基于Android的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

孫國峰，胡景春

（南昌航空大學(xué) 研究生學(xué)院，江西 南昌 330063）

目前無線通信處于3G/4G時代，中國移動GPRS業(yè)務(wù)全面投入運(yùn)營，無線數(shù)據(jù)通信的發(fā)展和應(yīng)用向著愈來愈廣泛和深入的領(lǐng)域發(fā)展[1]。遠(yuǎn)程測控技術(shù)并不是一項新的技術(shù)，然而由于移動通信網(wǎng)的介入，使之煥發(fā)出新的光輝。因此，隨著智能手機(jī)的迅速發(fā)展，Android操作系統(tǒng)作為最流行的操作平臺，充分利用無線通信的現(xiàn)有資源，開展遠(yuǎn)程物聯(lián)控制是遠(yuǎn)程控制充滿活力的發(fā)展方向，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的基本方向之一[2]。

本系統(tǒng)是基于Android操作系統(tǒng)平臺，將傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)向基于無線通信網(wǎng)的移動終端設(shè)備的方向轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了一種為移動客戶端提供遠(yuǎn)程無線測控的方案。該方案能夠?qū)h(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，提高工作效率，也增加了遠(yuǎn)程控制的靈活性。

1 Android操作系統(tǒng)平臺

Android操作系統(tǒng)是谷歌發(fā)布基于Linux平臺的開源手機(jī)操作系統(tǒng)。該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成，是首個為移動終端打造的真正開放移動軟件，其開放的平臺允許任何人在終端設(shè)備上開發(fā)[3]。Android所包含的功能如下：

（1）APPLICATIONS（應(yīng)用程序?qū)樱篈ndroid 裝配了一個核心應(yīng)用集合，包括短信、日歷、地圖、通信錄等。所有應(yīng)用程序都是用Java語言編寫的。

（2）APPLICATION FRAMEWORK （ 應(yīng) 用 程 序 框 架層）：Android具有強(qiáng)大的應(yīng)用層API和豐富的傳感器功能，所有的應(yīng)用程序其實(shí)是一組服務(wù)和系統(tǒng)，主要包括如下內(nèi)容：視圖（View）；內(nèi)容提供者（Content Providers）；資源管理器 （Resource Manager）； 通知管理器（Notification Manager）；活動管理器（Activity Manager）。

（3）LIBRARIES （庫）：Android 包含一個 C/C++庫的集合，用來提供給Android系統(tǒng)多種組件使用，這些功能通過Android的應(yīng)用程序框架來提供給開發(fā)者。

（4）ANDROID RUNTIME （Android 運(yùn)行時）：Android包含一個核心庫的集合，提供大部分在Java編程語言核心類庫中可用的功能。每一個Android應(yīng)用程序是Dalvik虛擬機(jī)中的實(shí)例，運(yùn)行在自己的進(jìn)程中。

（5）LINUX KERNEL （Linux 內(nèi) 核 ）：Android 基 于Linux2.6提供核心系統(tǒng)服務(wù)，例如安全、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧、驅(qū)動模型等。作為硬件和軟件之間的抽象層，它隱藏具體硬件細(xì)節(jié)而為上層提供統(tǒng)一的服務(wù)[4]。

2 硬件平臺

該物聯(lián)網(wǎng)無線測控系統(tǒng)的硬件平臺主要由STC12C5A60S2單片機(jī)、WISMO228無線通信模塊、I/O測控接口、本地串行通信接口等資源組成。硬件總體框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 硬件總體框架

微控制器選用8 bit STC12C5A60S2系列單片機(jī)，其指令格式完全兼容8051，但速度要快8～12倍。GPRS模塊選用基于GSM/GPRS的工業(yè)級無線通信模塊WISMO228，可直接由單片機(jī)串行口連接并通過AT命令控制等特性，能很好地適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)對遠(yuǎn)程測控的要求。以太網(wǎng)控制器選擇高度集成的全雙工以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS。

固件程序的主要功能包括初始化228模塊、生成短消息、解析短消息、有線和無線網(wǎng)絡(luò)的通信、控制I/O設(shè)備等。

3 終端應(yīng)用程序開發(fā)

3.1 系統(tǒng)方案

（1）系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境：本系統(tǒng)使用 Android 應(yīng)用開發(fā)工具和API接口，基于JDK+Eclipse+ADT插件 +SDK的開發(fā)環(huán)境。

（2）系統(tǒng)設(shè)計流程：系統(tǒng)通過Activity管理相應(yīng)功能。首先進(jìn)入LOGO界面，然后跳轉(zhuǎn)到登錄界面，驗(yàn)證成功即可進(jìn)入TabView界面，創(chuàng)建異步任務(wù)，進(jìn)行異步操作，這樣能夠提高處理速度，使軟件更加健全可靠。軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）模塊化設(shè)計：系統(tǒng)客戶端軟件主要包括界面模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和功能控制模塊3個部分。

