潘穎輝

（包頭師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014030）

基于Android和嵌入式Web技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

潘穎輝

（包頭師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014030）

借助ARM微處理器硬件平臺，結(jié)合Web Service技術(shù)和Android系統(tǒng)平臺，提出了一種基于B／S和C／S架構(gòu)的智能家居系統(tǒng).該系統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)器是基于Linux平臺，保證了系統(tǒng)的健壯性及安全性.同時可以根據(jù)需要拓展服務(wù)功能，將智能手機作為智能家居系統(tǒng)的一部分，借助移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用戶手機到家居環(huán)境的互聯(lián)互通，可以隨時隨地控制和管理家居環(huán)境狀態(tài)，讓用戶享受可靠的智能家居服務(wù).系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的智能家居通用性強、組網(wǎng)方便、操作更加簡單，遠程控制能力增強，且市場應(yīng)用價值高，易于推廣.

智能家居；Android；Web；服務(wù)器；客戶端

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，物質(zhì)文化生活的不斷提高、人們消費觀念的日益轉(zhuǎn)變，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)、家居設(shè)備智能化的成熟，人們渴望更加安全、健康、舒適、便利的現(xiàn)代化家居環(huán)境，智能家居概念應(yīng)運而生，并逐漸進入人們的生活.智能家居是以住宅為平臺，利用計算機、無線通信、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，集成各種先進的家居設(shè)備，依靠科學(xué)的管理模式，為用戶構(gòu)建一個高效的住宅設(shè)備與家庭事務(wù)的控制管理系統(tǒng)［1］.隨著智能家居在消費者心中地位的提高，智能化家居逐漸成為家居市場的新寵兒，市場占有份額也越來越高.

由于目前智能家居設(shè)備層出不窮、技術(shù)標(biāo)準不統(tǒng)一、市場價格水平差距大，阻礙了智能家居的發(fā)展.當(dāng)今Android系統(tǒng)的盛行以及嵌入式技術(shù)的成熟，給智能家居的發(fā)展提供了強大的技術(shù)動力，其應(yīng)用前景非常廣闊.讓智能手機成為智能家居的一部分，是智能家居系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢.因此，本文設(shè)計了一種基于Android和嵌入式Web技術(shù)的智能家居系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 Android及Web技術(shù)簡介

Android是一個移動設(shè)備軟件棧集合，包括操作系統(tǒng)、中間件和關(guān)鍵應(yīng)用程序.Android是一個真正開放性的移動設(shè)備綜合平臺，底層以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)提供基本功能，在用戶空間又分為本地庫C／C＋＋和Java程序，供用戶自行開發(fā).結(jié)合Java面向?qū)ο蟮恼Z言特點，Android平臺具有代碼開放性、硬件兼容性、不受限制性等優(yōu)勢［2］.

Web技術(shù)指在Internet上利用各種技術(shù)實現(xiàn)和完成的各種服務(wù)功能和客戶瀏覽的開發(fā)技術(shù).Web是一套技術(shù)規(guī)范，包括很多的技術(shù)和協(xié)議，如HTLM技術(shù)、URL、HTTP協(xié)議等.通過這套技術(shù)規(guī)范，可以對Internet網(wǎng)絡(luò)Web服務(wù)器上的資源進行描述并發(fā)布、處理，進而Internet上的其他機器可以通過Web客戶端訪問瀏覽這些靜態(tài)、動態(tài)Web資源.

