基于物联网的智能家居监控系统设计与实现
2016-10-17刘青
刘青
（滁州职业技术学院信息工程系，安徽滁州239000）
基于物联网的智能家居监控系统设计与实现
刘青
（滁州职业技术学院信息工程系，安徽滁州239000）
随着物联网、移动通信、互联网+等技术的快速发展及应用，时尚、便捷与智能的家居生活体验已不再是幻想，文章主要论述移动智能家居远程监控系统的设计与实现.系统终端节点采用CC2530与Zigbee技术进行数据采集与控制，网关上采用WIFI模块进行网络通信，智能终端监控以Android系统为平台.实现了远程移动的温度、湿度的数据采集、可燃气体检测与报警、人体感应，模拟了窗帘、门等设备的控制功能与状态检测，系统测试稳定.该系统具有很强的扩展性、移植性，可以拓展应用到宾馆、超市、工厂等场所，具有较高的应用价值.
物联网；智能家居；Android；传感器
随着国民经济快速发展，生活水平不断提高，以及近年来持续的PM2.5污染，人们对健康、舒适、智能的家居生活环境需求更加迫切，智能家居[1]（smart home,home automation）是一种趋势，未来的生活将会具有更高的智能化、更低的能源消耗和更有效的可再生能源利用.智能家居融合了自动控制技术、感知技术、移动通信技术、音视频处理技术等，它最早于20世纪70年代起源于美国，90年代末进入中国，当前，虽在我国一些区域也出现不少相关智能设备（例如：智能感应灯、空调的远程控制等），但还缺少相关的技术标准，智能家居在我国还处于发展阶段.本文基于物联网相关技术设计实现了一套智能家居系统，在Android操作系统的智能手机上安装开发的App[2]，即可轻松实现对家居环境的远程监控.
1 系统架构设计
基于物联网的智能家居监控系统架构见图1，系统中每一个终端节点根据需要与继电器、电机以及各种传感器相连，终端节点使用TI公司的CC2530处理器进行数据采集与控制[3]，使用Zigbee协议进行快速组网.网关采用RAM Cortex-A8处理器，网关上集成了WIFI和Zigbee模块，两者之间采用内部串口进行通信，Zigbee模块与各Zigbee终端节点间双向通信，WIFI模块接入无线路由器，实现移动终端的Socket通信[4].该系统采用本地主机监控与移动终端远程监控相结合，PC端程序采用VC++开发，移动终端程序采用Android开发，用户使用智能手机或平板电脑即可在家中使用WIFI网络进行智能监控，又可使用3G/4G网络进行远程移动访问（需在家庭无线路由器上开启“虚拟服务器”功能，把网关或本地主机的IP地址、端口号与路由器获取的外网地址做个映射即可）.本文重点介绍终端节点的数据采集、控制和移动终端的软件设计.
图1 基于物联网的智能家居监控系统架构图Fig.1The organization chart of Smart home monitoring system based on the Internet of things
2 采集控制模块设计
本模块开发环境为IAR Embedded Workbench for 8051，ZigBee的协议栈为TI的Z-Stack-2.4.0-1.4.0[5]，以C语言为设计基础，利用SmartRF Flash Pro⁃grammer软件下载程序，系统中使用的每个采集控制节点由CC2530微处理器、Zigbee无线通信、电源（5V）三个基本模块组成，根据节点在智能家居场所位置和实际数据采集控制的需求不同，每个节点上又外接了一种或多种传感器等模块，例如有（DHT11）温湿度传感器、（MQ-2）气体传感器、（HC-SR501）人体红外传感器、步进电机等，每一个节点模块负责指令接收处理，快速组网，数据发送，采集数据，控制设备等，智能手机对家居环境进行远程智能监控.
本文所设计的智能家居系统共使用了7个节点模块，根据实际功能需要可任意扩展，其中一个节点模块设计实现门前智能感应灯（或叫楼道灯），可不连接网络，该节点模块使用人体红外传感器与光敏传感器双重采集控制灯的开关状态，只有当光线较差和有人接近时门前灯才会为开启状态.另外6个节点与网关一起使用Zigbee协议组成了无线传感网络，大门节点使用两个步进电机，通过程序控制电机的正反转，实现门的开关状态；客厅节点模块使用传感器采集温度和湿度，使用继电器控制客厅灯的开关状态；厨房节点模块使用MQ-2烟雾传感器检测可燃气体，使用继电器控制抽风扇，另外又加了一个指示灯与蜂鸣器的报警电路，当传感器检测到可燃气体，传感器的电导率会增大，此时风扇自动启动抽风状态，指示灯和蜂鸣器报警，同时移动终端显示气体异常，为更好利用传感器的性能，需要调节可调电阻Rp恰当的RL值，烟雾传感器的程序流程见图2.系统采集控制模块部分代码如下：
#include
图2 烟雾传感器流程图Fig.2The flow chart on smog sensor
3 智能终端软件设计
本系统终端软件以Android4.1以上版本为操作系统平台，以面向对象JAVA语言为开发基础，以Eclipse4.5.0+ADT23.0.6（android development tools）32位机为开发环境，以Shared Preferences为数据保存方式，系统总体架构设计采用MVC模式[6].智能终端软件的功能模块见图3，依据家居功能区域不同把系统分为5个功能模块（客厅、厨房、卧室1、卧室2、视频监控），依据家居功能需求不同又分为数据采集和设备监控模块.数据采集模块实现家居环境下温度、湿度数据实时采集，可燃气体检测，灯及其他设备工作状态显示等；设备监控模块实现家居中门的开关控制，窗帘升降控制，灯光的亮灭控制，排气扇开关控制、视频实时监控等，开发出的软件可以在An⁃droid智能手机或平板上运行.
