基于Android的物聯網控制系統的設計與實現*

孫國峰，胡景春

（南昌航空大學 研究生學院，江西 南昌 330063）

目前無線通信處于3G/4G時代，中國移動GPRS業務全面投入運營，無線數據通信的發展和應用向著愈來愈廣泛和深入的領域發展[1]。遠程測控技術并不是一項新的技術，然而由于移動通信網的介入，使之煥發出新的光輝。因此，隨著智能手機的迅速發展，Android操作系統作為最流行的操作平臺，充分利用無線通信的現有資源，開展遠程物聯控制是遠程控制充滿活力的發展方向，網絡遠程控制技術也是物聯網建設的基本方向之一[2]。

本系統是基于Android操作系統平臺，將傳統的遠程控制技術向基于無線通信網的移動終端設備的方向轉變，實現了一種為移動客戶端提供遠程無線測控的方案。該方案能夠對遠程數據進行實時監控，提高工作效率，也增加了遠程控制的靈活性。

1 Android操作系統平臺

Android操作系統是谷歌發布基于Linux平臺的開源手機操作系統。該平臺由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成，是首個為移動終端打造的真正開放移動軟件，其開放的平臺允許任何人在終端設備上開發[3]。Android所包含的功能如下：

（1）APPLICATIONS（應用程序層）：Android 裝配了一個核心應用集合，包括短信、日歷、地圖、通信錄等。所有應用程序都是用Java語言編寫的。

（2）APPLICATION FRAMEWORK （ 應 用 程 序 框 架層）：Android具有強大的應用層API和豐富的傳感器功能，所有的應用程序其實是一組服務和系統，主要包括如下內容：視圖（View）；內容提供者（Content Providers）；資源管理器 （Resource Manager）； 通知管理器（Notification Manager）；活動管理器（Activity Manager）。

（3）LIBRARIES （庫）：Android 包含一個 C/C++庫的集合，用來提供給Android系統多種組件使用，這些功能通過Android的應用程序框架來提供給開發者。

（4）ANDROID RUNTIME （Android 運行時）：Android包含一個核心庫的集合，提供大部分在Java編程語言核心類庫中可用的功能。每一個Android應用程序是Dalvik虛擬機中的實例，運行在自己的進程中。

（5）LINUX KERNEL （Linux 內 核 ）：Android 基 于Linux2.6提供核心系統服務，例如安全、內存管理、進程管理、網絡堆棧、驅動模型等。作為硬件和軟件之間的抽象層，它隱藏具體硬件細節而為上層提供統一的服務[4]。

2 硬件平臺

該物聯網無線測控系統的硬件平臺主要由STC12C5A60S2單片機、WISMO228無線通信模塊、I/O測控接口、本地串行通信接口等資源組成。硬件總體框架設計如圖1所示。

圖1 硬件總體框架

微控制器選用8 bit STC12C5A60S2系列單片機，其指令格式完全兼容8051，但速度要快8～12倍。GPRS模塊選用基于GSM/GPRS的工業級無線通信模塊WISMO228，可直接由單片機串行口連接并通過AT命令控制等特性，能很好地適應物聯網對遠程測控的要求。以太網控制器選擇高度集成的全雙工以太網接口芯片RTL8019AS。

固件程序的主要功能包括初始化228模塊、生成短消息、解析短消息、有線和無線網絡的通信、控制I/O設備等。

3 終端應用程序開發

3.1 系統方案

（1）系統開發環境：本系統使用 Android 應用開發工具和API接口，基于JDK+Eclipse+ADT插件 +SDK的開發環境。

（2）系統設計流程：系統通過Activity管理相應功能。首先進入LOGO界面，然后跳轉到登錄界面，驗證成功即可進入TabView界面，創建異步任務，進行異步操作，這樣能夠提高處理速度，使軟件更加健全可靠。軟件系統架構如圖2所示。

圖2 軟件系統架構圖

（3）模塊化設計：系統客戶端軟件主要包括界面模塊、數據庫模塊和功能控制模塊3個部分。

3.2 設計與實現

圖3 閃屏界面

圖4 登錄界面

3.2.1 UI布局實現

Activity是Android的核心類，是一個用來提供屏幕與用戶交互的應用組件[5]。Activity類通過 onCreat（）方法來初始化，由setContentView （）方法指定一個布局（layout）文件，顯示布局文件的內容。UI布局實現如下：

