基于Android的智能家居終端設(shè)計與實現(xiàn)*

周時偉 ， 謝維波

(1.華僑大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門361021;2.華僑大學(xué) 廈門軟件園嵌入式技術(shù)開發(fā)實驗室，福建 廈門361008)

自2007年Google推出開源手機(jī)操作系統(tǒng)Android以來，Android的應(yīng)用開發(fā)一時間風(fēng)靡全球，各高科技領(lǐng)域應(yīng)用都在向Android進(jìn)軍。Android的盛行取決于其獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，Android是一款基于Linux內(nèi)核的開源系統(tǒng)，它具有操作系統(tǒng)、中間件和關(guān)鍵應(yīng)用程序。對第三方應(yīng)用開發(fā)完全開放、人員具有較大的自由度[1]。其次，Android應(yīng)用程序的開發(fā)采用Java語言，通過應(yīng)用框架層提供的API，開發(fā)簡單、周期短。第三，Android具有很強(qiáng)的開放性和靈活性。雖然現(xiàn)在市場上已經(jīng)出現(xiàn)各種各樣的智能家居終端，但Android的出現(xiàn)及其廣泛應(yīng)用，使得很多智能家居廠商正投入很大的人力物力進(jìn)行研究開發(fā)基于Android的智能家居終端。

1 Android系統(tǒng)

1.1 Android架構(gòu)

Android是一個包括操作系統(tǒng)、中間件和關(guān)鍵應(yīng)用程序的移動設(shè)備軟件堆。其作為一個開發(fā)式的系統(tǒng)平臺，包含了眾多的功能和龐大的基于Linux的代碼，在用戶空間又分為本地代碼（C/C++）和 Java代碼。Android系統(tǒng)可以分為以下各層次：

自底向上依次為Linux操作系統(tǒng)及其驅(qū)動層、本地代碼框架和Java虛擬機(jī)層、Java框架層和Java應(yīng)用程序?qū)覽2]。在各層之間存在相應(yīng)的分界線接口。如圖1所示。

作為開放式的系統(tǒng)，Android提供了豐富的組件和視圖控件。大部分的開發(fā)只需要調(diào)用Android應(yīng)用框架層提供的API就可以方便地完成，并且在Android的SDK中提供了豐富的實例供參考學(xué)習(xí)，使得應(yīng)用開發(fā)簡單易行。Android各層次的功能如表1所示。

表1 Android各層次功能

1.2 Android應(yīng)用程序的組成

一個程序可以調(diào)用另外一個程序的程序片段。這是Android程序框架的基本設(shè)計理念。例如，在Windows操作系統(tǒng)中，資源管理器可以瀏覽圖片文件，當(dāng)瀏覽到這個圖片文件時，雙擊該圖片文件，便啟動圖片瀏覽軟件。Android的程序理念便是如此,所不同的是,在 Windows中，打開圖片會啟動圖片瀏覽軟件的全部功能，雖然實際上只是需要查看圖片；Android中是把一個程序的功能分為各種不同的程序片段,每個程序片段都能單獨(dú)啟動。

Android 應(yīng) 用 程 序 由 Activity、Service、Broadcast Receiver和Content Provider四大組件構(gòu)成。這四大組件也稱為Android的四種類型的程序片段，且每種類型都可以獨(dú)立運(yùn)行。

Activity在四大組件中最復(fù)雜。從視覺上看，一個Activity占據(jù)當(dāng)前的窗口，響應(yīng)所有窗口事件，具有控件、菜單等界面元素，為用戶提供一個與界面交互的平臺。從內(nèi)部邏輯來看，Activity需要為了保持各個界面狀態(tài)，需要做很多持久化的工作，還需要妥善管理生命周期和一些轉(zhuǎn)跳邏輯。

Service就是剝離了界面的Activity，都是封裝有一個完整的功能邏輯實現(xiàn)，只不過Service不拋頭露臉，默默提供后臺服務(wù)。舉例，當(dāng)用戶處理其他問題時，服務(wù)可以播放背景音樂，或者可以從網(wǎng)上獲取數(shù)據(jù)、計算、提高，提供給活動所需要的結(jié)果。

Broadcast Receiver只能接收廣播，一個廣播可以有很多廣播接收器對它認(rèn)為重要的通知作出反應(yīng)。Android系統(tǒng)提供了一個 sendBroadcast（）方法，Application Framework內(nèi)部調(diào)用該方法發(fā)送廣播，比如有新短信息、有來電等廣播消息，Broadcast Receiver會響應(yīng)這些系統(tǒng)消息的獨(dú)立執(zhí)行單元[4]。

Content Provider提供了一套特殊的可供其他應(yīng)用使用的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以存儲在文件系統(tǒng)中、SQLite數(shù)據(jù)庫中或者其他有意義的形式。實現(xiàn)了一套標(biāo)準(zhǔn)的允許其他用戶檢索、儲存數(shù)據(jù)的方法。通過使用Content-Provider的實例，調(diào)用它的方法。