3.2 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

圖3 閃屏界面

圖4 登錄界面

3.2.1 UI布局實(shí)現(xiàn)

Activity是Android的核心類，是一個用來提供屏幕與用戶交互的應(yīng)用組件[5]。Activity類通過 onCreat（）方法來初始化，由setContentView （）方法指定一個布局（layout）文件，顯示布局文件的內(nèi)容。UI布局實(shí)現(xiàn)如下：

（1）Logo界面的實(shí)現(xiàn)：閃屏的實(shí)現(xiàn)有多種方法，這里設(shè)計了LogoActivity用于Logo展示，布局文件logo_layout.xml中只需添加一個背景圖片； 在 Android中，TimerTask相對于Thread資源消耗更低[6]，通過巧用 TimeTask的周期功能，進(jìn)行3 s后將自動跳轉(zhuǎn)到下一級界面。設(shè)計效果如圖3所示。

（2）登錄 UI的實(shí)現(xiàn)

Activity本身無法顯示在屏幕上，而需要借助于視圖（View）和視圖組（ViewGroup）[7]。 Android 應(yīng)用通常通過使用View和ViewGroup配合xml布局文件來進(jìn)行界面設(shè)計。

本系統(tǒng)利用了Android中提供的布局方式 （即在最外層的LinearLayout下分為4個內(nèi)層的LinearLayout布局的方式），并且使用了系統(tǒng)提供的文本控件TextView、文本編輯框控件EditText、按鈕控件 Button、復(fù)選框控件CheckBox等。設(shè)計效果如圖4所示。

（3）賬戶管理界面

在Android中，ListView是一個比較難于使用的控件，一個ListView通常有兩種功能，一是將數(shù)據(jù)填充到布局；二是處理用戶的選擇點(diǎn)擊等操作[8]。ListView以列表的形式展示具體內(nèi)容，并且能夠根據(jù)數(shù)據(jù)的長度自適應(yīng)顯示。一個ListView的創(chuàng)建需要3個元素：ListView中的每一列的View；填入View的數(shù)據(jù)或者圖片等；連接數(shù)據(jù)域ListView的適配器[9]。

在本系統(tǒng)中設(shè)計了account_item.xml和account_manager.xml兩個布局文件，分別用來實(shí)現(xiàn)ListView中每個item對應(yīng)的View和管理賬戶界面AccountManagerActivity對應(yīng)的布局。本視圖通過自定義AccountManagerActivity繼承BaseAdapter實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定、accountList與ListView列表項一一對應(yīng)。其代碼如下：

圖5 賬戶管理界面

圖6 系統(tǒng)主界面

設(shè)計效果如圖5所示。

（4）系統(tǒng)主界面設(shè)計

該系統(tǒng)主界面的設(shè)計主要通過Android自帶的TabWidget控件來實(shí)現(xiàn)。首先為Activity綁定一個布局，該布局必須以一個id為 android：id = "@android：id/tabhost"的為根標(biāo)簽，并且該根標(biāo)簽下必須包含一個id 為 @android：id/tabs 的TabWidget控件來實(shí)現(xiàn)Tab和一個 id 為 @android：id/tabcontent的FrameLayout來顯示布局內(nèi)容。

TabHost是 Tab的核心類，是Tab的容器。TabHost.TabSpec類的一個對象即為一個Tab，該對象通過 TabHost類的addTab方法來添加，其代碼如下，設(shè)計效果如圖6所示。

控制器1完成對電視機(jī)的控制功能。當(dāng)設(shè)定的定時時間點(diǎn)擊確定按鈕，即開始對電視機(jī)進(jìn)行開機(jī)或關(guān)機(jī)操作；獲取控制器的響應(yīng)信息，顯示定時完成狀態(tài)；在獲取控制器響應(yīng)信息之前，顯示正在定時狀態(tài)（如控制器2對冰箱的啟動或關(guān)閉狀態(tài)控制）。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)在使用過程中會頻繁對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，而對存儲卡文件進(jìn)行增、刪、改、查操作。為了提高效率，這里采取占用資源小的SQLite數(shù)據(jù)庫機(jī)制[10]。但數(shù)據(jù)庫并不能自身進(jìn)行操作，只有通過一個繼承了SQLiteOpenHelper的類對象調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行操作。這里定義了一個DBHelper繼承SQLiteOpenHelper。為了代碼重用，對賬戶管理操作和終端數(shù)據(jù)操作分別寫了兩個基類UserInfoServices和RmcsInfoServices來處理最底層的訪問；數(shù)據(jù)庫里的每一行記錄與UI列表的每一項一一對應(yīng)。

根據(jù)需求分析，本系統(tǒng)涉及兩個表：UserInfo、RmcsInfo，分別用于保存賬戶信息和終端數(shù)據(jù)信息，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別如表1和表2所示。這兩個表分別由UserInfoServices和RmcsInfoServices類管理。在DBHelper類的onCreate方法中通過執(zhí)行數(shù)據(jù)庫execSQL方法動態(tài)創(chuàng)建這兩個表。其代碼如下：

