基于物聯(lián)網(wǎng)與Android平臺(tái)的環(huán)境感知模型構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

劉一鷗

（西安外事學(xué)院陜西西安710077）

基于物聯(lián)網(wǎng)與Android平臺(tái)的環(huán)境感知模型構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

劉一鷗

（西安外事學(xué)院陜西西安710077）

針對(duì)當(dāng)前教學(xué)環(huán)境溫度采集與交互需要，結(jié)合當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)智能終端，提出一種基于Android系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)環(huán)境感知模型。以物聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)硬件設(shè)備作為支撐，通過(guò)傳感器對(duì)教學(xué)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)空調(diào)溫度的調(diào)節(jié)與控制。借助Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，在室內(nèi)溫度控制模塊基礎(chǔ)上，引入教學(xué)評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)交流等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)場(chǎng)景環(huán)境的感知。最后通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性。

物聯(lián)網(wǎng)；Android移動(dòng)終端；環(huán)境感知模型；溫度傳感器；系統(tǒng)測(cè)試

隨著我國(guó)信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始成為繼互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次網(wǎng)絡(luò)技術(shù)革命。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)講，其具有全面感知、智能控制和快捷傳送等特點(diǎn)，使得其能夠在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并極大都改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的生活方式。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義，最初是指通過(guò)RFID+互聯(lián)網(wǎng)、GPS定位、氣體傳感器等實(shí)現(xiàn)物與物之間的連接。而隨著物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，開(kāi)始逐步延伸到物與物、人與物和人與人之間的交流。但通過(guò)對(duì)當(dāng)前基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，大部分集中在物與物的層面，忽視物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)。如廖建尚、陳宇軒等通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行采集，并通過(guò)終端界面實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。而筆者認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)的連接不能僅僅局限在傳統(tǒng)的物與物之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，還應(yīng)該引入人與人之間的交流。如廣西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院的程珊珊則提出借助物聯(lián)網(wǎng)的感知功能，將其應(yīng)用到教學(xué)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度控制、教師與學(xué)生交流的多功能模型。對(duì)此，本文針對(duì)當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以教學(xué)環(huán)境作為背景，提出一種可實(shí)現(xiàn)物與物、人與人、人與物交流的多功能交互感知模型，并對(duì)模型的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境感知模型構(gòu)建

本模型構(gòu)建的目的是借助傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和智能終端操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一款包括教學(xué)環(huán)境溫度采集與控制、教學(xué)交流和評(píng)價(jià)的多功能系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度融合，更好的為不同教學(xué)場(chǎng)景提供個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。對(duì)此，結(jié)合上述的目的，將環(huán)境感知模型設(shè)計(jì)為如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境的感知模型

通過(guò)圖1看出，在借助傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行采集與控制的情況下，引入教學(xué)交流和教學(xué)評(píng)價(jià)模塊，從而通過(guò)該軟件可實(shí)現(xiàn)多功能操作。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)環(huán)境中溫度數(shù)據(jù)的采集。結(jié)合數(shù)據(jù)采集與空調(diào)控制流程，硬件部分對(duì)溫度的采集與控制采用FPGA作為主控芯片，并通過(guò)Wi Fi轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)與Android的通信。具體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件部分整體架構(gòu)

通過(guò)圖2可以看出，通過(guò)Wi Fi轉(zhuǎn)R232串口通信的方式實(shí)現(xiàn)Android終端與FPGA處理器之間的通訊問(wèn)題，從而讓FPGA處理器及時(shí)接收來(lái)自Android終端的操作指令。在接收指令后，F(xiàn)PGA主控芯片對(duì)空調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。而通過(guò)溫度傳感器對(duì)溫度的采集，再經(jīng)過(guò)處理器將數(shù)據(jù)傳遞給Android客戶端，從而將教學(xué)環(huán)境中的溫度數(shù)據(jù)展示給Android用戶。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：一部分為基于FPGA的軟件部分設(shè)計(jì)，另一部分為后臺(tái)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)。

3.1 基于FPGA的軟件主控流程設(shè)計(jì)

結(jié)合本文選用的FPGA處理，選用QuartusⅡ集成環(huán)境和VHDL編程語(yǔ)言對(duì)主控程序軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，VHDL作為一種單片機(jī)編程語(yǔ)言，可從多個(gè)不同的層次和角度對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模，同時(shí)在編程語(yǔ)言的的開(kāi)發(fā)應(yīng)用、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)用潛力。因此，對(duì)于VHDL編程來(lái)講，其支持各種模式設(shè)計(jì)。而結(jié)合溫度采集與控制的流程，將基于FPGA的主程序設(shè)計(jì)為如圖3所示。

圖3 主控程序流程圖

3.2 Android客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件的開(kāi)發(fā)首先需要結(jié)合本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的和使用對(duì)象，從而確定其開(kāi)發(fā)框架、功能等。針對(duì)當(dāng)前的APP開(kāi)發(fā)熱，本文則提出在Android客戶端開(kāi)發(fā)一款移動(dòng)APP，從而讓教學(xué)環(huán)境中的教師和學(xué)生通過(guò)這款A(yù)PP即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同功能的操作。

