引言

近年來，智能手機在全球范圍內(nèi)迅速普及，市場研究公司Gartner發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2011年前三季度，全球智能手機銷量同比增長超過55%，智能手機正在占據(jù)越來越多的手機市場份額；隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水平提高到一個新的層次，對生活環(huán)境的要求越來越高，正在興起的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居使人們逐漸邁入以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為平臺的智能化社會。

基于Android手機日益流行且系統(tǒng)開源，本文將Android終端與智能家居聯(lián)系起來，研究并實現(xiàn)了一種基于Android系統(tǒng)的智能家居控制終端。在系統(tǒng)中，Android終端通過周圍的無線網(wǎng)絡(luò)與智能家居中的家電設(shè)備或傳感器進行通信，實現(xiàn)對家電設(shè)備的控制、傳感器值的讀取以及家居安防。

Android的系統(tǒng)架構(gòu)

Android操作系統(tǒng)自頂向下分成4個層次，即應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、組件庫層、虛擬機和Linux內(nèi)核層。如圖1所示。

圖1 Android框架圖

應(yīng)用層：Android操作系統(tǒng)同一系列核心應(yīng)用程序包一起發(fā)布，其核心應(yīng)用程序包括E-mail客戶端、SMS（短信）序、日歷、Google地圖、網(wǎng)頁瀏覽器、聯(lián)系薄等，目前所有的應(yīng)用都是使用Java語言編寫的。

應(yīng)用框架層：開發(fā)者通過使用核心應(yīng)用程序來調(diào)用Android框架提供的API，這個應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)被設(shè)計成方便復(fù)用的組件。任何的應(yīng)用程序都可以公布它的功能，其他的應(yīng)用程序可以使用這些功能(涉及到系統(tǒng)安全問題的功能將會被框架禁止)。該應(yīng)用程序重用機制使用戶可以方便地替換程序組件。隱藏在每個應(yīng)用后面的是一系列的服務(wù)和系統(tǒng)；

組件庫層：Android包含了一套C/C++函數(shù)庫，主要包括libc、Media Framework、WebKit、SGL、OpenGLES、FreeType、SQLite等，它們被應(yīng)用于Android系統(tǒng)的各種組件中，這些功能通過Android應(yīng)用框架展現(xiàn)給開發(fā)人員；

運行時環(huán)境：Android包括了一個核心庫，該核心庫提供了Java編程語言核心庫的大多數(shù)功能。每一個Android應(yīng)用程序都在它自己的進程中運行，擁有一個獨立的Dalvik虛擬機實例。Dalvik被設(shè)計成可以同時高效地運行多個虛擬系統(tǒng)。Dalvik虛擬機執(zhí)行后綴為dex的可執(zhí)行文件，該格式文件針對小內(nèi)存使用做了優(yōu)化。同時虛擬機是基于寄存器的，所有的類都經(jīng)由Java編譯器編譯，然后通過SD中的“dx”工具轉(zhuǎn)化成“．dex”格式。Dalvik虛擬機依賴于Linux內(nèi)核的一些功能，比如線程機制和底層內(nèi)存管理機制；

Linux內(nèi)核層：Android底層是一個基于Linux2.6.23內(nèi)核開發(fā)的獨立操作系統(tǒng)。主要是添加了一個名為Goldfish的虛擬CPU以及Android運行所需的特定驅(qū)動代碼。該層用來提供系統(tǒng)的底層服務(wù)，包括安全機制、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧及一系列的驅(qū)動模塊。作為一個虛擬的中間層，該層位于硬件與其他的軟件層之間。

Android終端的具體設(shè)計

智能家居總體框架

Android終端可以通過網(wǎng)絡(luò)（3G、WiFi或藍牙）與家電、傳感器和安防設(shè)備進行通信。在外時,通過3G來操作；在家時,用WiFi或藍牙來操作，可以節(jié)省3G流量。如圖2所示。

圖2 智能家居的系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)主要包括：綜合安防、家電控制、節(jié)能管理、健康檢測、舒適控制等。本文主要研究Android終端對以上幾個部分的管理和控制。Android終端如要管理和控制設(shè)備，需要發(fā)送一個控制命令給社區(qū)服務(wù)器，以便社區(qū)服務(wù)器知道手機的IP地址，才能夠與社區(qū)服務(wù)器進行建立連接并進行通信。