Intent是Android中一個特殊的類，組件之間的通訊，由Intent協(xié)助完成。Intent負(fù)責(zé)對應(yīng)用中一次操作的動作、動作涉及數(shù)據(jù)、附加數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，Android則根據(jù)此Intent的描述，負(fù)責(zé)找到對應(yīng)的組件，將 Intent傳遞給調(diào)用的組件，并完成組件的調(diào)用。Intent在這里起著實現(xiàn)調(diào)用者與被調(diào)用者之間的解耦作用，如圖2所示。

2 智能家居終端

2.1 終端主要功能

智能家居終端的主要功能如下[5]：

（1）可視對講。室內(nèi)機(jī)與門口機(jī)進(jìn)行可視對講；室內(nèi)機(jī)可以監(jiān)視門口情況；訪客留影；兩個或多個室內(nèi)機(jī)進(jìn)行視頻對話。

（2）家居安防。防區(qū)設(shè)定：對室內(nèi)和室外安裝的監(jiān)視器進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)定；報警：監(jiān)視器偵測到異常發(fā)出報警；家居安防模式設(shè)定：外出、在家、就寢等。

（3）家居控制。燈光控制；窗簾控制；空調(diào)控制；電源控制；燃?xì)忾y控制；電梯控制。

（4）生活資訊。天氣預(yù)報；萬年歷；常用電話；物業(yè)服務(wù)。

（5）系統(tǒng)管理。常用設(shè)置；使用說明；安防設(shè)置；家居設(shè)置。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能如圖3所示。

2.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

整個軟件系統(tǒng)架構(gòu)分為四個層次，每個層次的功能分別如下：

（1）操作系統(tǒng)層。對下為各種硬件設(shè)備提供外圍設(shè)備驅(qū)動，控制硬件工作，如音視頻的采集播放設(shè)備、各類傳感器、攝像頭等；對上為庫函數(shù)提供各種設(shè)備的驅(qū)動接口，以使得上層可以調(diào)用設(shè)備。

（2）庫和接口層。該主要提供給應(yīng)用框架層一些基本的類庫和接口，包括Android的C/C++庫、RTP/RTCP庫和多媒體的處理接口。

（3）應(yīng)用框架層。該層采用模塊化開發(fā)方法，通過使用其下層的函數(shù)庫提供的接口，將實現(xiàn)相同或相似功能的封裝成為一個模塊進(jìn)而供應(yīng)用層來開發(fā)使用。

（4）應(yīng)用層。通過與應(yīng)用框架層提供的模塊相互交互、資源分配等，基于Android的四大組件及其他相關(guān)視圖控件完成界面設(shè)計，為用戶提供一個可視的界面平臺。在該軟件架構(gòu)下，涉及到的功能模塊有信號處理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊、媒體流管理模塊以及信息存取模塊。

2.3 功能模塊的實現(xiàn)

2.3.1 主控制模塊

最上層為主控制模塊，是系統(tǒng)的主要模塊，通過使用Android的各種組件和控件，在應(yīng)用層實現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能。一方面，通過 Android的資源文件如布局、菜單、視圖等提供的各種類和方法來完成系統(tǒng)的GUI設(shè)計，提供給用戶一個統(tǒng)一的圖形化接口給用戶。另一方面，通過使用應(yīng)用框架中的信號處理、網(wǎng)絡(luò)管理、媒體流管理、信息存儲等功能模塊接口，分別實現(xiàn)門磁控制、家居安防、家居控制、生活資訊、可視對講及系統(tǒng)管理的功能。在此模塊中的門磁控制可以直接控制房門的開關(guān)[6]。

所有的功能都聚集在主模塊中，這就需要一個合理的布局才能使系統(tǒng)使用起來比較協(xié)調(diào)。由于每個Activity中包含一個Window，每個Window中包含一個View Group，而每個View Group中包含更多的View和View Group。在主模塊中的布局如圖4所示。

2.3.2 信號處理模塊

信號處理模塊是為實現(xiàn)家居安防和家居控制來提供服務(wù)的。主要是接收一些傳感器信息，然后針對各種傳感器做出相應(yīng)的處理，或者是將內(nèi)部命令發(fā)送給各個外圍傳感器。在Android操作系統(tǒng)中內(nèi)置了很多傳感器，在部分軟件中可以自動識別屏幕的橫屏、豎屏方向來改變屏幕顯示布局。下面是Android支持的幾種傳感器：