3.2.1 具體數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的傳輸是系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯版面設(shè)計(jì)的前提。通過(guò)將教學(xué)環(huán)境中的采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊QL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，然后再將教室內(nèi)的環(huán)境溫度參數(shù)分享出去。以asp.net作為開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)Web將采集到的展示出來(lái)。同時(shí)，為提高該系統(tǒng)的實(shí)用性能，依托web服務(wù)器，引入教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)、教學(xué)交流模塊，從而從教學(xué)環(huán)境到最后的課堂評(píng)價(jià)等各個(gè)方面的感知。因此，其具體的數(shù)據(jù)流程則如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向設(shè)計(jì)

3.2.2 客戶端軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前主流的訪問(wèn)架構(gòu)設(shè)計(jì)模式，本文則采用b/s訪問(wèn)模式對(duì)系統(tǒng)整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要是因?yàn)閣eb用戶只需要點(diǎn)擊APP即可完成對(duì)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的查詢、刪除、錄入、修改等操作。同時(shí)服務(wù)器則采用IIS7.0版本。具體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 Android網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

對(duì)Android操作系統(tǒng)本身來(lái)講，其支持TCP、TUP等不同通信方式。在通信方式中，主要包括發(fā)送方、接收方和協(xié)議棧3部分構(gòu)成。其中協(xié)議棧主要對(duì)通信的雙方的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。通信方式通常包括無(wú)線和面向兩種，無(wú)線連接不需要建立通信鏈路，而面向連接需要建立通信鏈路，并在通信結(jié)束之后釋放該鏈路。在Android架構(gòu)中的應(yīng)用程序?qū)?，給廣大的用戶提供了開(kāi)放的Web Kit瀏覽器API接口。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，通常導(dǎo)入android.webkit包的方式，從而將其作為軟件的引擎。該瀏覽器具有渲染效果好，同時(shí)可兼容web標(biāo)準(zhǔn)，并存在良好的可擴(kuò)展性。

Web Kit引擎由Java引擎和Web Core引擎。因此要實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的通信，通過(guò)webkit引擎中的java引擎庫(kù)，實(shí)現(xiàn)Android與服務(wù)器端中的不同應(yīng)用程序的通信；通過(guò)webkit引擎Web Croe引擎庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際網(wǎng)頁(yè)的生成。同時(shí)通過(guò)在Activity聲明web的使用對(duì)象，從而通過(guò)Web View對(duì)象對(duì)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行瀏覽，并根據(jù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)uri，結(jié)合Android Button，實(shí)現(xiàn)Android和后臺(tái)服務(wù)器的通信。

4.2 APP頁(yè)面布局實(shí)現(xiàn)

在Android的開(kāi)發(fā)中，View是界面的基礎(chǔ)元素。一般的屏幕布局和內(nèi)容屬性都是通過(guò)View來(lái)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。在本文的頁(yè)面布局設(shè)計(jì)中，其窗體則通過(guò)Widget來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)容器將view對(duì)象加入到Androidgroup當(dāng)中。而布局的組件則通過(guò)Layout來(lái)完成元素和元素的排列。對(duì)于用戶與系統(tǒng)的交互，則通過(guò)Layout建立好.xml布局文件之后，再和相應(yīng)的Activity內(nèi)容進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)程序的交互功能。

4.3 系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)

通過(guò)開(kāi)發(fā)可以得到如圖6所示的開(kāi)發(fā)界面。

圖6 APP開(kāi)發(fā)界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+ASP.NET+Android webkit技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一款對(duì)教學(xué)環(huán)境中各個(gè)場(chǎng)景的感知軟件，包括教室環(huán)境溫度控制、教學(xué)評(píng)價(jià)等。而結(jié)合教學(xué)的需要，該系統(tǒng)開(kāi)可以拓展適合教學(xué)需求的功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)有推廣。

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Construction and implementation of environmental perception model based on Internet of things and Android platform

LIU Yi?ou
（Xi'an International University，Xi’an710077，China）

In view of the current teaching environment temperature acquisition and interactive needs，combined with the current Internet of things technology and mobile intelligent terminal，a model based on Android system and Internet of things is proposed.In networking and other infrastructure hardware as the support，through the sensor to collect the parameters of the teaching environment，and through the sink node to upload data to the server，so as to realize the indoor temperature，light regulation and control.With Android system development tools，based on the indoor temperature control module，the introduction of teaching evaluation，learning and communication module，to achieve the perception of the environment of each scene.Finally，the feasibility of the design scheme is verified by testing.

Internet of things；Android mobile terminal；environmental sensing model；temperature sensor；system test

TN0

A

1674-6236（2017）22-0015-03

2016-10-12稿件編號(hào)：201610051

2016年西安市社會(huì)科學(xué)規(guī)劃基金項(xiàng)目（16IN13）；2015年陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（15JK2113）；2015年陜西省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（15J37）

劉一鷗（1978—），女，陜西西安人，碩士，講師。研究方向：人工智能、軟件工程。