Android終端的模塊劃分

系統(tǒng)中的Android終端部分設(shè)計，模塊劃分如圖3所示。

圖3 Android終端模塊劃分

家電控制：用戶進入家電控制界面，聯(lián)網(wǎng)后就可以對家電進行控制（比如電燈、電視、空調(diào)等）。Android設(shè)備發(fā)送控制信號給社區(qū)服務(wù)器，社區(qū)服務(wù)器將控制信號發(fā)給家庭無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，再根據(jù)是否是紅外設(shè)備進行分類，如果是紅外設(shè)備，就將控制信號發(fā)給紅外家電控制器，紅外家電控制器再根據(jù)不同的家電控制命令分別控制不同的設(shè)備，如果是非紅外設(shè)備，家庭無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)直接將控制命令發(fā)給相應(yīng)的家電設(shè)備進行控制。如圖4所示。

圖4 家電控制

視頻監(jiān)控：進入視頻監(jiān)控界面，可以選中不同的攝像頭進行查看，包括客廳、臥室以及室外，可以通過攝像頭對家居內(nèi)或家居外進行視頻監(jiān)控；

智能醫(yī)療：當家里有人在檢測心跳脈搏時，會將檢測結(jié)果發(fā)送到Android終端上顯示，實時關(guān)注家人的健康狀況；當家里有老人或小孩跌倒時，通過智能家居服務(wù)器將報警信息發(fā)送至監(jiān)護人的Android終端上顯示。當Android終端收到報警信息后，Android終端首先會在當前所在的界面上進行彈窗提示“用戶跌倒”，提示人們家里的老人發(fā)生了跌倒，可以通過Android終端查看安裝在家里的攝像頭，查看老人的情況，以便做出相應(yīng)的處理。Android設(shè)備的彈窗提示界面和監(jiān)控界面查看情況見圖5所示。

圖5 (a) 報警彈窗提示 圖5 (b) 報警查看結(jié)果

能耗監(jiān)控：為了節(jié)能，Android可以對大功率電器（電視、空調(diào)、冰箱等）進行管理，查看電器的用電情況（如用電時間、功率以及費用等）；

安防管理：該系統(tǒng)中有安防設(shè)備（如窗磁、門磁紅外等）。當外出時將安防設(shè)備打開，如有人闖入，就會發(fā)送報警信息到Android終端，通過攝像頭可以查看家里的狀況，如果只是誤報或沒有真正的入侵者，通過Android終端可以將安防設(shè)備重置；如有意外也可以方便用戶及時做出相應(yīng)的處理；

數(shù)據(jù)接收和發(fā)送：該系統(tǒng)中的溫度、濕度、煙霧等傳感器的值通過家庭無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送給社區(qū)服務(wù)器，社區(qū)服務(wù)器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到Android終端并進行顯示。如果家里發(fā)生火災(zāi)或煤氣泄漏等其它意外事故時，通過Android終端顯示的傳感器的值也可以直接看出，以便及時作出相應(yīng)的處理。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)下載：當進入電視預(yù)告界面時，可以在下拉框中選擇不同的地點，比如選擇重慶、北京或者上海等，就會從網(wǎng)絡(luò)上下載相應(yīng)的不同地點的電視節(jié)目預(yù)告，顯示在界面中，以方便用戶及時觀看電視節(jié)目。

Android終端的流程圖

用戶首次進入該應(yīng)用程序需要進行注冊，然后登陸進入到控制界面。系統(tǒng)總體流程圖如6所示。

圖6 系統(tǒng)總體流程

測試驗證

當進入該軟件的控制界面中，可以對電視、空調(diào)、電燈以及風(fēng)扇等家電設(shè)備進行控制；接收溫度、濕度、煙霧等傳感器的值，并將其顯示在界面上，管理大功率電器的用電；如果家人在檢測心跳、脈搏等，智能醫(yī)療界面可以查看檢測的值，以便實時監(jiān)測家人的健康，如果家里有老人跌倒，也會將跌倒信號發(fā)送到Android終端上；當離家時，開啟安防設(shè)備后，家中的窗磁、門磁、紅外等安防設(shè)備開始工作，當有人闖入時，就會將報警信息發(fā)送到Android終端上顯示以提醒用戶，并可以通過攝像頭查看家里的情況；同時當用戶有需求需要查看電視節(jié)目預(yù)告時，也可以通過節(jié)目預(yù)告功能，對各個電臺的電視節(jié)目預(yù)告進行查看，以便及時觀看自己喜歡的節(jié)目。如圖7所示。

圖7 測試結(jié)果

結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居也越來越受到更多的人關(guān)注。本文實現(xiàn)Android手機和平板作為智能家居的一個控制終端，對家電的控制、傳感器值的接收以及視頻的監(jiān)控；并在Android系統(tǒng)的不同版本或分辨率的終端下運行正常。

作者信息：重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室

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