1.2智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

面向Web服務(wù)的智能家居系統(tǒng)基本分為4個部分，即控制系統(tǒng)服務(wù)器（Web服務(wù)器端）、移動智能終端（Web客戶端）、家居監(jiān)控終端群和通信網(wǎng)絡(luò).智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.控制系統(tǒng)服務(wù)器是基于Android系統(tǒng)開發(fā)的家庭網(wǎng)關(guān)；Web客戶端是基于Android智能手機開發(fā)的客戶端；家居監(jiān)控終端群包括了空調(diào)、電飯煲、電燈等家用電器和溫度、濕度、可燃氣體和光照等各類環(huán)境傳感器；通信網(wǎng)絡(luò)包括了控制系統(tǒng)服務(wù)器與家居監(jiān)控終端群之間的局域網(wǎng)、Web客戶端與控制系統(tǒng)服務(wù)器之間的無線網(wǎng)絡(luò)WiFi／3G／4G.系統(tǒng)通過Web Service技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡(luò)之間傳輸，用戶通過移動智能終端實現(xiàn)查詢、控制和管理各種家居監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控家庭內(nèi)部情況，接收各項警情.要特別注意的是，控制系統(tǒng)服務(wù)器作為家居系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，在同Web客戶端與家居監(jiān)控終端群之間進行信息資源交互時，控制系統(tǒng)服務(wù)器既擔(dān)當(dāng)客戶端的角色，也擔(dān)當(dāng)了服務(wù)器端的角色［3］.

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)主要由嵌入式Web服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)控制器、各種傳感器、家用電器的控制器、移動智能終端等部分構(gòu)成，其中嵌入式Web服務(wù)器由嵌入式微處理器、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和其他外圍設(shè)備構(gòu)成，是整個系統(tǒng)硬件架構(gòu)核心，結(jié)合現(xiàn)代以太網(wǎng)技術(shù)和WiFi／3G／4G無線通信技術(shù)，完成整個家居系統(tǒng)資源的集中管理和控制功能.智能家居系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖2所示.

嵌入式Web服務(wù)器以SAMSUNG的16／32位RSIC微處理器S3C6410作為硬件系統(tǒng)核心，S3C6410是基于ARM11內(nèi)核的一款低功率、高性價比、高性能的通用微處理器.以太網(wǎng)控制器采用RTL8019AS.嵌入式Web服務(wù)器向下與家居環(huán)境的電器控制器和環(huán)境傳感器之間進行通信交互，接收到家居環(huán)境的所有數(shù)據(jù)信息以SQL Server數(shù)據(jù)庫的形式存儲并統(tǒng)一管理，向上與Web客戶端進行通信交互，完成家庭信息的查詢與控制.

2.2系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計

客戶采用B／S架構(gòu)訪問嵌入式Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，就是通過瀏覽器網(wǎng)頁以不同接入方式（LAN／WAN／Internet）訪問或操作數(shù)據(jù)庫，該B／S架構(gòu)模式界面友好，使用簡單，便于客戶操作，使得軟件系統(tǒng)更具有高效、方便、快捷的優(yōu)點.如果采用C／S模式，Android Web客戶端應(yīng)用程序通過無線通信的方式實現(xiàn)對遠程Web服務(wù)器的訪問，C／S模式通過將嵌有套接字的源程序編譯成Java碼嵌入到Web網(wǎng)頁中，客戶端訪問該Web網(wǎng)頁時Java碼會自動下載到網(wǎng)頁，隨后與服務(wù)器建立Socket通信，從而獲取實時數(shù)據(jù)［4］.該C／S架構(gòu)模式具有能減輕服務(wù)器負荷，提高運行效率的功能.因此，鑒于B／S和C／S結(jié)構(gòu)的特點，本文基于Android的嵌入式Web服務(wù)器的智能家居系統(tǒng)采用的是B／S和C／S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式.基于B／S和C／S方式的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計

3.1.1 嵌入式Web交互式原理

在嵌入式系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)Web服務(wù)器的高性能計算服務(wù)需求不同，嵌入式Web服務(wù)器不需要處理大流量數(shù)據(jù)的訪問，不提供對占系統(tǒng)資源大的程序的支持，只為遠程訪問、管理和監(jiān)控設(shè)備提供服務(wù)支持.用戶端的瀏覽器，通過接入Internet，可以隨時隨地訪問嵌入式Web服務(wù)器［5］.