表1 UserInfo表

表2 RmcsInfo表

另外,在UserInfoServices中主要封裝對賬戶的增、刪、改、查操作；在RmcsInfoServices中主要封裝對終端數(shù)據(jù)的相應(yīng)操作。主要采用的數(shù)據(jù)庫操作方法如下：

（1）db.insert（table，nullColumnHack，values）向數(shù) 據(jù) 庫中插入一條記錄。

（2）db.delete（table，whereClause，whereArgs）從數(shù)據(jù)庫中刪除一條記錄。

（3）db.update（table，values，whereClause，whereArgs）更新數(shù)據(jù)庫中的一條記錄。

（4）db.query （table，columns，selection，selectionArgs，groupBy，having，orderBy）在數(shù)據(jù)庫中查詢一條記錄，該方法返回的是一個Cursor對象。

3.2.3 GPRS通信模塊設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)無線測控系統(tǒng)的嵌入式微控制器與本地電器終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以獲得電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)中。手機(jī)終端的GPRS接收模塊可以接收經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳遞進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時還可以由GPRS發(fā)送模塊將封裝后的測控數(shù)據(jù)傳送到終端設(shè)備，從而在物聯(lián)網(wǎng)平臺上對電器終端設(shè)備的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)定時、排除異常、報警等監(jiān)控功能。

具體設(shè)計如下：

（1）首先判斷是否接入網(wǎng)絡(luò)。在Android手機(jī)中可以通過 ConnectivityManager類的 isAvailable（）方法判斷是否已聯(lián)網(wǎng)，查看返回結(jié)果判斷網(wǎng)絡(luò)連接是否有效，如果為true，則表示當(dāng)前 Android手機(jī)已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)；為 false則表示沒有聯(lián)網(wǎng)。其代碼如下：

（2）使用過程中必須建立GPRS連接，其代碼如下：

（3）Android平臺的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用絕大部分都是基于Java的編程接口，這里同樣采用了基于標(biāo)準(zhǔn)的Java接口。步驟如下：創(chuàng)建URL以及URLConnection/HttpURLConnection對象，設(shè)置連接參數(shù)，連接到服務(wù)器，向服務(wù)器讀、寫數(shù)據(jù)等通信控制。其代碼如下：

（4）最后要在AndroidManifest.xml文件中加入權(quán)限：

3.2.4 SMS通信模塊設(shè)計

（1）Android SDK提供了用于直接發(fā)送短信的SmsManager類[11]。通過 sendTextMessage方法可以指定目標(biāo)電話號碼和短信內(nèi)容。其代碼如下：

（2）Android系統(tǒng)只要接收到短信，就會發(fā)一個廣播。因此，這里定義SMSReceiver繼承廣播接收器BroadcastReceiver，重寫 onReceive（）方法，用來監(jiān)聽手機(jī)接收到的短信。此時要在AndroidManifest.xml文件中定義這個廣播接收器。其代碼如下：

（3）最后在配置文件中設(shè)置如下權(quán)限：

4 測試與結(jié)論

應(yīng)用程序設(shè)計完成后，就可以在Android SDK提供的AVD虛擬機(jī)上成功運(yùn)行，并且在基于Android平臺的移動終端上測試運(yùn)行。本測試環(huán)境下使用的移動終端采用華為C8650，該機(jī)型采用Android2.3.3系統(tǒng)版本。

將完成的應(yīng)用程序中的RMCSoftware.apk文件安裝在手機(jī)中，即可運(yùn)行程序。經(jīng)多次測試，手機(jī)客戶端能夠通過GPRS模塊和SMS模塊分別檢測和控制終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和處理，可在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的定時、排除異常等功能，應(yīng)用程序運(yùn)行良好，滿足了無線測控系統(tǒng)的功能需求。

[1]王瑩.物聯(lián)網(wǎng)為嵌入式帶來的機(jī)遇[J].電子產(chǎn)品世界，2010（5）.

[2]劉強(qiáng)，崔莉，陳海明，等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機(jī)科學(xué).2010（6）.

[3]裴佳迪，馬超，孫仁貴，等.Google Android應(yīng)用開發(fā)全程實(shí)錄[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[4]姚昱旻，劉衛(wèi)國.Android的框架與應(yīng)用開發(fā)研究[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2008（11）.

[5]孟小華，陳傳凱.Android平臺手機(jī)來電及短信防火墻關(guān)鍵技術(shù)研究 [C].2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System.2010.

[6]張仕成.基于Google Android平臺的應(yīng)用程序開發(fā)與研究[J].電腦知識與技術(shù)，2009（28）.

[7]趙亮，張維.基于 Android技術(shù)的界面設(shè)計與研究[J].電腦知識與技術(shù)，2009（29）.

[8]韓超，梁泉.Android系統(tǒng)原理及開發(fā)要點(diǎn)詳解 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[9]耿東久，文軍.基于Android手機(jī)的遠(yuǎn)程訪問和控制系統(tǒng)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2011，31（2）.

[10]Android如何使用 SQLiteOpenHelper[EB/OL].http：//www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/06/14/1758284.html
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[11魏化勇.基于 3GAndroid的 SMS應(yīng)用研究[J].計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2011（11）：191-183.