張運玉
(廣州市輕工職業(yè)學(xué)校計算機教研室 廣州 510650)
基于Android的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計?
張運玉
(廣州市輕工職業(yè)學(xué)校計算機教研室 廣州 510650)
針對傳統(tǒng)智能家居的健康狀態(tài)和安全監(jiān)控主要依賴人工定檢的問題,論文將基于Android的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入了智能家居狀態(tài)監(jiān)測和安全評估中,構(gòu)建了智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的Android遠(yuǎn)程操作基于MVP模式開發(fā)應(yīng)用程序,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理用戶日常使用操作數(shù)據(jù)建立起的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型,結(jié)合S3C2440A微控制器將網(wǎng)關(guān)中移植了嵌入式Linux以便于不同智能家居驅(qū)動程序的開發(fā)。最后運用電力線通信網(wǎng)絡(luò)將各智能電器的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接,通過計算路由節(jié)點的組網(wǎng)成功率結(jié)果可得:15組各20個智能電器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入成功監(jiān)控率達(dá)到98.33%,該系統(tǒng)能夠?qū)χ悄芗揖颖姸嚯娖鬟M(jìn)行同時監(jiān)控,解決了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并發(fā)造成網(wǎng)絡(luò)堵塞而無法安全監(jiān)控的問題。
Android;智能家居;MVP模式;電力線通信;遠(yuǎn)程監(jiān)控
近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在當(dāng)今社會的快速發(fā)展,以物聯(lián)網(wǎng)為中心的相關(guān)衍生技術(shù)也在不斷發(fā)展[1]。智能家居以住宅為平臺,利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成,形成了一整套智能家居體系,極大地提高了便捷性、安全性、娛樂性[2~4]。目前,智能家居行業(yè)還處于剛剛起步的階段,將來的應(yīng)用前景會非??捎^[5],然而現(xiàn)在市面上的智能家居系統(tǒng)大多還是處于“自動控制”狀態(tài)[6],簡單地通過用戶終端去控制底層設(shè)備,整個相關(guān)行業(yè)離真正的“智能”還有很長的路要走。
本研究將在MVP模式下開發(fā)Android應(yīng)用程序,由于智能家居的用戶數(shù)量眾多,特定用戶會做出不同的行為,為了簡化數(shù)學(xué)模型的建立,先將用戶在日常生活中產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,模型在初始階段可以簡單地設(shè)立觀看電視節(jié)目,觀看電影,觀看直播,室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié),根據(jù)用戶習(xí)慣設(shè)置室內(nèi)燈光模式,空調(diào)熱水器設(shè)置等方面。采集的數(shù)據(jù)是通過智能家居中的傳感器收集得到的,反映了用戶的行為習(xí)慣,根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以在一定程度上推測出用戶的行為。在網(wǎng)關(guān)設(shè)計中,S3C2440A移植了嵌入式Linux以便于不同智能家居驅(qū)動程序的開發(fā),最后利用電力線通信網(wǎng)絡(luò)將各個控制部分的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行連接。
2.1 MVP的應(yīng)用
若開發(fā)Android的遠(yuǎn)程操作智能家居的應(yīng)用,該應(yīng)用的界面是一個簡單的顯示按鈕和展示用戶數(shù)據(jù)的列表,用戶點擊按鈕后列表當(dāng)中會顯示用戶數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)儲存在本地數(shù)據(jù)庫。采用MVP來開發(fā)這個簡單應(yīng)用[7],Model,View和Presenter的類圖如圖1所示。
圖1 MVP類圖
從用戶點擊到顯示用戶數(shù)據(jù)的流程如下:
Step1:用戶點擊后,View調(diào)用 presenter.load-UserData()。
Step2:Presenter在 loadUserData()里調(diào)用model.queryUser()并等待。
Step3:Model的queryUser里查詢數(shù)據(jù)庫,返回結(jié)果給 Presenter[8]。
