基于Android 和云平臺的智能家居系統設計與實現

武一，張圣鵬，丁涵

( 河北工業大學電子信息工程學院，天津300401)

WU Yi，ZHANG Shengpeng，DING Han

(School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

在“互聯網+”模式快速發展的背景下，智能家居的發展更加依賴于互聯網，手機作為人們日常的通信工具，是智能家居系統中最便捷的控制終端。智能家居系統發展過程中一直存在一些亟待解決的問題，如異常報警抓拍圖像的存儲、短信報警信息模式單一以及Android 客戶端接入及控制等。結合人們對智能家居的發展需求，本文設計了一種“云+端”的智能家居模式［1］，以嵌入式網關作為服務器端，以Android 手機作為客戶端的智能家居系統，并結合云平臺相關技術，實現云推送報警信息，報警圖像云存儲，提高系統的實用性。

1 系統方案整體設計

圖1 系統總體結構

本設計主要分為網關、客戶端、家庭內部無線網絡。網關作為本系統的核心，通過串口接收來自ZigBee 網絡的數據，與家電控制模塊進行UDP 通信，移植了Boa 服務器和MJPG－streamer 視頻服務器，對客戶端的http請求進行響應，異常情況下向用戶手機推送報警消息并拍照上傳圖像云存儲。客戶端為Android 手機客戶端，可以通過用戶界面查看家庭的環境信息以及控制家電，根據情景設定不同模式，通過視頻監控遠程查看家庭實時畫面以及查詢Yeelink 平臺云存儲的報警圖像。家庭內部網絡以低功耗的ZigBee 模塊組成無線傳感網絡采集溫度、濕度、光照、煙霧、天燃氣、人體紅外等環境參數。家電控制模塊采用帶學習功能的紅外和315 MHz、433 MHz 射頻轉發模塊，給智能燈光開關、智能窗簾、空調發送發送控制命令，并且集成了WiFi 模塊，與網關通過UDP 協議進行通信。系統的結構如圖1。

2 硬件平臺設計

該系統硬件主要為嵌入式網關模塊和ZigBee 模塊。嵌入式網關采用S3C2440AL 作為CPU 處理器，ARM920T 內核，主頻為400 MHz，最高可達533 MHz，配備256 Mbyte 的Nand Flash、2 Mbyte 的Nor Flash、64 Mbyte 的SDRAM 以及串口、網卡等基本模塊。串口與ZigBee 協調器連接，接收并存儲家庭環境數據。網關系統接入Internet 網絡，并接收來自Android客戶端的數據請求。ZigBee 模塊以TI 公司的CC2530 芯片為核心構成，擁有優秀的RF 性能和業界標準增強8051MCU 內核，支持一般的低功耗無線通信［2］。系統中ZigBee 協調器節點負責無線傳感器網絡的建立、網絡地址的分配以及匯聚傳感節點所采集的數據，通過UART 接口與網關相連，傳感器節點采集并發送各種環境和安防傳感器數據。

3 網關系統軟件設計

網關系統為整個系統的核心，負責整個系統的調度，包括監聽來自ZigBee 網絡的數據，響應客戶端的數據獲取請求和控制命令，其工作流程圖如圖2。

圖2 網關系統工作流程

3.1 CGI 程序設計

基于智能家居系統的功能需求，本系統在嵌入式設備上移植Boa 服務器，接收并響應手機客戶端的http 請求，通過CGI 調用應用程序，進行設備控制。

CGI 是外部應用擴展應用程序與Web 服務器交互的一個標準接口［3］。按照CGI 標準編寫的外部擴展應用程序可以處理客戶端輸入的數據，從而完成客戶端與服務器的交互操作［4］。

