互聯(lián)網(wǎng)智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

朱惠聰，林顯明，黃永鋒，毋茂盛，張會(huì)章

（肇慶學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)已成為生活的必備工具之一。由于人們經(jīng)常外出工作，使用手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居設(shè)備顯得格外重要。本文開發(fā)了一款A(yù)PP及相關(guān)硬件，可通過遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)控家中設(shè)備。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)的工作原理

ZigBee終端（end）通過采集溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器（Coordinator），協(xié)調(diào)器收集信息并整理后，發(fā)送給樹莓派，樹莓派接收到信息并訪問阿里云服務(wù)器，將其信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，通過搭建django框架將數(shù)據(jù)顯示于網(wǎng)頁(yè)，Andriod客戶端APP通過HTTP協(xié)議訪問網(wǎng)頁(yè)并讀取網(wǎng)頁(yè)信息，最后在APP上顯示。攝像頭采用了MJPG-Stream軟件，樹莓派通過HTTP訪問其上的攝像頭，借助遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻傳輸效果。同時(shí)，Andriod客戶端APP也可通過阿里云服務(wù)器發(fā)送信息給樹莓派，樹莓派通過收到的信息標(biāo)志位做出相關(guān)的控制操作，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制燈光、窗簾的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括樹莓派、CSI攝像頭、溫濕度傳感器、繼電器、雨滴傳感器、電機(jī)模塊、超聲波測(cè)距模塊、CC2530協(xié)調(diào)器和CC2530終端節(jié)點(diǎn)。

2.1 樹莓派

樹莓派（Raspberry Pi）系統(tǒng)基于Linux研發(fā)，包括40個(gè)GPIO口，可用于拓展模塊，4個(gè)USB端口，MicroSD卡槽，支持視頻音頻的輸出，網(wǎng)絡(luò)接口，自帶藍(lán)牙WiFi模塊，支持SPI，I2C等總線，是一款功能強(qiáng)大且開源的電腦板[1]。因此，本項(xiàng)目以樹莓派為主板進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。

2.2 CSI攝像頭

鏡頭參數(shù)為1/4 5 M，光圈參數(shù)為2.9，焦距參數(shù)為3.29，視場(chǎng)角參數(shù)為72.4°。CSI接口可與樹莓派對(duì)接進(jìn)行視頻流信息傳輸。

2.3 CC2530協(xié)調(diào)器和CC2530終端節(jié)點(diǎn)

CC2530是由美國(guó)TI公司設(shè)計(jì)的SoC芯片[2]，它采用8051內(nèi)核，含有可編程閃存，8 kB RAM，UART和SPI接口等，采用ZigBee協(xié)議可進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線發(fā)射和接收，適合于智能家居、工業(yè)控制等特定場(chǎng)合，省去連線的麻煩，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。本項(xiàng)目中分別用CC2530設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)與溫濕度傳感器相連，兩者之間通過ZigBee進(jìn)行無線通信。協(xié)調(diào)器用作樹莓派和終端節(jié)點(diǎn)之間的橋梁進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采集。溫濕度采集流程如圖2所示。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器DHT11、繼電器、超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04、雨滴傳感器。溫濕度傳感器DHT11和終端節(jié)點(diǎn)相連，超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04和雨滴傳感器與樹莓派GPIO相連。DHT11是集溫濕度采集于一體的復(fù)合型傳感器，由于SPI采用三線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，因此接口電路十分簡(jiǎn)單[3]。超聲波傳感器HC-SR04測(cè)距模塊提供2～400 cm非接觸式距離感測(cè)功能，精度高達(dá)3 mm，可用于判斷窗簾是否完全打開或關(guān)閉。雨滴傳感器主要用于檢測(cè)是否下雨，從而自主關(guān)閉門窗。

圖2 溫濕度采集流程

2.5 控制模塊

控制模塊主要由步進(jìn)電機(jī)、ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)、燈泡及繼電器組成。通過接收Android手機(jī)端發(fā)送的指令，進(jìn)行相應(yīng)模塊的控制操作。ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制門窗轉(zhuǎn)動(dòng)。繼電器控制220 V電源實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈操作，當(dāng)繼電器吸合時(shí)，接通電源，開燈。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Android 端采用了當(dāng)前流行的MVC框架，MVC是模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller）的縮寫，具有耦合性低，部署快，維護(hù)性高，便于管理等優(yōu)點(diǎn)，因此本項(xiàng)目中的APP設(shè)計(jì)借助MVC框架與Android-async-http框架[4-5]實(shí)現(xiàn)。Android-async-http框架能在匿名回調(diào)中處理請(qǐng)求結(jié)果，在UI線程外進(jìn)行HTTP請(qǐng)求，支持解析成JSON格式，并可將Cookies持久化到SharedPreferences。本APP即采用Android-async-http框架進(jìn)行用戶登錄并訪問服務(wù)端，返回JSON格式的數(shù)據(jù)。并采用SharedPreferences保存用戶的身份標(biāo)識(shí)Cookies到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)文件，方便用戶下次打開應(yīng)用時(shí)快速驗(yàn)證身份自動(dòng)登錄，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可用性。