Step4:Presenter調(diào)用view.showUserData()顯示數(shù)據(jù)。
在MVP中View和Presenter通常是以接口的形式出現(xiàn)的[9]。這對進(jìn)行跨平臺的開發(fā)十分重要,因為View是接口,所以并沒有依賴于任何特定的平臺,也沒有規(guī)定顯示的樣式,我們完全可以在不同的平臺中使用不同的方式實現(xiàn)[10],但是Presenter依然可以使用一樣的方式跟View進(jìn)行交互。采用MVP架構(gòu)最重要的原因就是因為MVP基于接口(協(xié)議)編程的思想。
2.2 Android中的MVP模式
Android的開發(fā)生態(tài)是比較自由和混亂的,缺乏統(tǒng)一的規(guī)范,導(dǎo)致很多Android應(yīng)用的代碼質(zhì)量都比較低。不過因為Android的自由開放,也誕生了許多優(yōu)秀的框架,不管是MVC,MVP還是MVVM架構(gòu)都有不少的支持者[11]。在Github上推出了一個新的項 目 Android Architecture Blueprints[12],對Android應(yīng)用的程序架構(gòu)采用的就是MVP模式。Android中MVP的架構(gòu)如圖2所示。
圖2 Android中的MVP架構(gòu)
圖2 中的Repository對應(yīng)著MVP中的Model層,作為應(yīng)用的數(shù)據(jù)源。常見的移動應(yīng)用中,數(shù)據(jù)源會包括兩個部分,一個是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)源,另一個是本地的數(shù)據(jù)源。如何保持維持兩個數(shù)據(jù)源的一致性和完整性是Model層內(nèi)部需要處理的邏輯,對于Presenter來說,只需知道如何從Model層獲取數(shù)據(jù)即可,而不需要知道數(shù)據(jù)來源。
View層中我們主要使用Fragment來實現(xiàn)View,在Android當(dāng)中Activity和Fragment都可以被作為頁面劃分的單位,選擇Fragment主要有兩個原因[13]:
1)Activity的生命周期更加清晰可控,適合用來創(chuàng)建Presenter和管理Presenter和View的連接。
2)Fragment可以比較方便地復(fù)用和組合,在比較大的屏幕上(比如智能手機)。一個頁面上可能會包括多個View。這時候可以比較方便利用Fragment的特性,如果采用Activity則比較不方便。
3.1 模型預(yù)處理
以用戶使用空調(diào)熱水器的行為習(xí)慣為例,做出詳細(xì)的模型分析。用戶使用空調(diào)熱水器這一行為有幾個關(guān)鍵數(shù)據(jù),比如使用空調(diào)熱水器的時間、空調(diào)設(shè)置溫度、熱水器的加熱溫度、空調(diào)的模式設(shè)置、熱水器使用時間等,根據(jù)對這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的樣本學(xué)習(xí),系統(tǒng)建立起一些自定義模式,推斷出用戶的習(xí)慣動作,根據(jù)預(yù)測結(jié)果,可以在用戶下班之前向其推送對空調(diào)熱水器的設(shè)置信息[14]。提前開啟空調(diào),以及熱水器,提高用戶體驗度。
對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,基于Sigmoid函數(shù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)激活函數(shù),所以我們將數(shù)據(jù)映射到[0,1]中,包括樣本的時間參量,這里我們將時間單獨進(jìn)行處理,將月份、星期、小時分鐘平均映射到[0,1],并且將家電編號映射到該范圍中,其余數(shù)據(jù),例如空調(diào)的溫度,熱水器溫度等,我們采用線性歸一化函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[15]:
其中,Xnorm為歸一化后的數(shù)據(jù);Xmin和 Xmax為輸入或輸出數(shù)據(jù)的最值;X為輸入或輸出數(shù)據(jù)。例如10月15日星期三晚上18點開啟空調(diào)(編號0.2000),并設(shè)置溫度為21℃,歸一化處理后的部分樣本數(shù)據(jù)例如(0.2000,0.0001,0.0010,0.7500,0.0000,0.5654),歸一化的樣本數(shù)據(jù)作為輸入,將數(shù)據(jù)輸入到網(wǎng)絡(luò)模型中,將其中一部分樣本作為期望輸出值進(jìn)行誤差分析。
3.2 模型建立