图3 App功能模块图Fig.3The APP functional module chart
3.1用户访问管理实现
用户登录界面见图4，系统主要认证用户的帐号和密码是否正确，根据输入的用户和密码，生成JSON格式的数据｛“uname”：“admin”,“psd”：“ad⁃min”｝，如用户信息匹配成功，开始系统加载，进入管理主界面.登陆界面设置“密码记录”选择框功能，登录成功后系统使用Shared Preferences方式保存登录信息.
3.2网络通信实现
本系统的Android应用程序包括两种数据通信，一是程序内部Activity组建与Service组建之间的通信，二是应用程序与网关之间的通信.Android系统内部进程间采用Binder通信机制，Activity将用户交互的数据信息通过Intent启动后台Service组建，Ser⁃vice启动创建一个Socket服务子线程实现外部的网络通信，再用Binder对象将从服务器返回的数据传递给Activity，程序登录成功后，Service创建一个循环子线程实现每隔一段时间向网关发送一次更新数据指令，以便实时数据更新.程序部分代码如下：
Android程序需在AndroidManifest.xml注册文件中添加uses-permission授权语句，"android.permis⁃sion.INTERNET"和"android.permission.ACCESS_ WIFI_STATE"，允许程序使用WIFI信号和访问网络资源.
图4 登录与主界面截图Fig.4The screenshot of login and main interface
3.3数据处理实现
程序使用Handler机制实现数据处理功能，本应用软件处理的数据按功能可分为信息采集和设备控制两种指令.系统经由OnClickListener事件响应，连接网络，新建Handler子线程，调用Looper.loop方法，使用消息循环机制处理Handler队列中的各指令数据[7].程序在void initainHandler()方法中使用switch (msg.what)语句进行消息匹配，从而发送不同的数据指令，程序定义的byte NodeData[][]二维数组，代码为：static byte NodeData[][]=new byte[MAX_NODE] [5]，其中行标的数据[0]表示1号传感板，[1]表示2号传感板…，列标中[0]表示温度，[1]表示湿度，[2]表示气体，[3]表示灯，不同的设备选择高低电瓶为开启或关闭状态，如气体检测为高电平为正常，低电平则为异常.
4 系统测试
本系统设计完成以后，底层无线传感网络数据采集控制程序经过大量（200次以上）高频率（每隔以2s）的测试，总体结果：信号处理延迟很小，数据采集稳定可靠；移动终端Android程序经过多次重复（150次以上）按键、菜单操作，测试数据采集是否正常，指令下发是否顺畅，程序是否会无端死掉，分析是否有bug，测试结果：程序运行正常，数据采集控制良好，客厅数据采集控制和视频远程监控截图状态见图5.
图5 客厅监控与视频截图Fig.5The screenshot of living room monitoring and videoing
5 结语
物联网（Internet of things）是物物相连的网络，它是互联网的延伸,智能家居系统既是物联网的典型应用又是互联网+的家居模式，应用创新是整个系统得以实现的核心.本系统主要工作为四个环节，一是设计实现了基于CC2530处理器和Zigbee协议的数据采集控制终端网络，二是基于Android环境的远程监控平台的设计与实现，三是基础网络调配、硬件平台搭架、程序编写和整个系统各环节的调试工作，四是系统稳定性测试和修改完善工作.本文重点介绍了采集控制终端节点设计与移动终端App的开发，该系统具有兼容性强、易于扩展、实施方便、体验性好等特点，具有很高的商业推广和实际应用价值.
[1]蒋峰.家居智能安全远程无线监控系统的设计[J].计算机测量与控制,2012,20(9):2435-2436.
[2]张晓诺.基于Android的智能家居环境检测系统APP设计与实现[J].软件,2015,36(2):77-79.
[3]刘毅力,焦尚彬.基于CC2530无线传感网络系统的设计[J].现代电子技术,2013,36(3):43-45.
[4]Butler M.Android:changing the mobile landscape[J].Perva⁃sive Computing,IEEE,2011,10(1):4-7.
[5]栾学德.基于ZigBee无线网络的智能温室环境监控系统设计[D].青岛:海洋大学,2013.
[6]孙浩.基于Wi-Fi技术和Android系统的智能家居系统设计[D].徐州:中国矿业大学,2014.
[7]王运红,何灵娜.基于Android平台智能家居客户端的设计与实现[J].机电工程,2014,31(8):1086-1089;1102.
责任编辑：黄澜
Design and Implementation of Smart Home Monitoring System Based on Internet of Things
LIU Qing
（Department of Information Engineering，Chuzhou Vocational and Technical College，Chuzhou 239000，China）
With the rapid development and application of Internet of things,mobile communications,and the Internet plus, the fashionable,convenient and home life experience has been realized.The paper mainly expounds the design and realiza⁃tion of intelligent home remote monitoring system.The data collection and control of system terminal node are adopted by CC250 and Zigbee technology;gateway realizes network communications through WIFI module;the platform of intelligent ter⁃minal monitoring is Android system.It has realized the data collection of remote and mobile temperature and humidity,the test and alarm of combustible gas,and body induction through simulating equipment such as the control function and state test of curtain and door,and the result of system test is stable.The system features strong expansible and transplantable, which may be applied to hotels,supermarkets,factories,etc.Therefore,the application value is high.
interet of things；smart home；android；sensor
TP393-34
A
1674-4942（2016）01-0040-04
2015-11-22
安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目（KJ2014A189）；滁州职业技术学院校科重点项目（YJZ-2015-07）