本設計中，Web 服務器根據Android 客戶端請求調用CGI程序，CGI 程序檢查REQUEST_METHOD 環境變量以確定采用的方法，如果是POST 方法，則從標準輸入STDIN 讀取數據;如果是GET 方法，則從QUERY_STRING 環境變量讀取數據［5］。該系統中需要解碼數據格式為“變量名=值”鍵值對的格式:variable1=value＆variable2=value2＆..。變量名表示要發送命令對應的設備，變量值則對應要執行的命令。解析數據并根據命令不同，如果是環境數據查詢則執行查詢數據庫并返回數據;如果是家電控制命令則與射頻紅外轉發模塊建立UDP 連接，發送相應的控制命令，如果是模式設置，則操作相應的配置文件，設置對應的模式狀態。

3.2 報警消息推送

本系統利用極光云推送服務，將家庭環境報警信息推送至用戶手機通知欄［6］。在嵌入式網關應用服務器上使用CURL 編程，調用JPush Remote API 遠程接口，對指定的用戶Android 手機客戶端來推送通知消息。Curl 編程基于Lib-Curl，主要采用callback function(回調函數)的形式完成傳輸任務，用戶在啟動傳輸前設置好各類參數和回調函數，當滿足條件時libcurl 將調用用戶的回調函數實現特定功能［7］。

根據極光推送向服務器端提供的API，利用libcurl 實現消息的推送。首先調用curl_global_init(CURL_GLOBAL_ALL)初始化libcurl，初始化所有可能的調用。用curl_easy_init()函數初始化一個CURL 的指針，開始一個會話。調用curl_easy_setopt()設置傳輸選項。使用curl_easy_setopt(curl，CURLOPT_URL，"https://api. jpush. cn/v2/push")設 置 訪問URL。

根據API 參數說明格式，結合智能家居系統應用需求，選擇和設定相應參數值。需要設定發送編號、接收者類型為廣播以及待發送的Android應用程序。然后由發送編號(sendno)、接收者類型(receiver_type)、發送范圍值(receiver_value)、API DevSecret(master_secret)4 個值拼接后，進行一次MD5 (32 位大寫)生成驗證串。

為方便用戶查看報警信息，設定發送消息的類型為通知(msg_type=1)，即將消息推送到在Android 手機客戶端的通知欄。發送消息內容msg_content 為JSON 格式。例如人體紅外報警通知可設置為:msg_content={"n_content":"Thieft Alerting!"}。選擇Android 手機作為接收推送消息的平臺，設置被推送的報警信息在手機離線狀態下可保存一天的時長。使用curl_easy_setopt(curl，CURLOPT_POSTFIELDS，pForm)函數傳遞作為HTTP POST 操作的所有設置選項內容。最后curl_easy_perform(curl)函數完成curl_easy_setopt 指定的所有選項。

3.3 抓拍及上傳報警圖像

本系統拍照使用wget 工具，與視頻服務器連接并下載圖像到/sddisk 目錄。shell 腳本語句為:wget"http://192.168.7.25:8080/action=snapshot"－O MYMdir。

為方便上傳腳本程序查找圖像，抓拍的圖像以當前時間和“_alert”組合作為文件名，存儲在開發板的SD 卡中，節省開發板的存儲空間，并且當網絡異常無法上傳圖片時可以拔出內存卡，在PC 機上直接查看報警圖像。

通過shell 腳本，使用CURL 工具對圖像上傳URL 進行HTTP POST 請求，實現圖像的上傳。首先查找/sddisk 目錄下按時間排序最早并且以alert.jpg 結尾的圖像，然后通過curl設置相關選項，在請求頭信息添加U－ApiKey 即yeelink 分配給用戶的API KEY，設置上傳圖像的URL，對該URL 以POST方法進行HTTP 請求，以二進制數據形式上傳圖像至yeelink物聯網云平臺。檢測到有符合要求的圖片就上傳，上傳后并刪除該圖片。圖像上傳語句如下:UPimage="curl－request POST－data－binary@"MYMPIC"－header U－ApiKey:MYMUP_ApiKey－verbose MYMUP_URL"。

