] 在中国也不例外, 国家五大新兴战略性产业, 智能家居物联网产业赫然在列由此可见, 在未来的几十年时间里, 智能家居作为一个新兴蓝海项目, 市场前景不可估量, 智能家居产业将会是中国最具发展潜力的产业之一 [3] 本文将基于 ZigBee 技术 WiFi 技术 Android 技术完成无线智能家居系统的设计与研究从结构上讲, 收稿日期 : 倪亚玲, 硕士生, 主研领域 : 智能家居系统设计研究李晓宁, 高工张小红, 硕士生

2 98 计算机应用与软件 2017 年本文的无线智能家居控制系统分成智能家居 APP 服务器中央控制器子控制器四大部分智能家居 APP 基于 Android 操作系统进行设计, 完成远程监视和控制功能 ; 服务器基于 TCP 协议的 Socket 通信进行设计的, 完成转发数据的功能 ; 中央控制器基于 OpenWrt 操作系统进行设计, 完成 WiFi 和 ZigBee 信号的相互转换 ; 子控制器则利用 CC2530 单片机, 完成设备动作的控制和 ZigBee 信号的上传和下达一个有机的无线智能家居控制系统在 APP 服务器中央控制器子控制器的协调配合下稳定的运行的客户端与服务器交换数据, 服务器是手机与中央控制器通信的桥梁设置好服务器的固定 IP 和端口号以后, 用户的手机可以在任何地方通过 WiFi 连接上服务器, 与中央控制器进行通信, 从而实现对家里各个子控制器的控制本文设计的服务器是基于 TCP 协议的服务器,TCP 传输控制协议是一种面向连接的, 提供端到端全双工传输的通信方式 TCP 的传输有三个过程, 它们分别是 : 建立连接传送数据释放连接 [6-8] 图 1 呈现了 TCP 三次握手流程 1 无线智能家居系统的方案设计智能家居将多项高新技术融入到家庭生活中, 旨在让每家每户都享用人类的科技成果, 为每家每户提供方便高效安全的居家体验用户通过手机, 就能够对家电设备居家环境乃至整个家实现统一的控制与管理无线智能家居网络系统主要由无线信息通信网络自动化控制网络摄像机监视网络三部分构成, 主要被应用于家庭范围或相似用途的地方智能家居网络系统既能本地局域网也能通过互联网远程实现 : 智能灯光智能窗帘智能空调等智能电器设备的监测和控制 ; 智能插座的开关及电量信息采集与监控 ; 视频监护危险预警安防监控等功能 1.1 WiFi 无线网络设计本系统的 WiFi 无线网络是由中央控制器的 RT5350WIFI 网关,Android 手机终端和服务器组成其软件设计主要包括 OpenWrt 操作系统设计服务器设计 Android 应用程序设计 OpenWrt 操作系统设计 OpenWRT 操作系统具备高度模块化高度自动化的特点, 并且具备十分强大的网络组件和扩展性 [4-5] 本系统在进行智能家居 OpenWrt 开发时, 采用 F403 科技创意室的 RT5350 开发板, 其开发步骤如下 : (1) 在 PC 机上编译 U boot, 然后通过 SPIFlash 烧写器烧入单板 (2) 在 PC 机上编译 OpenWrt, 通过 U boot 烧入单板或直接启动一个可以在单板上运行的 OpenWrt 是进行后续开发的基础 (3) 在 PC 机上编译各种应用程序, 经过验证成功后再烧入开发板服务器设计本系统用户的手机中央控制器都作为 WIFI 网络图 1 TCP 三次握手 TCP/IP 协议网络通信的基本操作单元就是 Sock et 通信, 它是网络通信的基础套接字是 Socket 通信的俗称,Socket 是一个通信链的句柄, 用来指明 IP 地址和端口应用程序网络发出请求或者应答网络请求都是通过 Socket 进行的应用程序的 Socket 通信是建立与平台其他应用协调工作的基础在 Java 源程序中建立 Socket 对象以后, 开发人员就是可以用它来接受发送网络中的输入输出流 Android 的 Socket 通信模型如图 2 所示图 2 Socket 通信模块图 3 展示了服务器和客户端的工作流程, 在服务器端首先利用 Socket() 函数创建 Socket 对象, 然后用 Bind() 函数绑定端口号, 最后利用 Listen() 函数来监听无线网络中的数据请求 [9-10]

