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摘要:

基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠滿足用戶實(shí)時(shí)了解家居狀況、遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備的需求，是智能家居發(fā)展的重要方向。為此，設(shè)計(jì)了一種利用社交網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)通信媒介的新型遠(yuǎn)程控制智能家居系統(tǒng)，從而克服了傳統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需要安裝家庭服務(wù)器，依賴固定IP地址的弊端，提高系統(tǒng)安全性。

關(guān)鍵詞:

智能家居;遠(yuǎn)程控制;社交網(wǎng)絡(luò)

在無(wú)線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展不斷提升人們的生活質(zhì)量的同時(shí)，人們對(duì)舒適便捷的家居生活的需求也越來(lái)越高，家庭自動(dòng)化、家庭信息化、智能家居等不斷智能化的設(shè)計(jì)思想在這種日益突出的需求下相繼被提出，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的智能化、網(wǎng)絡(luò)化已成為當(dāng)今家居產(chǎn)業(yè)的主要研究目標(biāo)。智能家居是人類住宅即將經(jīng)歷的的一場(chǎng)富有意義的革命，它能夠?yàn)槿祟悗?lái)更加便捷、安全、高效的現(xiàn)代生活方式，是居住環(huán)境與現(xiàn)代科技融合后的的必然產(chǎn)物。所以，在新興的研究領(lǐng)域中智能家居系統(tǒng)也逐漸重要[1]。

1相關(guān)技術(shù)介紹

1.1Android平臺(tái)下的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)Android體系采用的是分層的軟件層次架構(gòu)，它主要由5個(gè)部分組成，分別是：Linux內(nèi)核、Dalvik虛擬機(jī)、各種本地運(yùn)行庫(kù)、應(yīng)用程序框架和上層應(yīng)用程序。本文以Windows系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)Android的系統(tǒng)平臺(tái)，采用第一種開(kāi)發(fā)方式，即基于AndroidSDK的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)方式，并使用比較流行的IDE開(kāi)發(fā)工具Eclipse。AndroidSDK安裝具體步驟為：從Android開(kāi)發(fā)者官方網(wǎng)站下載安卓SDK壓縮文件，文件下載完成后解壓到需要保存的工作路徑。運(yùn)行SDK文件中的Setup.exe可執(zhí)行文件，點(diǎn)擊AvailablePackages按鈕選擇要安裝的版本包。然后選擇希望安裝的SDK及其文檔或者其它包，按照安裝向?qū)崾疽来吸c(diǎn)擊相應(yīng)按鈕開(kāi)始下載安裝，不需要過(guò)多版本的話可以只選擇需要的版本進(jìn)行安裝，之后如果再需要其他版本時(shí)再下載，這是因?yàn)樵撨^(guò)程比較耗時(shí)。做完以上工作后，最后需要設(shè)置環(huán)境變量，在PATH變量中添加解壓后Android開(kāi)發(fā)包中的tools文件夾的絕對(duì)路徑[2]。

1.2微博開(kāi)放平臺(tái)使用新浪微博開(kāi)放平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，需要進(jìn)過(guò)以下的的幾個(gè)步驟：首先注冊(cè)微博賬號(hào)，成為開(kāi)發(fā)者。微博提供不同的應(yīng)用類型，包括移動(dòng)應(yīng)用、站內(nèi)應(yīng)用、網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用等，可以根據(jù)需要選擇應(yīng)用類型，本設(shè)計(jì)主要用到移動(dòng)應(yīng)用。在認(rèn)證和授權(quán)的過(guò)程中涉及的三方包括：1、服務(wù)提供方，用戶將需要存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)上的資源如圖片，視頻，通信錄等存放在服務(wù)提供方處，服務(wù)提供方負(fù)責(zé)資源保存與保護(hù)以及其他服務(wù)；2、用戶，第三方應(yīng)用的使用者、所訪問(wèn)的資源的擁有者和服務(wù)提供方提供服務(wù)的對(duì)象；3、客戶端，需要訪問(wèn)服務(wù)提供方資源的第三網(wǎng)站方或應(yīng)用[3]。微博開(kāi)放平臺(tái)提供了諸多接口供開(kāi)發(fā)者使用，文檔詳細(xì)描述了接口的功能、調(diào)用地址等。微博接口規(guī)定每個(gè)用戶每個(gè)小時(shí)以內(nèi)只能請(qǐng)求一定的次數(shù)，用戶維度限制如表1。

2遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)功能概述利用Android手機(jī)、新浪網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放平臺(tái)、ZigBee無(wú)線模塊設(shè)計(jì)了一種智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，能讓用戶通過(guò)手機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、查詢傳感器數(shù)據(jù)等，并能利用社交網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，分享家居體驗(yàn)。系統(tǒng)包括ZigBee設(shè)備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程控制端三個(gè)部分。本設(shè)計(jì)在臺(tái)式計(jì)算機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的設(shè)計(jì)，接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和設(shè)備控制，網(wǎng)關(guān)應(yīng)用使用java語(yǔ)言編寫，便于跨平臺(tái)使用。遠(yuǎn)程控制端采用Android平臺(tái)手機(jī)，為用戶提供可視化操作界面。