（1）Logo界面的實現：閃屏的實現有多種方法，這里設計了LogoActivity用于Logo展示，布局文件logo_layout.xml中只需添加一個背景圖片； 在 Android中，TimerTask相對于Thread資源消耗更低[6]，通過巧用 TimeTask的周期功能，進行3 s后將自動跳轉到下一級界面。設計效果如圖3所示。

（2）登錄 UI的實現

Activity本身無法顯示在屏幕上，而需要借助于視圖（View）和視圖組（ViewGroup）[7]。 Android 應用通常通過使用View和ViewGroup配合xml布局文件來進行界面設計。

本系統利用了Android中提供的布局方式 （即在最外層的LinearLayout下分為4個內層的LinearLayout布局的方式），并且使用了系統提供的文本控件TextView、文本編輯框控件EditText、按鈕控件 Button、復選框控件CheckBox等。設計效果如圖4所示。

（3）賬戶管理界面

在Android中，ListView是一個比較難于使用的控件，一個ListView通常有兩種功能，一是將數據填充到布局；二是處理用戶的選擇點擊等操作[8]。ListView以列表的形式展示具體內容，并且能夠根據數據的長度自適應顯示。一個ListView的創建需要3個元素：ListView中的每一列的View；填入View的數據或者圖片等；連接數據域ListView的適配器[9]。

在本系統中設計了account_item.xml和account_manager.xml兩個布局文件，分別用來實現ListView中每個item對應的View和管理賬戶界面AccountManagerActivity對應的布局。本視圖通過自定義AccountManagerActivity繼承BaseAdapter實現數據綁定、accountList與ListView列表項一一對應。其代碼如下：

圖5 賬戶管理界面

圖6 系統主界面

設計效果如圖5所示。

（4）系統主界面設計

該系統主界面的設計主要通過Android自帶的TabWidget控件來實現。首先為Activity綁定一個布局，該布局必須以一個id為 android：id = "@android：id/tabhost"的為根標簽，并且該根標簽下必須包含一個id 為 @android：id/tabs 的TabWidget控件來實現Tab和一個 id 為 @android：id/tabcontent的FrameLayout來顯示布局內容。

TabHost是 Tab的核心類，是Tab的容器。TabHost.TabSpec類的一個對象即為一個Tab，該對象通過 TabHost類的addTab方法來添加，其代碼如下，設計效果如圖6所示。

控制器1完成對電視機的控制功能。當設定的定時時間點擊確定按鈕，即開始對電視機進行開機或關機操作；獲取控制器的響應信息，顯示定時完成狀態；在獲取控制器響應信息之前，顯示正在定時狀態（如控制器2對冰箱的啟動或關閉狀態控制）。

3.2.2 數據庫設計

本系統在使用過程中會頻繁對數據進行操作，而對存儲卡文件進行增、刪、改、查操作。為了提高效率，這里采取占用資源小的SQLite數據庫機制[10]。但數據庫并不能自身進行操作，只有通過一個繼承了SQLiteOpenHelper的類對象調用相應的函數進行操作。這里定義了一個DBHelper繼承SQLiteOpenHelper。為了代碼重用，對賬戶管理操作和終端數據操作分別寫了兩個基類UserInfoServices和RmcsInfoServices來處理最底層的訪問；數據庫里的每一行記錄與UI列表的每一項一一對應。

根據需求分析，本系統涉及兩個表：UserInfo、RmcsInfo，分別用于保存賬戶信息和終端數據信息，其數據結構分別如表1和表2所示。這兩個表分別由UserInfoServices和RmcsInfoServices類管理。在DBHelper類的onCreate方法中通過執行數據庫execSQL方法動態創建這兩個表。其代碼如下：

表1 UserInfo表

表2 RmcsInfo表

另外,在UserInfoServices中主要封裝對賬戶的增、刪、改、查操作；在RmcsInfoServices中主要封裝對終端數據的相應操作。主要采用的數據庫操作方法如下：

