基于Android 和云平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

武一，張圣鵬，丁涵

( 河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300401)

WU Yi，ZHANG Shengpeng，DING Han

(School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

在“互聯(lián)網(wǎng)+”模式快速發(fā)展的背景下，智能家居的發(fā)展更加依賴于互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)作為人們?nèi)粘５耐ㄐ殴ぞ?，是智能家居系統(tǒng)中最便捷的控制終端。智能家居系統(tǒng)發(fā)展過程中一直存在一些亟待解決的問題，如異常報警抓拍圖像的存儲、短信報警信息模式單一以及Android 客戶端接入及控制等。結(jié)合人們對智能家居的發(fā)展需求，本文設(shè)計了一種“云+端”的智能家居模式［1］，以嵌入式網(wǎng)關(guān)作為服務(wù)器端，以Android 手機(jī)作為客戶端的智能家居系統(tǒng)，并結(jié)合云平臺相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)云推送報警信息，報警圖像云存儲，提高系統(tǒng)的實用性。

1 系統(tǒng)方案整體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計主要分為網(wǎng)關(guān)、客戶端、家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)作為本系統(tǒng)的核心，通過串口接收來自ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，與家電控制模塊進(jìn)行UDP 通信，移植了Boa 服務(wù)器和MJPG－streamer 視頻服務(wù)器，對客戶端的http請求進(jìn)行響應(yīng)，異常情況下向用戶手機(jī)推送報警消息并拍照上傳圖像云存儲?？蛻舳藶锳ndroid 手機(jī)客戶端，可以通過用戶界面查看家庭的環(huán)境信息以及控制家電，根據(jù)情景設(shè)定不同模式，通過視頻監(jiān)控遠(yuǎn)程查看家庭實時畫面以及查詢Yeelink 平臺云存儲的報警圖像。家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以低功耗的ZigBee 模塊組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集溫度、濕度、光照、煙霧、天燃?xì)?、人體紅外等環(huán)境參數(shù)。家電控制模塊采用帶學(xué)習(xí)功能的紅外和315 MHz、433 MHz 射頻轉(zhuǎn)發(fā)模塊，給智能燈光開關(guān)、智能窗簾、空調(diào)發(fā)送發(fā)送控制命令，并且集成了WiFi 模塊，與網(wǎng)關(guān)通過UDP 協(xié)議進(jìn)行通信。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1。

2 硬件平臺設(shè)計

該系統(tǒng)硬件主要為嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊和ZigBee 模塊。嵌入式網(wǎng)關(guān)采用S3C2440AL 作為CPU 處理器，ARM920T 內(nèi)核，主頻為400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，配備256 Mbyte 的Nand Flash、2 Mbyte 的Nor Flash、64 Mbyte 的SDRAM 以及串口、網(wǎng)卡等基本模塊。串口與ZigBee 協(xié)調(diào)器連接，接收并存儲家庭環(huán)境數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)接入Internet 網(wǎng)絡(luò)，并接收來自Android客戶端的數(shù)據(jù)請求。ZigBee 模塊以TI 公司的CC2530 芯片為核心構(gòu)成，擁有優(yōu)秀的RF 性能和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)8051MCU 內(nèi)核，支持一般的低功耗無線通信［2］。系統(tǒng)中ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立、網(wǎng)絡(luò)地址的分配以及匯聚傳感節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)，通過UART 接口與網(wǎng)關(guān)相連，傳感器節(jié)點(diǎn)采集并發(fā)送各種環(huán)境和安防傳感器數(shù)據(jù)。

3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的調(diào)度，包括監(jiān)聽來自ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，響應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)獲取請求和控制命令，其工作流程圖如圖2。

圖2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)工作流程

3.1 CGI 程序設(shè)計

基于智能家居系統(tǒng)的功能需求，本系統(tǒng)在嵌入式設(shè)備上移植Boa 服務(wù)器，接收并響應(yīng)手機(jī)客戶端的http 請求，通過CGI 調(diào)用應(yīng)用程序，進(jìn)行設(shè)備控制。

CGI 是外部應(yīng)用擴(kuò)展應(yīng)用程序與Web 服務(wù)器交互的一個標(biāo)準(zhǔn)接口［3］。按照CGI 標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展應(yīng)用程序可以處理客戶端輸入的數(shù)據(jù)，從而完成客戶端與服務(wù)器的交互操作［4］。