3.1 主UI布局

APP采用Android Studio3.0的模板布局Coordinator Layout，定義在APP_bar_main.xml文件中。該布局可自定義主界面布局content_main.xml、標(biāo)題欄布局，同時(shí)支持側(cè)滑屏，在側(cè)滑屏可布置用戶狀態(tài)nav_header_main.xml和功能控件（監(jiān)控、溫濕度、燈、窗簾）。這些功能分別有各自的交互界面，并在主活動(dòng)MainActivity中設(shè)置側(cè)滑欄選項(xiàng)onNavigationItemSelected（MenuItem item）來監(jiān)聽功能控件，當(dāng)檢測(cè)到點(diǎn)擊事件時(shí)會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的功能活動(dòng)，并進(jìn)入該功能的交互界面。監(jiān)聽代碼如下：

public boolean onNavigationItemSelected（MenuItem item）{//監(jiān)聽導(dǎo)航欄菜單

// Handle navigation view item clicks here. int id = item.getItemId

（）；

Log.e（"test"，id + ""）；

if（id == R.id.nav_jiankong）{Intent Intent_shipin = new Intent（Intent.ACTION_VIEW）；

Intent_shipin.setData（Uri.parse（"http：//192.168.1.108：8080/stream_simple.html"））；startActivity（Intent_shipin）；

} else if（id == R.id.nav_wenshidu）{

Intent Intent_wenshidu = new Intent（this，wenshiduActivity.class）；

startActivity（Intent_wenshidu）；

} else if（id == R.id.nav_deng）{Intent Intent_deng = new Intent（this，Deng.class）；

startActivity（Intent_deng）；

} else if（id == R.id.nav_chuanglian）{

Intent Intent_chuanglian = new Intent（this，ChuangLianActivity.class）；

startActivity（Intent_chuanglian）；}

UI布局如圖3所示。

圖3 UI布局

3.2 用戶登錄邏輯實(shí)現(xiàn)

首次登錄獲取的Cookies通過SharedPreferences保存在本地。再次登錄直接檢測(cè)本地Cookies是否有效，有效則直接登錄，無效則重新登錄。代碼如下：

if（response == HttpURLConnection.HTTP_OK）{String

cookie=httpURLConnection.getHeaderField（"Set-Cookie"）；

if（cookie == null）{

Log.d（"thread"，" cookie = null "）；

Message message = new Message（）；

message.what = LOGIN_FAIL；

handler.sendMessage（message）；

} else {

SharedPreferences preferences；

preferences = getSharedPreferences（"main"，MODE_

PRIVATE）；

SharedPreferences.Editor editor；

editor = preferences.edit（）；

editor.putString（"cookie"，cookie）；

editor.putString（"username"，username）；

editor.commit（）；}

3.3 功能模塊

溫濕度檢測(cè)、燈控制和窗簾控制同樣采取上述方式開設(shè)線程，通過HTTP協(xié)議訪問服務(wù)器并獲取或上傳相關(guān)數(shù)據(jù)及命令，其中溫濕度檢測(cè)還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的繪圖。APP效果圖如圖4所示。

圖4 APP效果圖

視頻監(jiān)控采用Intent方式，調(diào)用其他應(yīng)用的瀏覽器訪問，避免重新開發(fā)實(shí)現(xiàn)瀏覽器功能的應(yīng)用模塊，視頻傳輸畫面如圖5所示。

實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Intent Intent_shipin=new Intent（Intent.ACTION_VIEW）；

Intent_shipin.setData（Uri.parse（"http ：//192.168.1.108 ：8080/

stream_simple.html"））；

startActivity（Intent_shipin）；

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制技術(shù)，借助阿里云遠(yuǎn)程服務(wù)器和ZigBee實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。分別實(shí)現(xiàn)了家中溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和視頻實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)通過手機(jī)APP也可對(duì)家中的電燈、窗簾等進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有差錯(cuò)檢測(cè)功能，運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試效果良好，應(yīng)用前景廣闊。

圖5 視頻傳輸畫面