SENSOR_TYPE_LIGHT：亮度傳感器；

SENSOR_TYPE_PRESSURE：壓力傳感器；

SENSOR_TYPE_TEMPERATURE：溫度傳感器；

SENSOR_TYPE_ORIETATION：方向傳感器。

這些傳感器都為應(yīng)用程序提供了API，通過API的調(diào)用就可以方便地實現(xiàn)各種需求，如溫度超過某一值時自動報警等。對于煙霧傳感器等外圍設(shè)備送來的信號，在系統(tǒng)中把Message交付給相應(yīng)的Handler處理，輸出最終結(jié)果。

如果需要使用一些外圍設(shè)備如關(guān)閉電視、空調(diào)等家用電器，在系統(tǒng)可以觸發(fā)一個信號，經(jīng)由Handler處理之后發(fā)送到相應(yīng)的智能設(shè)備。消息處理過程如圖5所示。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)管理模塊

網(wǎng)絡(luò)管理模塊主要為生活資訊提供服務(wù)。此模塊提供服務(wù)的分為兩種。一種為局域網(wǎng)服務(wù)，如物業(yè)服務(wù)。這里實現(xiàn)起來比較簡單，用戶根據(jù)系統(tǒng)所提供的設(shè)備名稱向中心管理機(jī)報備需要服務(wù)的設(shè)備。例如：點(diǎn)擊某個設(shè)備，終端向中心管理機(jī)發(fā)送一條“智能設(shè)備需要服務(wù)”指令。物業(yè)收到該指令后，會主動聯(lián)系該用戶。另一種為Intenet服務(wù)，需要提供各種信息的Web服務(wù)，如天氣。

2.3.4 媒體流管理模塊

媒體流管理模塊是為可視對講提供服務(wù)的。在系統(tǒng)中通過調(diào)用Android的OpenCORE接口來實現(xiàn)音視頻的編解碼。OpenCORE是Android多媒體框架的核心，所有Android平臺的音頻、視頻的采集以及播放等操作都是通過它來實現(xiàn)的。它主要包含了兩個大方面的內(nèi)容：

PVPlayer：提供媒體播放器的功能，完成各種音頻、視頻流的回放功能。

PVAuthor：提供媒體流記錄的功能，完成各種音頻、視頻流以及靜態(tài)圖像的捕獲功能。

當(dāng)門口機(jī)需與室內(nèi)機(jī)請求對講時，室內(nèi)機(jī)只需要對門口機(jī)傳輸過來的音視頻進(jìn)行解碼播放,即Android調(diào)用MediaPlayer類用來播放音頻、視頻。

當(dāng)兩個室內(nèi)機(jī)進(jìn)行視頻對講時，雙方機(jī)器要同時進(jìn)行音視頻的編碼解碼。這時就要同時調(diào)用MediaPlayer類和MediaRecorder類。MediaRecorder類用來進(jìn)行媒體采樣，包括音頻和視頻。

2.3.5 信息存取模塊

信息存取模塊主要為系統(tǒng)管理提供開發(fā)接口以實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理。如智能家居系統(tǒng)的終端系統(tǒng)管理模塊主要提供本機(jī)設(shè)置、安防設(shè)置、家居設(shè)置、使用幫助等功能。本機(jī)設(shè)置包括本機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、樓棟單元號房間號設(shè)置、密碼設(shè)置等；安防設(shè)置可以對室內(nèi)的各個安防設(shè)備進(jìn)行布防和撤防設(shè)置；家居設(shè)置則可以調(diào)整家用電器的斷電或啟動時間；使用幫助則是關(guān)于本機(jī)的使用說明。設(shè)置的一般過程為先通過相應(yīng)的get方法獲得要設(shè)置的狀態(tài)，然后通過set方法保存設(shè)置。

2.4 模塊封裝

本文開發(fā)是按照Android開發(fā)規(guī)范進(jìn)行，應(yīng)用層使用Java語言，在底層的一些本地庫和接口開發(fā)過程中，考慮到代碼的使用效率及開發(fā)的簡易性，采用了JNI，是由C/C++語言實現(xiàn)的。如圖6為實現(xiàn)效果圖。

整個系統(tǒng)充分利用了Android內(nèi)部資源，極大地提高了開發(fā)效率。測試結(jié)果表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性極高，具有較強(qiáng)的實用性。

[1]邵長彬，張重陽，鄭世寶.基于 Android的可視 IP電話多媒體終端設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2011，3(6)：62-65.

[2]柯元旦，宋銳.Android程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2010：12-35.

[3]尹浩，陳美鑾，黎飄.基于 FPSLIC的網(wǎng)絡(luò)家居終端系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2006,27(8)：1442-1445.

[4]楊豐盛.Android應(yīng)用開發(fā)揭秘[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009：188-219.

[5]金鑫.基于ARM-Linux的智能家居網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù),2010,6(7)：1612-1618.

[6]宋小青，周東升.基于Android平臺的應(yīng)用開發(fā)研究[J].軟件導(dǎo)刊,2011,10(2)：104-106.