4 客戶端軟件設計

從實用的角度出發，Android 客戶端界面主要設計了環境數據查詢顯示、模式設置、家電控制、天氣預報、視頻監控、報警記錄查詢、使用幫助、推送消息設置模塊，實現用戶隨時隨地查詢家庭環境信息、控制家電及查看異常報警信息和異常報警圖像。

4.1 與網關Web 服務器通信

為方便手機客戶端與遠程Web 服務器通信，并及時顯示服務器響應的數據，本文采用在Android 客戶端使用webview組件加載含有JavaScript 腳本的網頁，利用Javascript 腳本與Android 方法相互調用，來實現UI 線程與網頁的數據交換，網頁中的Javascript 腳本中調用Jquery 庫的get()方法向遠程Web 服務器發送請求并獲取服務器響應數據。

在Java 代碼中通過webview.loadUrl("javascript:方法名()")調用Javascript 方法來傳遞由UI 用戶界面觸發的一些控制操作命令到Javascript 中處理，在Javascript 中調用Jquery.get()方法從遠程Web 服務器獲取數據或發送控制命令。從遠程服務器上獲取數據后傳遞給get()函數參數指定的函數，調用android 方法，將獲取的數據傳遞到UI 界面顯示。

4.2 與網關視頻服務器通信

嵌入式網關系統移植了MJPEG－streamer 視頻服務器，以input_uvc 為輸入組件，output_http 為輸出組件，根據輸出組件中的output_http 的http 通信協議，在Android 平臺上實現服務器連接和圖像數據解析并顯示。

手機客戶端利用SOCKET 編程實現了與MJPEG－streamer視頻服務器的http 數據傳輸協議。建立TCP 連接，并發出返回視頻流數據的http 請求，服務器在收到和解析請求消息后，返回一個HTTP 響應消息，客戶端解析HTTP 響應消息，判斷MIME 類型、內容、大小。通過邊界符定位到圖像數據部分，截取圖像數據向Handler 發送消息更新UI 顯示。

4.3 與Yeelink 云平臺通信

利用Yeelink 平臺提供的API 接口，Android 手機客戶端與Yeelink 平臺建立連接，進行數據交換。首先設置查詢的起始和結束時間，與Yeelink 建立連接，查詢該時間段內所有節點圖像的基本信息，從輸入流獲取數據，并解析，記錄對應的時間點信息。然后以時間點倒序查詢所有時間點的圖像內容，并在listview 組件中異步顯示。具體流程如圖3 所示。

圖3 客戶端與云平臺通信流程圖

Yeelink 平臺提供了查看規定時間段內的圖像信息的API。客戶端通過日期和時間對話框，設置查詢的起始時間點和截至時間點。對獲取圖像信息URL 的一個HTTP GET 請求，云平臺將返回所指定時間段內的圖像相關數據信息［8］。返回的信息包括各個圖像對應的時間節點、大小、類型等信息。把各個報警圖像數據的timestamp 取出作為獲取圖像內容URL http://api.yeelink.net/v1.0/device/＜device_id ＞/sensor/＜sensor_id ＞/photo/info/＜key ＞中的key，來獲得所有節點的報警圖像內容。

本系統通過HttpURLConnection 實現簡單的基于URL 請求、響應。先實例化一個URL 對象，通過URL 的openConnection 實例化HttpURLConnection 對象。通過conn.setRequest-Method 設置請求方法GET 以及在頭信息中設置用戶訪問權限密碼"U－ApiKey"。建立連接并獲得輸入流，處理數據。所獲得圖像內容為二進制數據，然后通過Drawable d =Drawable.createFromStream(is，"src")，將數據流以Drawable 的形式返回顯示。