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的設(shè)計及各層包括的神經(jīng)元數(shù)目的選取兩個方面[16]。一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一定具有一個輸入層和一個輸出層,這一點是由實際問題本身決定的,因此,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計重點與難點在于隱層結(jié)構(gòu)的設(shè)計,具體是指隱層的數(shù)目以及各隱層神經(jīng)元數(shù)目,隱層的結(jié)構(gòu)在很大程度上決定著網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度、泛化能力等。對于隱層的層數(shù),理論上已經(jīng)證明,一個三層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只要隱層神經(jīng)元數(shù)足夠多,就具有模擬任意復(fù)雜的非線性映射能力。故一般采用一個隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即可。對于隱層的神經(jīng)元數(shù)目問題,隱含層神經(jīng)元數(shù)過少,學(xué)習(xí)可能不收斂,網(wǎng)絡(luò)的識別能力、泛化能力降低,隱含層神經(jīng)元數(shù)過多,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練長時間不收斂、容錯性能下降。對于隱層神經(jīng)元數(shù)目,我們采用一般的估算方法,估算公式如下。
其中,l為隱層神經(jīng)元數(shù)目,n為輸入層神經(jīng)元數(shù)目,m為輸出層神經(jīng)元數(shù)目,β為1~10之間的常數(shù)。
由于智能家居網(wǎng)關(guān)功能較復(fù)雜,對穩(wěn)定性、安全性的要求較高,因此,在實現(xiàn)智能家居網(wǎng)關(guān)所能提供的服務(wù)時,需基于嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)網(wǎng)關(guān)。
4.1 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計
在智能家居的背景下,通常需要通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對智能家居設(shè)備節(jié)點的控制,同時家庭內(nèi)部的設(shè)備之間也需要實現(xiàn)通信于互控。本文所設(shè)計的智能家居網(wǎng)關(guān)的硬件框圖如圖3所示。
家庭內(nèi)部可能存在多種硬件設(shè)備,智能家居網(wǎng)關(guān)需要通過不同的接口和這些設(shè)備建立連接。通過通用I/O端口控制顯示屏、傳感器等硬件設(shè)備,通過不同的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)(RS232、I2C)接口來控制外部設(shè)備,以及通過高速總線來訪問主存以及網(wǎng)卡設(shè)備等[17]。此外,在本文所設(shè)計的智能家居網(wǎng)關(guān)硬件框圖中,網(wǎng)關(guān)處理器還能和MCU等智能節(jié)點建立了連接,使得MCU能夠通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對家庭內(nèi)部其他設(shè)備的控制。AX88180等網(wǎng)卡芯片使得網(wǎng)關(guān)能夠接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),用戶可通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實現(xiàn)對網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程訪問,從而實現(xiàn)對家庭內(nèi)部設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
圖3 智能家居網(wǎng)關(guān)硬件構(gòu)架
4.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計
所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)軟件框圖如圖4所示,整個軟件框圖主要分兩部分,網(wǎng)關(guān)應(yīng)用模塊和嵌入式Linux操作系統(tǒng)模塊。嵌入式Linux操作系統(tǒng)模塊主要包含了嵌入式Linux內(nèi)核、驅(qū)動程序以及Yaffs2文件系統(tǒng)[18]。驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了對家庭內(nèi)部設(shè)備的控制,如智能節(jié)點、傳感器等字符設(shè)備,以及網(wǎng)卡等塊設(shè)備,Yaffs2文件系統(tǒng)為智能家居網(wǎng)關(guān)存儲數(shù)據(jù)提供了支持,而嵌入式Linux內(nèi)核則是對標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪所得到的。嵌入式Linux操作系統(tǒng)為網(wǎng)關(guān)應(yīng)用提供了API,使得網(wǎng)關(guān)應(yīng)用能夠?qū)彝?nèi)部的設(shè)備進(jìn)行控制,是網(wǎng)關(guān)應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)。