（1）db.insert（table，nullColumnHack，values）向數 據 庫中插入一條記錄。

（2）db.delete（table，whereClause，whereArgs）從數據庫中刪除一條記錄。

（3）db.update（table，values，whereClause，whereArgs）更新數據庫中的一條記錄。

（4）db.query （table，columns，selection，selectionArgs，groupBy，having，orderBy）在數據庫中查詢一條記錄，該方法返回的是一個Cursor對象。

3.2.3 GPRS通信模塊設計

物聯網無線測控系統的嵌入式微控制器與本地電器終端設備進行數據通信，以獲得電器設備的運行狀態參數，通過GPRS模塊發送到GPRS網絡中。手機終端的GPRS接收模塊可以接收經無線網絡傳遞進來的數據進行處理，同時還可以由GPRS發送模塊將封裝后的測控數據傳送到終端設備，從而在物聯網平臺上對電器終端設備的開關，實現定時、排除異常、報警等監控功能。

具體設計如下：

（1）首先判斷是否接入網絡。在Android手機中可以通過 ConnectivityManager類的 isAvailable（）方法判斷是否已聯網，查看返回結果判斷網絡連接是否有效，如果為true，則表示當前 Android手機已經聯網；為 false則表示沒有聯網。其代碼如下：

（2）使用過程中必須建立GPRS連接，其代碼如下：

（3）Android平臺的網絡應用絕大部分都是基于Java的編程接口，這里同樣采用了基于標準的Java接口。步驟如下：創建URL以及URLConnection/HttpURLConnection對象，設置連接參數，連接到服務器，向服務器讀、寫數據等通信控制。其代碼如下：

（4）最后要在AndroidManifest.xml文件中加入權限：

3.2.4 SMS通信模塊設計

（1）Android SDK提供了用于直接發送短信的SmsManager類[11]。通過 sendTextMessage方法可以指定目標電話號碼和短信內容。其代碼如下：

（2）Android系統只要接收到短信，就會發一個廣播。因此，這里定義SMSReceiver繼承廣播接收器BroadcastReceiver，重寫 onReceive（）方法，用來監聽手機接收到的短信。此時要在AndroidManifest.xml文件中定義這個廣播接收器。其代碼如下：

（3）最后在配置文件中設置如下權限：

4 測試與結論

應用程序設計完成后，就可以在Android SDK提供的AVD虛擬機上成功運行，并且在基于Android平臺的移動終端上測試運行。本測試環境下使用的移動終端采用華為C8650，該機型采用Android2.3.3系統版本。

將完成的應用程序中的RMCSoftware.apk文件安裝在手機中，即可運行程序。經多次測試，手機客戶端能夠通過GPRS模塊和SMS模塊分別檢測和控制終端設備的運行狀態，并能夠正確地發送和接收數據，對數據進行封裝和處理，可在較短的時間內實現對設備的定時、排除異常等功能，應用程序運行良好，滿足了無線測控系統的功能需求。

[1]王瑩.物聯網為嵌入式帶來的機遇[J].電子產品世界，2010（5）.

[2]劉強，崔莉，陳海明，等.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學.2010（6）.

[3]裴佳迪，馬超，孫仁貴，等.Google Android應用開發全程實錄[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[4]姚昱旻，劉衛國.Android的框架與應用開發研究[J].計算機系統應用，2008（11）.

[5]孟小華，陳傳凱.Android平臺手機來電及短信防火墻關鍵技術研究 [C].2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System.2010.

[6]張仕成.基于Google Android平臺的應用程序開發與研究[J].電腦知識與技術，2009（28）.

[7]趙亮，張維.基于 Android技術的界面設計與研究[J].電腦知識與技術，2009（29）.

[8]韓超，梁泉.Android系統原理及開發要點詳解 [M].北京：電子工業出版社，2010.

[9]耿東久，文軍.基于Android手機的遠程訪問和控制系統[J].計算機應用，2011，31（2）.

[10]Android如何使用 SQLiteOpenHelper[EB/OL].http：//www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/06/14/1758284.html
.

[11魏化勇.基于 3GAndroid的 SMS應用研究[J].計算機光盤軟件與應用，2011（11）：191-183.