3 第 11 期倪亚玲等 : 基于 Android 的无线智能家居系统设计与研究 99 图 3 服务器与客户端 Socket 通信程序流程图 Android 应用程序设计智能控制界面就是应用程序中直接与用户进行交互的可视界面智能控制界面 Socket 通信数据库是实现基于 Android 无线智能家居系统软件设计必备元素智能控制软件的组成如图 4 所示户名和密码, 用户登录后可以在设置界面内根据需求自主改动用户名和密码 (2) 通信功能实现本系统的服务器采用的是 TCP 服务器, 所以要与服务器进行通信, 需要建立 TCP 客户端, 在知道服务器 IP 地址和端口号的情况下, 通过 socket= new Socket(conIP,port) 建立 Socket 套接字连接, 通过 con nect() 函数连接服务器即可完成通信 (3) 数据库设计由于本文智能家居系统中使用的数据量比较小, 于是本系统使用了 Android 系统自带的 SQLite 数据库来储存登录密码, 情景模式的家用电器设备以及插座控制模块等数据信息 1.2 Android 应用程序界面设计登录界面的设计与实现 Android 系统的界面设计通常都包含三个部分 : xml 资源文件中实现相应界面的结构布局 ;Java 源代码文件中实现对应界面的显示和具体功能的实现 ; 系统文件完成对登录界面中组件的描述以便系统的识别图 6 完整地展示了登录界面的组成成分图 4 智能控制软件组成图 (1) 智能控制界面登录界面, 控制中心主界面和无线智能家居系统各房间子界面三部分组成了智能控制界面其整体的结构框图如图 5 所示图 6 登录界面成分本系统的登录界面软件的设计流程如图 7 所示图 5 智能控制界面的整体结构框图创建开发登录界面的目的是为了确保家庭网络的安全和用户的隐私, 智能控制软件只能被家的主人或其授权的人使用, 开发者设置了智能控制软件原始用图 7 登录界面程序流程图

100 计算机应用与软件 2017 年连接服务器, 接受用户输入的用户名和密码是智能控制软件在登录时主要的功能, 对用户输入的账号和密码进行比较验证, 只有它们都正确时才能进入智能家居系统主控界面开发完成的登录界面如图 8 所示图 10 主控界面 1.2.3 各房间界面的设计与实现每个房间的结构和功能基本一致, 它们都包含灯光控制窗帘控制插座控制环境检测模块, 所以本部分以主卧为例来介绍房间界面设计与实现主卧房间的逻辑结构图如图 11 所示图 8 登录界面 1.

要从主控界面跳转到各个房间和公共模块, 也必须给主控界面上对应的图标设置事件侦听器, 并在侦听到按钮事件后利用意图组件来实现界面的跳转主控界面如图 10 所示图 9 主控界面程序流程图图 11 主卧界面结构图其程序流图与主控界面大同小异, 开发完成的主卧界面如图 12

4 100 计算机应用与软件 2017 年连接服务器, 接受用户输入的用户名和密码是智能控制软件在登录时主要的功能, 对用户输入的账号和密码进行比较验证, 只有它们都正确时才能进入智能家居系统主控界面开发完成的登录界面如图 8 所示图 10 主控界面各房间界面的设计与实现每个房间的结构和功能基本一致, 它们都包含灯光控制窗帘控制插座控制环境检测模块, 所以本部分以主卧为例来介绍房间界面设计与实现主卧房间的逻辑结构图如图 11 所示图 8 登录界面主控界面的设计与实现当用户点击 Login 按钮后, 如果用户名和密码验证成功, 则智能控制软件从登录界面跳转到主控界面整个无线智能家居系统的各房间情景安防设置图标在主控界面上显示, 界面还具有提供进入这些房间和公共模块的接口的任务智能家居系统主要的功能模块包括 : 客厅主卧次卧厨房安防情景设置在 Java 源代码文件中, 通过 setcontentview() 函数来关联 maintest.xml 布局文件后, 智能控制软件就能够显示主控界面界面上的每个房间以及公共模块都有其对应的功能, 它不会实现这些具体功能, 只是为用户进入各房间和公共模块提供一系列的接口在登录界面的 Activity 中设置事件侦听器, 当侦听到事件时 Activity 通过意图组件来实现跳转, 从而实现让用户从登录界面顺利地过渡到主控界面同理如图 9 所示, 要从主控界面跳转到各个房间和公共模块, 也必须给主控界面上对应的图标设置事件侦听器, 并在侦听到按钮事件后利用意图组件来实现界面的跳转主控界面如图 10 所示图 9 主控界面程序流程图图 11 主卧界面结构图其程序流图与主控界面大同小异, 开发完成的主卧界面如图 12 所示图 12 主卧界面情景模式界面的设计与实现连锁控制在智能家居系统中指的就是智能家居情景模式, 例如智能家居回家模式 : 下班以后, 用户只需点击手机上的一个按钮即可打开所有想要打开的电器, 与此同时智能软件后台自动开启回家安防系统智能家居系统在用户回家之前, 将家居环境调节到用户最喜欢的状态本系统的情景模式采取自主添加的模式, 用户可以把数据库中的任意电器添加到情景模式中, 也可以将已经添加到情景模式中的电器给删除, 给予用户更多的自主选择权如图 13 所示, 用户进入情景界面, 点击添加按钮进入电器选择界面, 用户根据喜好选择相应的电器然后点击确认添加按钮, 将已经选择好的电器添加到情景模式数据库中, 情景界面刷新显示出情景模式数据库中的所有电器, 用户点击控制按钮, 即可实现对这些电器的连锁控制若用户想删除情景数据库中的电