本設(shè)計中，Web 服務(wù)器根據(jù)Android 客戶端請求調(diào)用CGI程序，CGI 程序檢查REQUEST_METHOD 環(huán)境變量以確定采用的方法，如果是POST 方法，則從標(biāo)準(zhǔn)輸入STDIN 讀取數(shù)據(jù);如果是GET 方法，則從QUERY_STRING 環(huán)境變量讀取數(shù)據(jù)［5］。該系統(tǒng)中需要解碼數(shù)據(jù)格式為“變量名=值”鍵值對的格式:variable1=value＆variable2=value2＆..。變量名表示要發(fā)送命令對應(yīng)的設(shè)備，變量值則對應(yīng)要執(zhí)行的命令。解析數(shù)據(jù)并根據(jù)命令不同，如果是環(huán)境數(shù)據(jù)查詢則執(zhí)行查詢數(shù)據(jù)庫并返回數(shù)據(jù);如果是家電控制命令則與射頻紅外轉(zhuǎn)發(fā)模塊建立UDP 連接，發(fā)送相應(yīng)的控制命令，如果是模式設(shè)置，則操作相應(yīng)的配置文件，設(shè)置對應(yīng)的模式狀態(tài)。

3.2 報警消息推送

本系統(tǒng)利用極光云推送服務(wù)，將家庭環(huán)境報警信息推送至用戶手機(jī)通知欄［6］。在嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用服務(wù)器上使用CURL 編程，調(diào)用JPush Remote API 遠(yuǎn)程接口，對指定的用戶Android 手機(jī)客戶端來推送通知消息。Curl 編程基于Lib-Curl，主要采用callback function(回調(diào)函數(shù))的形式完成傳輸任務(wù)，用戶在啟動傳輸前設(shè)置好各類參數(shù)和回調(diào)函數(shù)，當(dāng)滿足條件時libcurl 將調(diào)用用戶的回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)特定功能［7］。

根據(jù)極光推送向服務(wù)器端提供的API，利用libcurl 實現(xiàn)消息的推送。首先調(diào)用curl_global_init(CURL_GLOBAL_ALL)初始化libcurl，初始化所有可能的調(diào)用。用curl_easy_init()函數(shù)初始化一個CURL 的指針，開始一個會話。調(diào)用curl_easy_setopt()設(shè)置傳輸選項。使用curl_easy_setopt(curl，CURLOPT_URL，"https://api. jpush. cn/v2/push")設(shè) 置 訪問URL。

根據(jù)API 參數(shù)說明格式，結(jié)合智能家居系統(tǒng)應(yīng)用需求，選擇和設(shè)定相應(yīng)參數(shù)值。需要設(shè)定發(fā)送編號、接收者類型為廣播以及待發(fā)送的Android應(yīng)用程序。然后由發(fā)送編號(sendno)、接收者類型(receiver_type)、發(fā)送范圍值(receiver_value)、API DevSecret(master_secret)4 個值拼接后，進(jìn)行一次MD5 (32 位大寫)生成驗證串。

為方便用戶查看報警信息，設(shè)定發(fā)送消息的類型為通知(msg_type=1)，即將消息推送到在Android 手機(jī)客戶端的通知欄。發(fā)送消息內(nèi)容msg_content 為JSON 格式。例如人體紅外報警通知可設(shè)置為:msg_content={"n_content":"Thieft Alerting!"}。選擇Android 手機(jī)作為接收推送消息的平臺，設(shè)置被推送的報警信息在手機(jī)離線狀態(tài)下可保存一天的時長。使用curl_easy_setopt(curl，CURLOPT_POSTFIELDS，pForm)函數(shù)傳遞作為HTTP POST 操作的所有設(shè)置選項內(nèi)容。最后curl_easy_perform(curl)函數(shù)完成curl_easy_setopt 指定的所有選項。

3.3 抓拍及上傳報警圖像

本系統(tǒng)拍照使用wget 工具，與視頻服務(wù)器連接并下載圖像到/sddisk 目錄。shell 腳本語句為:wget"http://192.168.7.25:8080/action=snapshot"－O MYMdir。

為方便上傳腳本程序查找圖像，抓拍的圖像以當(dāng)前時間和“_alert”組合作為文件名，存儲在開發(fā)板的SD 卡中，節(jié)省開發(fā)板的存儲空間，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常無法上傳圖片時可以拔出內(nèi)存卡，在PC 機(jī)上直接查看報警圖像。

