基于Android 手機(jī)的設(shè)備遠(yuǎn)程控制的研究與實(shí)現(xiàn)

張 倩

（沈陽工程學(xué)院自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由智能手機(jī)、受控設(shè)備和Web服務(wù)器三大主要部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。無線路由（AP）為系統(tǒng)提供WiFi無線網(wǎng)絡(luò)。手機(jī)、平板等智能終端可以遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制處于工廠和車間的設(shè)備。受控設(shè)備通過單片機(jī)接收WiFi無線模塊的控制指令，通過PLC或繼電器可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程智能控制。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是將服務(wù)器應(yīng)用程序部署在Tomcat網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，負(fù)責(zé)提供用戶邏輯和MySQL數(shù)據(jù)庫查詢服務(wù)，并與Android智能手機(jī)和受控設(shè)備通信。用戶通過手機(jī)軟件可以完成登錄、設(shè)備添加、監(jiān)控和控制等功能。

客戶端和服務(wù)器的通信過程由雙方的接口實(shí)現(xiàn)。首先，客戶端通過httpClient接口發(fā)送一個(gè)請求給服務(wù)器端；其次，Web服務(wù)器將來自于客戶端的請求送到Servlet接口，在接口中進(jìn)行用戶邏輯分析后，將響應(yīng)內(nèi)容從Servlet接口返回給客戶端。Tomcat服務(wù)器作為Servlet接口類的容器，負(fù)責(zé)接收和響應(yīng)手機(jī)客戶端請求。在無線網(wǎng)絡(luò)通信過程中，雙方使用的通信協(xié)議是HTTP協(xié)議，規(guī)定了傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式。

圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 HTTP的工作原理與報(bào)文

2.1 HTTP工作原理

HTTP協(xié)議，即超文本傳輸協(xié)議，定義客戶端和服務(wù)器端之間文件傳輸?shù)臏贤ǚ绞健TTP協(xié)議的內(nèi)容是HTTP報(bào)文，報(bào)文是由一行一行字符串組成的。協(xié)議采用客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，即Client/Server模式，客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請求報(bào)文，服務(wù)器返回一個(gè)響應(yīng)報(bào)文。HTTP請求和響應(yīng)實(shí)現(xiàn)流程：首先，客戶端發(fā)送連接請求到Web服務(wù)器，客戶端和服務(wù)器建立起一個(gè)TCP連接，客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請求報(bào)文；其次，服務(wù)器接收客戶端請求并返回HTTP響應(yīng)，在服務(wù)器程序中解析用戶請求，并根據(jù)用戶邏輯做出響應(yīng)，由TCP連接返回給客戶端；最后，根據(jù)連接類型保持或釋放TCP連接，若連接類型為keepalive，在一段時(shí)間內(nèi)服務(wù)器可以繼續(xù)接收該客戶端的請求，若連接類型為close，則服務(wù)器在做出響應(yīng)后會釋放連接。網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端/服務(wù)器模型如圖2所示，httpClient和httpServlet為客戶端和服務(wù)器的通信接口函數(shù)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端/服務(wù)器模型

2.2 HTTP的報(bào)文格式

HTTP事務(wù)=請求命令+響應(yīng)結(jié)果。命令和響應(yīng)以報(bào)文的形式傳遞，HTTP請求報(bào)文主要由請求行、請求頭部、請求正文組成。HTTP響應(yīng)報(bào)文由狀態(tài)行、響應(yīng)頭部和響應(yīng)包體組成。

2.2.1 請求報(bào)文結(jié)構(gòu)

請求報(bào)文由請求行、請求頭部、空行和請求正文4部分組成，請求報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖3所示。請求行由請求方法類型、URL地址和協(xié)議版本字段組成，需使用空格隔開。請求類型有GET和POST兩種方法。GET方法是要求服務(wù)器把URL定位的資源放在響應(yīng)報(bào)文的數(shù)據(jù)部分，一般用于客戶端向服務(wù)器請求某個(gè)資源。POST方法一般用于客戶端向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)，如智能電器向服務(wù)器發(fā)送設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的表單，將數(shù)據(jù)提交給服務(wù)器處理，例如：POST/index.jsp HTTP/1.1，其中POST是請求方法，/index.jsp是訪問路徑，HTTP/1.1是協(xié)議版本。請求頭部由關(guān)鍵字和值對組成，用于通知服務(wù)器關(guān)于客戶端的請求信息。例如，host∶192.168.24.56，用于指定訪問服務(wù)器地址。請求頭部之后是一個(gè)空行，發(fā)送回車符和換行符，通知服務(wù)器以下內(nèi)容是請求包體。請求包體在POST方法中用于傳遞大量數(shù)據(jù)，與請求包體相關(guān)的最常用的包體類型和包體長度，最后將傳送數(shù)據(jù)附在后面構(gòu)成請求報(bào)文。

圖3 請求報(bào)文結(jié)構(gòu)

2.2.2 響應(yīng)報(bào)文結(jié)構(gòu)

HTTP響應(yīng)報(bào)文由響應(yīng)狀態(tài)行、響應(yīng)頭部、空行和響應(yīng)包體4部分組成。響應(yīng)狀態(tài)行由協(xié)議版本、狀態(tài)碼和狀態(tài)描述組成。響應(yīng)狀態(tài)碼由三位數(shù)字組成，200 OK表明客戶端請求成功，400 Bad Request表明客戶端請求出現(xiàn)了語法錯(cuò)誤。響應(yīng)頭部和請求頭部的格式相同，Content-Type和Content-Length是對響應(yīng)內(nèi)容的類型和長度進(jìn)行設(shè)置。響應(yīng)頭部后是一個(gè)空行，通知客戶端以下為響應(yīng)包體內(nèi)容。響應(yīng)包體中主要附加服務(wù)器返回給客戶端的數(shù)據(jù)信息。圖4為手機(jī)客戶端的請求報(bào)文和服務(wù)器的響應(yīng)報(bào)文舉例。