2.2ZigBee內(nèi)部網(wǎng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用六個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)本身的組網(wǎng)限制，本設(shè)計(jì)使用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)用作協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口進(jìn)行通信；兩個(gè)節(jié)點(diǎn)用作路由節(jié)點(diǎn)，用于模擬兩個(gè)房間的路由控制；其余三個(gè)節(jié)點(diǎn)分別接入兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，模擬位于不相同房間中的設(shè)備。

2.2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能及軟件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)九針串口線與家庭網(wǎng)關(guān)連接。在ZigBee內(nèi)部網(wǎng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)建立網(wǎng)絡(luò)、允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)發(fā)信息等網(wǎng)絡(luò)功能，在本設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)之間的通信，主要功能有：（1）新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，獲取設(shè)備地址、設(shè)備Profile等節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)；（2）接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)的設(shè)備控制命令并解析命令，得到要操作的設(shè)備地址，向相應(yīng)設(shè)備發(fā)送控制命令；（3）接收設(shè)備節(jié)點(diǎn)返回的控制結(jié)果，并轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)；（4）接收路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的房間環(huán)境信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。其應(yīng)用程序流程圖如圖1所示。

2.2.2路由器節(jié)點(diǎn)功能及軟件設(shè)計(jì)路由節(jié)點(diǎn)主要提供內(nèi)部網(wǎng)中消息的路由功能，以及允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并為其分配地址。在本設(shè)計(jì)中，路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用功能有：（1）負(fù)責(zé)一個(gè)房間子網(wǎng)的劃分，一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一個(gè)房間子網(wǎng)中設(shè)備與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的通信連接；（2）路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)房間環(huán)境信息的周期性采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序流程圖如圖2所示。

2.2.3設(shè)備節(jié)點(diǎn)功能及軟件設(shè)計(jì)設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)搜索與加入、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等功能。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用功能有：（1）設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主動(dòng)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送設(shè)備地址、設(shè)備Profile等節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息；（2）接收控制信息，執(zhí)行控制操作，并返回操作結(jié)果給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。設(shè)備節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序流程圖如圖3所示。

3家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)主要功能包括通過(guò)Internet與外部網(wǎng)絡(luò)通信、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息存儲(chǔ)和通過(guò)串口與ZigBee內(nèi)部網(wǎng)通信三個(gè)部分。硬件平臺(tái)主要采用臺(tái)式PC，以后可以考慮采用嵌入式設(shè)備，與外部網(wǎng)絡(luò)連接采用有線方式，通過(guò)九針串口線與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接。為便于軟件在不同平臺(tái)間的移植，網(wǎng)關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)采用Java語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Eclipse[4]。根據(jù)家庭網(wǎng)關(guān)功能劃分，網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)為主要包括四個(gè)模塊：外部網(wǎng)通信模塊、內(nèi)部網(wǎng)通信模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)和UI界面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3.1ZigBee內(nèi)部網(wǎng)設(shè)計(jì)通信模塊主要包括外部網(wǎng)通信模塊與內(nèi)部網(wǎng)通信模塊。（1）外部網(wǎng)通信模塊啟用兩個(gè)線程實(shí)現(xiàn)，一個(gè)實(shí)現(xiàn)Runnable接口的類WeiboCheckRunnable獲取微博消息，篩選命令消息，更新命令；另一個(gè)實(shí)現(xiàn)Runnable接口的類WeiboSendRunnable接收更新命令，判斷命令類型并執(zhí)行相應(yīng)操作，返回結(jié)果到遠(yuǎn)程控制端[5]。實(shí)現(xiàn)類流程圖如圖5。（2）內(nèi)部網(wǎng)通信模塊采用javax.comm包實(shí)現(xiàn)異步串口通信，使用Java串口包API進(jìn)行串口操作的基本步驟如下：（a）列舉出本機(jī)所有可用串口CommPortIdentifier，選擇需要的端口；（b）對(duì)串口參數(shù)進(jìn)行配置，包括數(shù)據(jù)位數(shù)，輸入/輸出流控制，波特率，停止位和齊偶校驗(yàn)；（c）打開(kāi)串口獲取輸入輸出流，監(jiān)聽(tīng)串口事件，對(duì)串口進(jìn)行讀寫[6]。本設(shè)計(jì)對(duì)串口操作進(jìn)行封裝得到SerialUtil類，本模塊對(duì)串口的操作主要通過(guò)SerialUtil類實(shí)現(xiàn)。本模塊采用觀察者模式接收來(lái)自外網(wǎng)通信模塊的控制命令，在命令執(zhí)行后更新控制結(jié)果返回命令，同時(shí)進(jìn)行了操作權(quán)限檢查與操作記錄，具體流程圖如圖6所示。