第 11 期倪亚玲等 : 基于 Android 的无线智能家居系统设计与研究 101 器, 只需长按对应的电器, 界面就会弹出删除与否的对话框, 点击确定即可删除相应的电器开发完成后的情景界面如图 14 所示,

2 智能窗帘测试图 16 智能灯控制测试对比图图 13 情景模式程序流程图图 14 情景界面如图 17 展示了智能窗帘的测试过程, 平板服务器中央控制器智能窗帘控制模块和杜亚电机组成智能窗帘测试系统

杜亚电机随后反转表明正在进行合窗帘的动作 ; 当点击平板上的停止按钮时, 智能窗帘控制模块上的 LED2 熄灭, 杜亚电机随后停止转动表明窗帘停止了动作图 15 电器选择界面 2 无线智能家居系统测试 2.

服务器在收到信号后, 将控制指令转发给中央控制器, 中央控制又将指令通过 ZigBee 的形式发送给智能灯子控制器, 子控制器以射频的方式去控制触摸面板中的晶图 17 智能窗帘控制测试对比图 2.

5 第 11 期倪亚玲等 : 基于 Android 的无线智能家居系统设计与研究 101 器, 只需长按对应的电器, 界面就会弹出删除与否的对话框, 点击确定即可删除相应的电器开发完成后的情景界面如图 14 所示, 电器选择界面如图 15 所示闸管的开关, 从而实现对灯的智能控制 2.2 智能窗帘测试图 16 智能灯控制测试对比图图 13 情景模式程序流程图图 14 情景界面如图 17 展示了智能窗帘的测试过程, 平板服务器中央控制器智能窗帘控制模块和杜亚电机组成智能窗帘测试系统当系统上电以后, 当点击平板上的开窗帘按钮时, 智能窗帘控制模块上的 LED2 亮起, 杜亚电机随后正转表明正在进行开窗帘的动作 ; 当点击平板上的合窗帘按钮时, 智能窗帘控制模块上的 LED2 闪烁, 杜亚电机随后反转表明正在进行合窗帘的动作 ; 当点击平板上的停止按钮时, 智能窗帘控制模块上的 LED2 熄灭, 杜亚电机随后停止转动表明窗帘停止了动作图 15 电器选择界面 2 无线智能家居系统测试 2.1 智能灯测试如图 16 所示, 平板服务器中央控制器智能灯子控制器触摸面板和灯组成智能灯测试系统将触摸面板和灯串联起来, 组网成功以后, 点击平板界面上的主光源开关按钮, 通过 WiFi 将信号发送出去服务器在收到信号后, 将控制指令转发给中央控制器, 中央控制又将指令通过 ZigBee 的形式发送给智能灯子控制器, 子控制器以射频的方式去控制触摸面板中的晶图 17 智能窗帘控制测试对比图 2.3 情景模式测试情景模式在智能家居系统中实际上就是指连锁控制, 所谓连锁控制即几种家用电器通过一个按钮就可以完成控制如图 18 所示, 以智能插座和智能窗帘为例进行情景模式测试, 为了凸显效果智能插座上依然接上了灯泡用户通过添加界面将智能插座和智能窗帘添加到情景模式界面中, 当用户点击开情景模式按钮时, 智能插座接通, 灯泡亮起, 窗帘电机转动起来这样就通过一个情景模式按钮实现智能插座和智能窗帘的连锁控制

102 计算机应用与软件 2017 年 3 结语图 18 情景模式测试对比图智能手机的迅速普及, 无线通信技术的快速发展为智能家居带来了新的契机本文以 ZigBee 模块作为子控制器, 以 RT5350 开发板作为中央控制器, 利用 Socket 套接字机制建立 TCP 服务器, 以当下最热门的 Android 手机作为智能家居手持终端, 开发了一套无线智能家居系统