圖4 請求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文舉例

3 通信接口程序設(shè)計(jì)方法

手機(jī)客戶端點(diǎn)擊Button按鈕觸發(fā)一個(gè)訪問服務(wù)器的操作，客戶端會調(diào)用訪問服務(wù)器的通信請求程序，服務(wù)器則通過Tomcat服務(wù)器中的Servlet通信接口接收客戶端請求，并按照用戶邏輯做出響應(yīng)并返回給客戶端。單片機(jī)通過WiFi無線模塊接收信號也是作為客戶端與Web服務(wù)器連接，單片機(jī)中采用C語言編程，數(shù)據(jù)的報(bào)文格式和手機(jī)一致，以Android手機(jī)客戶端為例加以說明，應(yīng)用程序采用Java語言編程實(shí)現(xiàn)。客戶端和服務(wù)器通信的流程如圖5所示。

客戶端首先新建一個(gè)HttpClient接口、一個(gè)HttpGet對象，指向所訪問服務(wù)器IP地址，并把需要傳遞的數(shù)據(jù)附在地址后面?zhèn)鬟f，采用的語句如下：

httpGet=new HttpGet("http∶//192.168.1.3"+"id");

圖5 客戶端和服務(wù)器的HTTP通信接口程序流程

GET傳遞方式適合傳遞較少數(shù)據(jù)，當(dāng)需要完成大量數(shù)據(jù)傳遞需要使用POST方法。在try函數(shù)中調(diào)用通信接口中的execute方法，執(zhí)行客戶端向服務(wù)器的連接請求，準(zhǔn)備通過HttpResponse類接收服務(wù)器返回的響應(yīng)。當(dāng)接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)后，調(diào)取狀態(tài)碼判斷連接是否成功，將返回?cái)?shù)據(jù)用getEntity()方法取出，并轉(zhuǎn)化成字符串?？蛻舳嗽L問服務(wù)器通信接口任務(wù)完成。

try{

HttpResponse serverResponse=httpCient.execute(httpGet);

if(serverResponse.getStatusLine().getStatus-Code()==200){

HttpEntity serverEntity = serverResponse.getEntity();

String response=EntityUtils.toString(serverEntity,"utf-8");

}

服務(wù)器接收請求的接口是HttpServlet，在其中重寫了doGet()方法，完成Servlet接口接收請求數(shù)據(jù)（HttpServletRequest）和返回服務(wù)器響應(yīng)(HttpServletResponse)的任務(wù)。在doGet()方法中，首先調(diào)用了getParamete()方法獲取request請求參數(shù)，然后設(shè)置response響應(yīng)內(nèi)容類型和數(shù)據(jù)格式，在try函數(shù)中進(jìn)行用戶邏輯處理之后，把響應(yīng)數(shù)據(jù)封裝為JSON格式并裝載到JSONObject對象中，調(diào)用getWriter()方法返回服務(wù)器給客戶端的response響應(yīng)，最后通過PrintWriter對象把jObject響應(yīng)發(fā)送給客戶端，關(guān)閉連接響應(yīng)任務(wù)結(jié)束。doGet()方法的程序內(nèi)容如下：

doGet(){String nidStr=request.getParameter("id");

response.setContentType("text/html;charset=UTF-8");

JSONObject jObject=new JSONObject();

try{jObject.put("data",nidStr);}catch(Exceptione){…}

PrintWriter out=response.getWriter();

out.println(jObject);out.flush();out.close();}

4 系統(tǒng)開發(fā)與測試

在Android手機(jī)端點(diǎn)擊相應(yīng)控制按鈕，通過智能手機(jī)的HttpClient通信接口將指令發(fā)送到Web服務(wù)器端，服務(wù)器通過HttpServlet通訊接口接收客戶端指令，再把命令通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給Wifi模塊，指令由單片機(jī)負(fù)責(zé)接收并執(zhí)行電器控制動作。安卓手機(jī)和服務(wù)器的開發(fā)采用Eclipse平臺，包括界面設(shè)計(jì)、通信接口和數(shù)據(jù)庫操作等模塊；單片機(jī)采用Keil平臺開發(fā)，負(fù)責(zé)收發(fā)指令和執(zhí)行繼電器控制；服務(wù)器采用Tomcat輕量級Web服務(wù)器為系統(tǒng)提供用戶應(yīng)答和數(shù)據(jù)庫訪問。經(jīng)過系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試和測試，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)中智能手機(jī)對電器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)一個(gè)基于Android手機(jī)的遠(yuǎn)程控制電器的通信系統(tǒng)，闡述了無線網(wǎng)絡(luò)中通信接口的原理和設(shè)計(jì)方法，測試并驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的正確性和有效性。手機(jī)用戶通過訪問Web服務(wù)監(jiān)測和管理電器設(shè)備，通信模式采用HTTP協(xié)議下的C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過客戶端的HttpClient接口和服務(wù)器的HttpServlet接口完成請求和響應(yīng)報(bào)文的傳遞。該系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求靈活設(shè)計(jì)，可移植性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于工廠和車間設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。