通過shell 腳本，使用CURL 工具對圖像上傳URL 進(jìn)行HTTP POST 請求，實現(xiàn)圖像的上傳。首先查找/sddisk 目錄下按時間排序最早并且以alert.jpg 結(jié)尾的圖像，然后通過curl設(shè)置相關(guān)選項，在請求頭信息添加U－ApiKey 即yeelink 分配給用戶的API KEY，設(shè)置上傳圖像的URL，對該URL 以POST方法進(jìn)行HTTP 請求，以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式上傳圖像至yeelink物聯(lián)網(wǎng)云平臺。檢測到有符合要求的圖片就上傳，上傳后并刪除該圖片。圖像上傳語句如下:UPimage="curl－request POST－data－binary@"MYMPIC"－h(huán)eader U－ApiKey:MYMUP_ApiKey－verbose MYMUP_URL"。

4 客戶端軟件設(shè)計

從實用的角度出發(fā)，Android 客戶端界面主要設(shè)計了環(huán)境數(shù)據(jù)查詢顯示、模式設(shè)置、家電控制、天氣預(yù)報、視頻監(jiān)控、報警記錄查詢、使用幫助、推送消息設(shè)置模塊，實現(xiàn)用戶隨時隨地查詢家庭環(huán)境信息、控制家電及查看異常報警信息和異常報警圖像。

4.1 與網(wǎng)關(guān)Web 服務(wù)器通信

為方便手機(jī)客戶端與遠(yuǎn)程Web 服務(wù)器通信，并及時顯示服務(wù)器響應(yīng)的數(shù)據(jù)，本文采用在Android 客戶端使用webview組件加載含有JavaScript 腳本的網(wǎng)頁，利用Javascript 腳本與Android 方法相互調(diào)用，來實現(xiàn)UI 線程與網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)頁中的Javascript 腳本中調(diào)用Jquery 庫的get()方法向遠(yuǎn)程Web 服務(wù)器發(fā)送請求并獲取服務(wù)器響應(yīng)數(shù)據(jù)。

在Java 代碼中通過webview.loadUrl("javascript:方法名()")調(diào)用Javascript 方法來傳遞由UI 用戶界面觸發(fā)的一些控制操作命令到Javascript 中處理，在Javascript 中調(diào)用Jquery.get()方法從遠(yuǎn)程Web 服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)或發(fā)送控制命令。從遠(yuǎn)程服務(wù)器上獲取數(shù)據(jù)后傳遞給get()函數(shù)參數(shù)指定的函數(shù)，調(diào)用android 方法，將獲取的數(shù)據(jù)傳遞到UI 界面顯示。

4.2 與網(wǎng)關(guān)視頻服務(wù)器通信

嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)移植了MJPEG－streamer 視頻服務(wù)器，以input_uvc 為輸入組件，output_http 為輸出組件，根據(jù)輸出組件中的output_http 的http 通信協(xié)議，在Android 平臺上實現(xiàn)服務(wù)器連接和圖像數(shù)據(jù)解析并顯示。

手機(jī)客戶端利用SOCKET 編程實現(xiàn)了與MJPEG－streamer視頻服務(wù)器的http 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。建立TCP 連接，并發(fā)出返回視頻流數(shù)據(jù)的http 請求，服務(wù)器在收到和解析請求消息后，返回一個HTTP 響應(yīng)消息，客戶端解析HTTP 響應(yīng)消息，判斷MIME 類型、內(nèi)容、大小。通過邊界符定位到圖像數(shù)據(jù)部分，截取圖像數(shù)據(jù)向Handler 發(fā)送消息更新UI 顯示。

4.3 與Yeelink 云平臺通信

利用Yeelink 平臺提供的API 接口，Android 手機(jī)客戶端與Yeelink 平臺建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。首先設(shè)置查詢的起始和結(jié)束時間，與Yeelink 建立連接，查詢該時間段內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)圖像的基本信息，從輸入流獲取數(shù)據(jù)，并解析，記錄對應(yīng)的時間點(diǎn)信息。然后以時間點(diǎn)倒序查詢所有時間點(diǎn)的圖像內(nèi)容，并在listview 組件中異步顯示。具體流程如圖3 所示。

圖3 客戶端與云平臺通信流程圖

Yeelink 平臺提供了查看規(guī)定時間段內(nèi)的圖像信息的API?？蛻舳送ㄟ^日期和時間對話框，設(shè)置查詢的起始時間點(diǎn)和截至?xí)r間點(diǎn)。對獲取圖像信息URL 的一個HTTP GET 請求，云平臺將返回所指定時間段內(nèi)的圖像相關(guān)數(shù)據(jù)信息［8］。返回的信息包括各個圖像對應(yīng)的時間節(jié)點(diǎn)、大小、類型等信息。把各個報警圖像數(shù)據(jù)的timestamp 取出作為獲取圖像內(nèi)容URL http://api.yeelink.net/v1.0/device/＜device_id ＞/sensor/＜sensor_id ＞/photo/info/＜key ＞中的key，來獲得所有節(jié)點(diǎn)的報警圖像內(nèi)容。