6 102 计算机应用与软件 2017 年 3 结语图 18 情景模式测试对比图智能手机的迅速普及, 无线通信技术的快速发展为智能家居带来了新的契机本文以 ZigBee 模块作为子控制器, 以 RT5350 开发板作为中央控制器, 利用 Socket 套接字机制建立 TCP 服务器, 以当下最热门的 Android 手机作为智能家居手持终端, 开发了一套无线智能家居系统本文所设计的无线智能家居系统的优点在于 : (1) 子控制器的硬件设计采用底座加模块的形式, 底座具有通用性, 节约批量生产和售后的服务的成本 (2) 智能家居系统控制软件对网络通信安全方面做了基础的研究工作, 为以后的改进奠定了基础 (3) 采用 ZigBee WiFi 无线通信方式, 结合两种通信方式的优点设计出成本低功耗低性价比高的智能家居系统参考文献 [1] SuyangZhou,ZhiWu,JianingLi,etal.Real timeenergy ControlApproachforSmartHomeEnergyManagementSys tem[j].electricpowercomponents& Systems,2014,42(3 4): [2] 孙浩. 基于 Wi Fi 技术和 Android 系统的智能家居系统设计 [D]. 北京 : 中国矿业大学,2014. [3]HanDM,LimJH.Designandimplementationofsmarthome energymanagementsystemsbased on zigbee[j].ieee TransactionsonConsumerElectronics,2010,56(3): [4] InternationalFederationofLibraryAsociationandInstitu tions.namesofpersons:nationalusagesforentryincata logues[m].3rded.london:ifla InternationalOficefor UBC,1997. [5] 张荣.Android 开发与应用 [M]. 北京 : 人民邮电出版社, 2014: [6] 王朝华, 陈德艳, 黄国宏, 等. 基于 Android 的智能家居系统的研究与实现 [J]. 计算机技术与发展,2012,22(6): [7] 邓中祚. 智能家居控制系统设计与实现 [D]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学,2015. [8] 耿东久, 索岳, 陈渝, 等. 基于 Android 手机的远程访问和控制系统 [J]. 计算机应用,2011,31(2): [9] 张雅楠, 杨璐, 郑丽敏. 基于 Android 手机的远程视频监控系统的设计与开发 [J]. 计算机应用,2013,33(S1): [10] 许东, 操文元, 孙茜. 基于 CC2530 的环境监测无线传感器网络节点设计 [J]. 计算机应用,2013,33(S2):17 20, 24. ( 上接第 47 页 ) [9]ZahariaM,ChowdhuryM,DasT,etal.Resilientdistribu teddatasets:afault tolerantabstractionforin memoryclus tercomputing[c]//usenixconferenceonnetworkedsys temsdesign and Implementation. USENIX Asociation, 2012:2 2. [10] ZhangS,HanJ,LiuZ,etal.AcceleratingMapReducewith DistributedMemoryCache[C]//IEEE,InternationalCon ferenceonparalelanddistributedsystems,icpads2009, 8-11December2009,Shenzhen,China.DBLP,2009: [11] LuoY,LuoS,GuanJ,etal.ARAMCloudStorageSystem basedonhdfs:architecture,implementationandevalua tion[j].journalofsystems&software,2013,86(3): [12]MaQ,SteenkisteP,ZhangH.Routinghigh bandwidthtraf ficinmax minfairsharenetworks[c]//conferencepro ceedingsonapplications,technologies,architectures,and protocolsforcomputercommunications.acm,1996: [13]CaoZ,ZeguraEW.Utilitymax min:anapplication orien tedbandwidthalocationscheme[c]//infocom'99.eigh teenthjointconferenceoftheieeecomputerandcommu nicationssocieties. Proceedings. IEEE. IEEE Xplore, 1999,2: [14]TangS,LeeBS,HeB,etal.Long termresourcefairnes: Towardseconomicfairnesonpay as you usecomputingsys tems[c]//proceedingsofthe28thacm internationalcon ferenceonsupercomputing.acm,2014: [15]GhodsiA,ZahariaM,HindmanB,etal.Dominantresource fairnes:fairalocationofmultipleresourcetypes[c]// UsenixConferenceonNetworkedSystemsDesignandImple mentation.usenixasociation,2011:

第 05 期董房等 : 一种卫星遥测在线状态监测及分析系统的设计 WEB 1 2 总体功能及组成 2.1 总体功能 1 2 3Web 2.2 结构组成 Web WEB WEB 2.3 系统各模块接口关系

第 05 期董房等 : 一种卫星遥测在线状态监测及分析系统的设计 WEB 1 2 总体功能及组成 2.1 总体功能 1 2 3Web 2.2 结构组成 Web WEB WEB 2.3 系统各模块接口关系电子科学技术 Electronic Science & Technology 电子科学技术第 02 卷第 05 期 2015 年 9 月 Electronic Science & Technology Vol.02 No.05 Sep.2015 年一种卫星遥测在线状态监测及分析系统的设计董房 1,2, 刘洋 2, 王储 2 2, 刘赞 (1. 上海交通大学, 上海,200240; 2. 上海卫星工程研究所,