王菲露 袁壯 閔祥輝 李晨 權(quán)宇

摘要：針對不同家庭內(nèi)部的應(yīng)用環(huán)境，基于Android技術(shù)提出并設(shè)計了一種低功耗且易移植的智能家居控制系統(tǒng)。利用Android提供的語言、圖像、系統(tǒng)主題等資源通過WiFi通信建立智能家居控制終端軟件，并利用STM32數(shù)字電路頻率高且模擬電路敏感度強(qiáng)的特點(diǎn)建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，使軟件客戶端既可以手動遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)家用設(shè)備，也能夠通過主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各種參數(shù)閾值的判斷并進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理結(jié)合不同用戶的個性化需求，將安全、電器控制、場景聯(lián)動、家居互聯(lián)等與家庭生活相關(guān)的各個子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了家用電器的本地控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合。該智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)備簡單、成本較低、易于移植和擴(kuò)展，既適用于家庭用戶，也可拓展學(xué)校等領(lǐng)域的智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用面廣。

關(guān)鍵詞：Android;WiFi;物聯(lián)網(wǎng);遠(yuǎn)程控制;自動化控制

中圖分類號：TP23? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

文章編號：1009-3044（2021）02-0012-02

Abstract： Aiming at the application environment in different families， a kind of intelligent home control system with low power consumption and easy migration is proposed and designed based on Android technology. Using Android provides language， image， system of subject resources such as WiFi communication to build smart home control terminal software， and use the STM32 high frequency digital circuit and analog circuit sensitivity is strong to establish the characteristics of closed loop control system， the software client can be either manual remote control of household equipment， also can be implemented through the main control system for various parameters threshold judgment and automatic adjustment. According to the principle of ergonomics and the personalized needs of different users， each subsystem related to family life， such as safety， electrical control， scene linkage and home interconnection， is organically combined together to realize the combination of local control and remote control of household appliances. The intelligent control system hardware equipment is simple， low cost， easy to transplant and expand， not only suitable for home users， but also can be extended to schools and other fields of intelligent control system， wide application.

Key words：Android;WiFi;the internet of things;the remote control;automatic control

如今大多數(shù)人把手機(jī)作為接入互聯(lián)網(wǎng)的首選設(shè)備，因此本系統(tǒng)選擇手機(jī)作為智能處理終端。研究公司Gartner近日的一項(xiàng)調(diào)查顯示，全球2019出售的智能手機(jī)中，搭載Android系統(tǒng)的智能手機(jī)市場占有率高達(dá)85.9%，因此擁有龐大市場占有率的Android系統(tǒng)是個不可替代的開發(fā)系統(tǒng)[3]。通信傳輸協(xié)議方面，Android對UDP和TCP協(xié)議都有很好的支持。TCP相對于UDP具有面向連接、可靠性高、測量精準(zhǔn)等優(yōu)勢，但是傳輸速率較慢、要求資源較多。綜合考慮后，本智能檢控系統(tǒng)選擇可靠性較強(qiáng)的TCP協(xié)議進(jìn)行開發(fā)研究。本系統(tǒng)的開發(fā)為同類項(xiàng)目的研發(fā)提供了良好的技術(shù)積累、提高其便捷性和可移植性。

由于實(shí)際生活中常用電器設(shè)備的不統(tǒng)一性，往往需要進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化才能適應(yīng)現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)的需求。而通過無線網(wǎng)絡(luò)把常用家電連接在一起，則無須重新布線，且具有傳輸速度快、功耗低、便于安裝和維修等優(yōu)點(diǎn)。通過標(biāo)識IP地址和端口號，主控制器可以與其他子設(shè)備之間自動建立連接，方便自動查詢設(shè)備身份和獲取服務(wù)信息。因此，本文在建立WiFi通信基礎(chǔ)上，提出基于Android設(shè)計開發(fā)的智能檢控系統(tǒng)具有良好技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

總體方案設(shè)計如圖1所示，主控中心一方面通過WiFi網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)或其他移動客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另一方面通過布線網(wǎng)絡(luò)對智能檢控系統(tǒng)模塊進(jìn)行電氣控制和環(huán)境數(shù)據(jù)采集。依照國際標(biāo)準(zhǔn)對煤氣泄漏、PM2.5超標(biāo)、火情的發(fā)生等情況進(jìn)行檢測并對危險情況進(jìn)行報警，提醒用戶做出處理。用戶也可以通過App的客戶端來選擇自動調(diào)節(jié)和手動調(diào)節(jié)兩種模式。手動模式下，用戶可基于終端軟件控制App客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)電器的功能;自動模式下，用戶只需提前設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)的閾值，主控中心會依據(jù)現(xiàn)場情況和預(yù)設(shè)方案自動對超出閾值的參數(shù)做出相應(yīng)反饋并進(jìn)行處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 技術(shù)路線

本智能檢控系統(tǒng)的主控中心是整個系統(tǒng)的總控制器。由于STM32F4片內(nèi)各種接口資源豐富，指令功能強(qiáng)大。且其具有數(shù)字電路頻率高、模擬電路的敏感度強(qiáng)、有效抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用STM32F4微控制器。通過主控中心上的人機(jī)交互控制界面，實(shí)現(xiàn)對家庭常用設(shè)備的智能化調(diào)節(jié)和檢控。同時，根據(jù)不同環(huán)境的操作特性設(shè)置對應(yīng)的智能化傳感器如溫度傳感器、煙霧傳感器、光強(qiáng)度傳感器等，這些傳感器及其特定電路模塊構(gòu)成子控制器模塊系統(tǒng)并通過WiFi模塊相互連接。