圖4 智能家居網(wǎng)關(guān)軟件構(gòu)架
網(wǎng)關(guān)應(yīng)用則主要包含了傳輸控制、協(xié)議解析、安全驗證以及功能邏輯單元四個模塊。傳輸控制模塊主要用于接收家庭內(nèi)部設(shè)備的數(shù)據(jù),并且能夠根據(jù)上層應(yīng)用給出的指令實現(xiàn)對家庭內(nèi)部設(shè)備的控制。
4.3 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用開發(fā)流程
在為S3C2440A移植了嵌入式Linux之后,便是對網(wǎng)關(guān)應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)。以遠(yuǎn)端服務(wù)器對家庭內(nèi)部的空調(diào)熱水器控制為例,以說明遠(yuǎn)端服務(wù)器如何通過智能家居網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對家庭內(nèi)部設(shè)備的控制。首先是為空調(diào)熱水器編寫驅(qū)動程序,驅(qū)動程序的注冊和卸載流程如圖5所示。
圖5 驅(qū)動程序開發(fā)流程
在編寫好空調(diào)熱水器的驅(qū)動程序之后,由于空調(diào)熱水器通過通用I/O和S3C2440A相連接,屬于字符設(shè)備,因此,空調(diào)熱水器使用以下結(jié)構(gòu)體來表示,在編寫驅(qū)動程序的時候,需要對結(jié)構(gòu)體中的各字段賦適當(dāng)?shù)闹怠?/p>
struct miscdevice{
int minor;
const char*name;
const struct file_operations*fops;
struct list_head list;
struct device*parent;
struct device*this_device;
const char*nodename;
mode_t mode;
};
之后使用函數(shù)int misc_register(struct miscdevice*misc)實現(xiàn)對空調(diào)熱水器驅(qū)動程序的注冊。注冊好驅(qū)動程序之后,用戶便可以將空調(diào)熱水器視為文件,對其寫入特定的數(shù)據(jù),以控制空調(diào)熱水器的開關(guān)。為了使服務(wù)器能夠控制空調(diào)熱水器,服務(wù)器和智能家居網(wǎng)關(guān)之間的通信需要采用一定的協(xié)議,使得網(wǎng)關(guān)能夠解析來自服務(wù)器的命令,并對空調(diào)熱水器進(jìn)行控制。
5.1 電力線通信網(wǎng)絡(luò)
網(wǎng)關(guān)方案設(shè)計完成后,將組網(wǎng)路由算法應(yīng)用到硬件平臺上進(jìn)行實現(xiàn)。節(jié)點架構(gòu)如圖6所示,節(jié)點之間通信的電力線經(jīng)過電力線載波模塊相連。
圖6 節(jié)點架構(gòu)
本系統(tǒng)控制部分的主控芯片選擇ST公司最新推出的基于Cortex M3內(nèi)核的STM32系列處理器。ST32系列處理器與其他MCU相比具有更高的性價比,并且ST公司為STM32開發(fā)了專門的驅(qū)動庫,這也大大減輕了應(yīng)用者的開發(fā)難度。實驗采用的電力線載波模塊為基于彌亞微電子的高性能電力載波芯片MI213而設(shè)計,本模塊的載波調(diào)制方式采用的是OQPSK調(diào)制方式,具有功耗低、輻射小、抗干擾強等特點。
由子節(jié)點所連接的溫度和濕度傳感器,每隔6小時向手機APP端發(fā)送實時監(jiān)測到的溫度和濕度信息,當(dāng)超過某一預(yù)先設(shè)定范圍時,提醒用戶打開制冷或者取暖設(shè)備。由處于客廳位置的子節(jié)點在家中無人時開啟安全監(jiān)控模式,采用紅外傳感器進(jìn)行感知,一旦有人進(jìn)入,則通過子節(jié)點發(fā)送信息給主節(jié)點,觸發(fā)主節(jié)點的GSM模塊自動提醒設(shè)置,給手機發(fā)送短信,對用戶進(jìn)行自動提醒。APP界面顯示如圖7所示:
圖7 APP界面顯示
5.2 周期維護(hù)
由于電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)有一個特點是具有時變性,所以需要對主節(jié)點維護(hù)的路由表進(jìn)行一個周期性的維護(hù),根據(jù)主節(jié)點中的計時器信息,每隔5分鐘時間即對路由更新一次,即主節(jié)點發(fā)送一次廣播,入網(wǎng)的子節(jié)點發(fā)送確認(rèn)信息InFrame給主節(jié)點,以便主節(jié)點進(jìn)行路由表的更新。以20個節(jié)點為一組,以系統(tǒng)開發(fā)板上指示燈亮起作為判斷是否成功連接的標(biāo)準(zhǔn),以60s為一組,進(jìn)行15次試驗,利用式(1)收集智能電器的數(shù)據(jù)信息,結(jié)合式(2)修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)完成后節(jié)點連入個數(shù)如表1所示。