本系統(tǒng)通過HttpURLConnection 實現(xiàn)簡單的基于URL 請求、響應(yīng)。先實例化一個URL 對象，通過URL 的openConnection 實例化HttpURLConnection 對象。通過conn.setRequest-Method 設(shè)置請求方法GET 以及在頭信息中設(shè)置用戶訪問權(quán)限密碼"U－ApiKey"。建立連接并獲得輸入流，處理數(shù)據(jù)。所獲得圖像內(nèi)容為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后通過Drawable d =Drawable.createFromStream(is，"src")，將數(shù)據(jù)流以Drawable 的形式返回顯示。

4.4 接收推送消息

在智能家居Android 客戶端增加消息推送功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境異常情況時，嵌入式網(wǎng)關(guān)推送報警信息到手機(jī)通知欄，點(diǎn)擊該消息打開Activity，顯示推送信息內(nèi)容并連接視頻服務(wù)器，實時查看家庭環(huán)境畫面，方便用戶及時掌握家庭環(huán)境動態(tài)。

極光推送是一個端到端的推送服務(wù)，使得服務(wù)器端消息能夠及時地推送到終端用戶手機(jī)上。極光推送的Android SDK 用AlarmManager 來定時的發(fā)心跳，防止NAT 表失效，與服務(wù)器維護(hù)一個TCP 長連接，保證了數(shù)據(jù)送達(dá)的及時性。

在Android 應(yīng)用中集成JPush Android SDK，為Android App 增加推送功能，接收通知消息。cn.jpush.android.api.JPushInterface 類包含了JPush SDK 提供所有的API 接口。在應(yīng)用程序啟動時調(diào)用JPushInterface.init 初始化SDK。推送消息可以根據(jù)情況選擇接收與否。在應(yīng)用程序界面設(shè)置相應(yīng)按鈕操作來調(diào)用stopPush API 在不需要推送消息或者開會等免打擾時間段停止JPush 推送服務(wù)。停止推送服務(wù)后，JPush Service 停止在后臺運(yùn)行，收不到推送消息。調(diào)用resumePush接口函數(shù)可以恢復(fù)被停止的推送服務(wù)。

JPush SDK 收到推送，通過廣播的方式，轉(zhuǎn)發(fā)給智能家居客戶端App。由于本課題接收來自嵌入式網(wǎng)關(guān)的通知消息，所以在AndroidManifest.xml 里配置表示收到了通知Push 和用戶點(diǎn)擊了通知的Receiver action。在BroadcastReceiver 類里設(shè)置點(diǎn)擊通知要打開的Activity。在Activity 中，通過JPushInterface.EXTRA_NOTIFICATION_TITLE、JPushInterface.EXTRA_ALERT 兩個Intent 參數(shù)分別獲取服務(wù)器推送下來的通知的標(biāo)題和內(nèi)容并顯示。

5 系統(tǒng)測試

手機(jī)客戶端設(shè)置嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的IP 地址或域名，進(jìn)入控制主界面如圖4 所示。點(diǎn)擊環(huán)境參數(shù)查看到實時家庭環(huán)境狀態(tài)，點(diǎn)擊空調(diào)、窗簾、電燈的家電設(shè)備，可進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)操作。模式設(shè)定界面，選擇無人模式，如果有人在室內(nèi)活動，則手機(jī)通知欄顯示“Thieft Alerting”有人闖入的報警信息，如圖5，點(diǎn)擊該消息可以視頻監(jiān)控界面實時查看家庭動態(tài)環(huán)境，如圖6 所示。點(diǎn)擊報警記錄查看報警時間、內(nèi)容及報警場景的圖像，如圖7 所示。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能實現(xiàn)智能家居生活的基本功能。

圖4 主界面(截圖)

圖5 通知消息(截圖)

圖6 報警內(nèi)容(截圖)

圖7 報警圖像記錄(截圖)

6 小結(jié)

本文將嵌入式網(wǎng)關(guān)、Android 智能手機(jī)、消息云推送以及圖像云存儲等相關(guān)技術(shù)緊密結(jié)合，應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)設(shè)計中，解決了智能家居系統(tǒng)大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲、管理及移動終端的可靠接入訪問等問題，有很高市場應(yīng)用價值。本設(shè)計對“云+端”智能家居模式的發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。

［1］朱敏玲，李寧.智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來淺析［J］.電視技術(shù)，2015，39(4):82－85.

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