3.2用戶界面設(shè)計(jì)用戶界面使用Java用戶界面開(kāi)發(fā)工具包Swing。開(kāi)發(fā)人員可以利用Swing各種的功能強(qiáng)大的模塊化組件來(lái)創(chuàng)建優(yōu)美的用戶界面。用戶界面提供的主要交互功能有房間與設(shè)備列表顯示、微博登錄認(rèn)證、設(shè)備信息設(shè)置、訪問(wèn)用戶權(quán)限管理、交互記錄查詢等。

4手機(jī)移動(dòng)端軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)客戶端軟件采用Android平臺(tái)2.3版SDK，應(yīng)用主要包括交互界面、微博交互模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作三個(gè)部分，使用BroadcastRecieverz組件進(jìn)行模塊線程之間的通信[7]。用戶界面主要使用AndroidListview組件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，Listview是Android中最常用的UI組件之一，能夠清晰地展示列表數(shù)據(jù)，界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單。本應(yīng)用主要設(shè)計(jì)房間列表、設(shè)備列表、操作列表等數(shù)據(jù)，因而選擇Listview組件。使用ListView組件關(guān)鍵在于Android提供的適配器類Adapter。客戶端微博交互模塊主要由發(fā)送線程與監(jiān)聽(tīng)線程構(gòu)成，應(yīng)用可以啟動(dòng)多個(gè)發(fā)送線程，監(jiān)聽(tīng)線程只有一個(gè)，當(dāng)用戶操作發(fā)送命令時(shí)，啟動(dòng)發(fā)送線程，發(fā)送命令消息，同時(shí)向監(jiān)聽(tīng)線程注冊(cè)對(duì)應(yīng)的微博ID進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)；當(dāng)監(jiān)聽(tīng)線程獲得返回結(jié)果后，發(fā)送廣播通知；BroadcastReciever接受廣播更新界面。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可以選擇SQlite和SharedPreferences，由于應(yīng)用中使用到的數(shù)據(jù)較少，實(shí)現(xiàn)中選擇使用SharedPreferences。實(shí)現(xiàn)SharedPreferences存儲(chǔ)的步驟如下：1、根據(jù)Context獲取SharedPreferences對(duì)象；2、利用edit()方法獲取Editor對(duì)象；3、通過(guò)Editor對(duì)象存儲(chǔ)key-value鍵值對(duì)數(shù)據(jù)；4、通過(guò)commit()方法提交數(shù)據(jù)[8]。

5系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

調(diào)試的主要目的是測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的功能，比如家庭網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間的通信功能、各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能、通過(guò)短信和Web瀏覽器對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的功能。內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)調(diào)試調(diào)試的主要任務(wù)是測(cè)試家庭網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間的通信功能是否通暢、各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能是否完整、網(wǎng)關(guān)各項(xiàng)功能是否正常。具體調(diào)試步驟如下：(1)使用九針串口線連接協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電，開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)啟路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)；(2)打開(kāi)網(wǎng)關(guān)軟件，開(kāi)啟數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，開(kāi)啟設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)；(3)驗(yàn)證新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)關(guān)軟件對(duì)內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息管理功能正常，能夠得到正確的節(jié)點(diǎn)信息并進(jìn)行存儲(chǔ)；(4)等待定時(shí)環(huán)境信息檢測(cè)，網(wǎng)關(guān)軟件能正常顯示各房間溫濕度信息；(5)對(duì)已加入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地控制操作，驗(yàn)證各節(jié)點(diǎn)功能完整，工作正常。遠(yuǎn)程控制功能調(diào)試主要測(cè)試客戶端通過(guò)開(kāi)放平臺(tái)控制設(shè)備的功能能否實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)部分遠(yuǎn)程控制與本地控制使用同一模塊，控制部分功能在上一步已經(jīng)驗(yàn)證。本步調(diào)試主要驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)與客戶端通信是否正常、命令解析功能是否正常、用戶權(quán)限管理功能是否生效。具體調(diào)試步驟如下：(1)網(wǎng)關(guān)軟件登陸微博，設(shè)置用戶權(quán)限；(2)打開(kāi)移動(dòng)客戶端應(yīng)用，登錄認(rèn)證，測(cè)試各項(xiàng)功能包括獲取房間、設(shè)備、操作列表，操作設(shè)備，獲取房間環(huán)境信息；(3)修改用戶權(quán)限，驗(yàn)證權(quán)限限制功能是否正常[9]。

6結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種利用社交網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)通信媒介的新型遠(yuǎn)程控制的智能家居系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)利用社交網(wǎng)絡(luò)公共開(kāi)放平臺(tái)作為交互媒介，解決了傳統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需要架設(shè)家庭服務(wù)器，依賴固定IP地址的弊端，不再使用家庭端服務(wù)器也使得系統(tǒng)安全性有所提高，此外家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)用能夠適應(yīng)內(nèi)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，保存網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化時(shí)及時(shí)調(diào)整，提高了系統(tǒng)的靈活性。

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作者：陳玲君 單位：紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院