嵌入式Web服務(wù)器通過HTTP協(xié)議與客戶端通信，這里的客戶端指的是Web瀏覽器或Android Web客戶端，HTTP協(xié)議則是實現(xiàn)Web服務(wù)器與瀏覽器之間進行信息傳輸?shù)囊环N機制.Web客戶端通過Web瀏覽器頁面請求數(shù)據(jù)，嵌入式Web服務(wù)器收到Web客戶端發(fā)送的HTTP請求時，做出處理并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而完成嵌入式Web服務(wù)器與Web客戶端之間數(shù)據(jù)的動態(tài)交互.Web瀏覽器發(fā)送的連接請求，通過TCP／IP協(xié)議經(jīng)由Internet發(fā)送到嵌入式Web服務(wù)器端，Web服務(wù)器監(jiān)聽Web瀏覽器的服務(wù)請求，處理并檢查合法之后，建立與Web瀏覽器的TCP／IP連接.TCP／IP連接建立成功后，Web瀏覽器開始發(fā)送HTTP請求，Web服務(wù)器端接收到用戶請求，并將其傳給HTTP會話模塊，HTTP會話模塊根據(jù)協(xié)議解析，判斷出請求的內(nèi)容是靜態(tài)頁面還是CGI動態(tài)頁面，再根據(jù)請求的內(nèi)容將執(zhí)行結(jié)果返回Web瀏覽器.Web瀏覽器在接收到返回的數(shù)據(jù)后，將網(wǎng)頁內(nèi)容顯示在客戶端屏幕上.

3.1.2 嵌入式Web服務(wù)器的軟件實現(xiàn)

智能家居系統(tǒng)中的嵌入式Web服務(wù)器監(jiān)聽用戶的查詢、控制請求，根據(jù)用戶遞交的請求提供相應(yīng)的服務(wù)類型，嵌入式Web服務(wù)器端收到這些用戶請求后，把存儲在遠程數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給Web瀏覽器，這就完成了客戶瀏覽器同Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)的動態(tài)交互.為了實現(xiàn)這一動態(tài)交互通信過程，可以采用CGI技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)Web頁面功能.CGI是一種在Web服務(wù)器中運行的程序，是通用網(wǎng)關(guān)接口，定義了Web服務(wù)器與嵌入式應(yīng)用間交互的接口標(biāo)準.在Web環(huán)境下，完成瀏覽器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，CGI技術(shù)具有較好的動態(tài)交互性能.

Web服務(wù)器是處理HTTP請求的核心主程序，它對來自客戶端的訪問請求報文進行相應(yīng)的分析處理，并將請求數(shù)據(jù)以報文的形式返回給客戶端.一個功能性完整的嵌入式Web服務(wù)器的核心部分主要包括HTML請求解析器和模塊分析器.HTML請求解析器用于接收HTTP請求報文，模塊分析器根據(jù)配置對報文進行相應(yīng)處理.這樣，嵌入式Web服務(wù)器與嵌入式應(yīng)用模塊進行交互，實現(xiàn)對設(shè)備系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)置和讀取［6］.

嵌入式Web服務(wù)器在開始運行前，首先要執(zhí)行初始化，主要工作包括了設(shè)置服務(wù)器監(jiān)聽的端口和應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲區(qū)域.每當(dāng)客戶端請求一個URL給嵌入式Web服務(wù)器時，HTTP引擎便馬上調(diào)用CGI程序.客戶端瀏覽器發(fā)送HTTP請求時，Web服務(wù)器接收并解析，判斷出請求的內(nèi)容是靜態(tài)頁面請求還是CGI動態(tài)請求，如果是靜態(tài)頁面請求，則直接輸出HTML靜態(tài)文件.如果是CGI動態(tài)請求，就將數(shù)據(jù)內(nèi)容傳遞給CGI程序，并重定向CGI程序，輸出到Web頁，CGI程序在處理時將數(shù)據(jù)封裝成HTML形式發(fā)送到輸出，這樣客戶端瀏覽器就可以看到對應(yīng)的Web網(wǎng)頁.嵌入式Web服務(wù)器的軟件設(shè)計如圖4所示.