主控中心是智能檢控系統(tǒng)的核心。 相關(guān)軟件設(shè)計主要包括： 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議、WiFi模塊間通信協(xié)議和基于WiFi模塊的家庭電器調(diào)節(jié)控制程序設(shè)計。采用WiFi模塊設(shè)計各種傳感器驅(qū)動器，控制終端軟件客戶端與WiFi模塊串行通信的程序設(shè)計，控制接口程序設(shè)計，主控中心的歷史信息存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時采集和詳細(xì)分析。如果出現(xiàn)異常狀態(tài)，則將狀態(tài)信息和異常分析結(jié)果實(shí)時反饋到控制中心，并報警提醒用戶，大大提高了家用設(shè)備的安全性、增強(qiáng)了人機(jī)交互體驗(yàn)感，提升了智能系統(tǒng)的使用效率。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示。

3 終端軟件的設(shè)計

3.1 界面設(shè)計

客戶端可實(shí)時同步顯示傳感器采集到的室內(nèi)傳感器所測得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。在各項(xiàng)數(shù)據(jù)的具體顯示頁面，都設(shè)置有不同控制功能的操作按鈕，可以對相應(yīng)的智能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)與控制。當(dāng)系統(tǒng)判斷環(huán)境參數(shù)臨近或達(dá)到危險臨界值的時候，會把顯示界面替換成醒目的背景顏色，加深字體顏色等以提醒用戶潛在危險情況的發(fā)生。

3.2 功能設(shè)計

在Android客戶端，主要負(fù)責(zé)的功能包括：接收來自主板的數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示數(shù)據(jù)、實(shí)時提醒用戶、保存以往數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的判斷;獲取數(shù)據(jù)后對獲取的多組同一連續(xù)時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢測，舍棄明顯與實(shí)際情況不符合的信息，并分析造成錯誤數(shù)據(jù)的具體原因。在判斷完數(shù)據(jù)的正確性后，將數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定的閾值進(jìn)行比對，并將正確數(shù)據(jù)顯示在應(yīng)用首頁。對比結(jié)果以不同顏色的背景變化、字體變化等形式體現(xiàn)在首頁上，若采集到的參數(shù)超過用戶設(shè)定的閾值，則需要向操作系統(tǒng)發(fā)布Broadcast，以便讓用戶切換到其他應(yīng)用或者在未解鎖應(yīng)用的時候獲取實(shí)時消息。為了很好地實(shí)現(xiàn)上述功能，我們在系統(tǒng)中設(shè)置了注冊服務(wù)，使應(yīng)用可以隨時檢測并記錄數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在本地，以便日后隨時訪問與監(jiān)控。

移動端設(shè)備建立Socket通信獲取數(shù)據(jù)時，利用已知的IP地址及相應(yīng)的端口號即可使用套接字通訊對檢測到的參數(shù)進(jìn)行更新，此時Android客戶端程序會調(diào)用Socket（）建立套接字與硬件的服務(wù)器端進(jìn)行套接字通訊，并分別通過accept（）、connect（）建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最后通過close（）關(guān)閉套接字并將獲取的數(shù)據(jù)通過更新UI的方式顯示出來，從而完成一次數(shù)據(jù)更新。功能設(shè)計流程圖如圖3所示。

Android中不允許在子線程中進(jìn)行UI的更新等操作，但在主線程直接進(jìn)行UI操作又會造成阻塞，會使App產(chǎn)生運(yùn)行卡頓的效果。而利用runOnUiThread（）方法將當(dāng)前線程切換到主線程，在此方法中執(zhí)行UI更新操作、對采集到的正確數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并轉(zhuǎn)化成國際單位進(jìn)行顯示。同時可以及時對UI進(jìn)行更新來達(dá)到多次采集數(shù)據(jù)并依次顯示的效果。

4 系統(tǒng)結(jié)果和性能分析

通過一系列反復(fù)實(shí)驗(yàn)與測試，如標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)期性能指標(biāo)測試、單一功能加壓測試、復(fù)雜場景測試等，本系統(tǒng)在硬件設(shè)計和終端軟件開發(fā)符合預(yù)期要求，能夠較好地滿足用戶對常用家電設(shè)備的實(shí)時智能管控?；贏ndroid的智能檢控系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于日常家居環(huán)境。也可根據(jù)應(yīng)用子系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行增減，或者選擇不同級別靈敏度的傳感器和反饋端的設(shè)施，以達(dá)到低成本、高性價比的實(shí)用目的。通過對數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)的限制，軟件終端能精確地執(zhí)行用戶的遠(yuǎn)程指令，同時由于我們選取的是168MHz高主頻的STM32F4作為主控，所以對閾值的判斷速度極快，能在完全確保用戶安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)用戶的個性化需求。

5 結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)了基于Android的智能檢控系統(tǒng)的開發(fā)，擴(kuò)展了智能檢控系統(tǒng)的軟硬件使用范圍，滿足了用戶對智能家居的多樣化需求。結(jié)合軟件工程理論，對系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，根據(jù)需求層次，本系統(tǒng)充分考慮用戶的體驗(yàn)和使用環(huán)境，提供手動和自動模式的自由選擇，大大提高了用戶的臨場感和人機(jī)交互體驗(yàn)。本系統(tǒng)將Android技術(shù)融入閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用中，充分利用智能傳感器功能，實(shí)現(xiàn)對多樣化的家電設(shè)備的實(shí)時調(diào)節(jié)和控制。經(jīng)反復(fù)測試，本系統(tǒng)功能可靠穩(wěn)定，性價比高，滿足用戶需求，大大提高了智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用質(zhì)量。

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