根據(jù)15組實驗我們通過計算得到平均組網(wǎng)成功率:(15組組網(wǎng)完成連入節(jié)點數(shù)的和/15組全部節(jié)點數(shù)的和)*100%=98.33%。
表1 測試結(jié)果
本文給出了用戶通過Android手機遠(yuǎn)程操作智能家居的電力線載波通信安全監(jiān)控設(shè)計,經(jīng)過對組網(wǎng)算法加載到系統(tǒng)開發(fā)板上的測試和驗證,可以得到相對通信可靠性較優(yōu)化的結(jié)果,并將此應(yīng)用到智能家居上,通過測試,實現(xiàn)了家庭內(nèi)部安全監(jiān)測與健康監(jiān)護(hù),但是還是存在組網(wǎng)成功率不能達(dá)到百分之百的原因,分析可能有以下幾點:
1)數(shù)據(jù)包碰撞。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,由于所有的節(jié)點都是物理通過電線物理連接的,所以在發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程中可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的碰撞,改進(jìn)的組網(wǎng)路由算法可以得到一定程度的改善,但不能完全避免碰撞;
2)鏈路質(zhì)量。由于連接的鏈路比較遠(yuǎn),使得主節(jié)點的信號在傳輸?shù)侥彻?jié)點時就已經(jīng)損耗,該節(jié)點無法接收到主節(jié)點的連接信息,從而不能連接到網(wǎng)絡(luò)中;
3)丟包率。在傳輸信號過程中,由于不確定因素使得數(shù)據(jù)包丟失,某些節(jié)點不能收到主節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包,從而不能連接到網(wǎng)絡(luò)。
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Design of Intelligent Home Security Monitoring System Based on Android
ZHANG Yunyu
(Computer Teaching and Research Room,Guangzhou Light Industry Vocational School,Guangzhou 510650)
In view of the problem that the health status and safety monitoring of the traditional intelligent home are mainly dependent on the manual inspection,this paper introduces the intelligent home-based remote monitoring system by introducing the Internet-based Internet of Things technology into the intelligent home condition monitoring and safety assessment.The system's Android remote operation based on the MVP model to develop applications,the use of neural networks to deal with users daily use of operational data to establish the network data model,combined with S3C2440A microcontrollers in the gateway to the embedded Linux to facilitate different smart home drivers development.Finally,the power line communication network is used to connect the intelligent electrical appliances to the gateway.By calculating the success rate of the routing nodes,the success rate of the network nodes of 15 intelligent devices is 98.33%.The system can intelligent home many electrical appliances at the same time monitoring,to solve the system data and network congestion caused by the problem can not be security monitoring.
Android,smart home,MVP mode,power line communication,remote monitoring
TP277
10.3969/j.issn.1672-9722.2017.11.044
Class Number TP277
2017年5月10日,
2017年6月30日
張運玉,女,研究方向:計算機軟件應(yīng)用。