4.4 接收推送消息

在智能家居Android 客戶端增加消息推送功能，當系統檢測到環境異常情況時，嵌入式網關推送報警信息到手機通知欄，點擊該消息打開Activity，顯示推送信息內容并連接視頻服務器，實時查看家庭環境畫面，方便用戶及時掌握家庭環境動態。

極光推送是一個端到端的推送服務，使得服務器端消息能夠及時地推送到終端用戶手機上。極光推送的Android SDK 用AlarmManager 來定時的發心跳，防止NAT 表失效，與服務器維護一個TCP 長連接，保證了數據送達的及時性。

在Android 應用中集成JPush Android SDK，為Android App 增加推送功能，接收通知消息。cn.jpush.android.api.JPushInterface 類包含了JPush SDK 提供所有的API 接口。在應用程序啟動時調用JPushInterface.init 初始化SDK。推送消息可以根據情況選擇接收與否。在應用程序界面設置相應按鈕操作來調用stopPush API 在不需要推送消息或者開會等免打擾時間段停止JPush 推送服務。停止推送服務后，JPush Service 停止在后臺運行，收不到推送消息。調用resumePush接口函數可以恢復被停止的推送服務。

JPush SDK 收到推送，通過廣播的方式，轉發給智能家居客戶端App。由于本課題接收來自嵌入式網關的通知消息，所以在AndroidManifest.xml 里配置表示收到了通知Push 和用戶點擊了通知的Receiver action。在BroadcastReceiver 類里設置點擊通知要打開的Activity。在Activity 中，通過JPushInterface.EXTRA_NOTIFICATION_TITLE、JPushInterface.EXTRA_ALERT 兩個Intent 參數分別獲取服務器推送下來的通知的標題和內容并顯示。

5 系統測試

手機客戶端設置嵌入式家庭網關的IP 地址或域名，進入控制主界面如圖4 所示。點擊環境參數查看到實時家庭環境狀態，點擊空調、窗簾、電燈的家電設備，可進行相應的開關操作。模式設定界面，選擇無人模式，如果有人在室內活動，則手機通知欄顯示“Thieft Alerting”有人闖入的報警信息，如圖5，點擊該消息可以視頻監控界面實時查看家庭動態環境，如圖6 所示。點擊報警記錄查看報警時間、內容及報警場景的圖像，如圖7 所示。經測試，該系統能實現智能家居生活的基本功能。

圖4 主界面(截圖)

圖5 通知消息(截圖)

圖6 報警內容(截圖)

圖7 報警圖像記錄(截圖)

6 小結

本文將嵌入式網關、Android 智能手機、消息云推送以及圖像云存儲等相關技術緊密結合，應用到智能家居系統設計中，解決了智能家居系統大規模數據的存儲、管理及移動終端的可靠接入訪問等問題，有很高市場應用價值。本設計對“云+端”智能家居模式的發展有一定的促進作用。

［1］朱敏玲，李寧.智能家居發展現狀及未來淺析［J］.電視技術，2015，39(4):82－85.

［2］高立艾，劉少博，唐娟.基于ZigBee 和GPRS 的溫室環境無線監測系統設計［J］.貴州農業科學，2013(4):168－170.

［3］焦雙偉，喻金科.嵌入式Web 服務器在控制系統中的設計與實現［J］.計算機系統應用，2011，20(8):126－128.

［4］陳紅梅，陳靜，李雪冬.嵌入式Linux 下基于CGI 的動態Web 的實現［J］.計算機時代，2010(4):4－5.

［5］盧靈，周賢軍.基于WiFi 的嵌入式視頻監控系統設計［J］.電視技術，2013，37(1):157－160.

［6］極光推送.JPush Android SDK 集成指南［EB/OL］.［2015－04－20］.http://docs.jpush.io/guideline/android_guide/.

［7］劉聰.智能家庭網關Web 存儲代理技術的研究與實現［D］.北京:北京郵電大學，2010.

［8］黃明亮.物聯網開放平臺的研究與設計［D］.青島:中國海洋大學，2013.