3.2 Web客戶端的設(shè)計

3.2.1 Android與遠程數(shù)據(jù)庫通信的方法

Android Web客戶端應(yīng)用開發(fā)的核心技術(shù)，在于如何建立Android智能手機與家庭控制中心的嵌入式Web服務(wù)器之間的聯(lián)系，建立Android Web與遠程數(shù)據(jù)庫之間的通道，實現(xiàn)遠程查詢與控制智能家居設(shè)備的功能.從系統(tǒng)整體設(shè)計上看，在Android客戶端與遠程服務(wù)器之間，通過加入嵌入式Web服務(wù)器，以Web通信方式，調(diào)用Web Service完成對遠程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫的操作，實現(xiàn)Android Web客戶端對家居環(huán)境設(shè)備的遠程控制和管理.

由于Android平臺沒有直接調(diào)用Web Service庫的數(shù)據(jù)接口，Android客戶端就不能直接訪問服務(wù)器的遠程數(shù)據(jù)庫，需要借助第三方的SDK來調(diào)用Web Service庫［7］.傳統(tǒng)PC環(huán)境下的Web Service客戶端庫相當(dāng)豐富，然而這些客戶端的開發(fā)包比較龐大，而且限于Android移動設(shè)備的性能和內(nèi)存因素，一般很難移植到Android系統(tǒng)中，無法適用于Android移動設(shè)備.因此，需要選擇適合Android移動設(shè)備的Web Service客戶端的SDK來實現(xiàn)遠程訪問數(shù)據(jù)，經(jīng)過對比較常用的SDK對比研究，基于SOAP協(xié)議的Web Service可以實現(xiàn)遠程訪問數(shù)據(jù)庫，建立Android Web客戶端與遠程數(shù)據(jù)庫之間通信交互的通道.這種遠程訪問數(shù)據(jù)庫方法是借助第三方工具Ksoap2－Android實現(xiàn)對Web Service庫的訪問，Ksoap2－Android軟件工具可以封裝Ksoap2用戶請求，以SOAP的格式來調(diào)用Web Service庫，并將返回的SOAP格式的數(shù)據(jù)信息解析為Soap Object對象.Android Web客戶端發(fā)送請求與Web服務(wù)器接收響應(yīng)都是基于SOAP協(xié)議的，所以，這種方法的方案成熟度較高，協(xié)議標(biāo)準整體一致性強，安全支持性較好.因此，本設(shè)計采用了基于SOAP協(xié)議訪問遠程數(shù)據(jù)庫的方法，實現(xiàn)Android Web客戶端與嵌入式Web服務(wù)器的遠程數(shù)據(jù)庫之間的通信交互.

3.2.2 Android調(diào)用Web Service通信設(shè)計

Android Web客戶端與遠程數(shù)據(jù)庫的通信交互，是采用基于SOAP協(xié)議訪問遠程數(shù)據(jù)庫的方法來調(diào)用Android平臺中Web Service實現(xiàn)的.這種方法借助了第三方工具Ksoap2－Android來調(diào)用Web Service庫.SOAP調(diào)用Web Service的設(shè)計步驟如圖5所示.

3.2.3 Web客戶端設(shè)計的實現(xiàn)

智能家居系統(tǒng)的客戶端與嵌入式Web服務(wù)器相比，相對簡單，客戶端軟件如果在電腦上使用，只要登陸Web瀏覽器就可以了，如果在移動終端設(shè)備（如手機、平板電腦）上使用，需要登陸Web客戶端.本系統(tǒng)重點設(shè)計的客戶端是指可以直接在Android手機上登陸使用的Android Web客戶端.

Android Web客戶端通過調(diào)用嵌入式Web服務(wù)器端的Web Service庫，實現(xiàn)對遠程數(shù)據(jù)庫的查詢、控制與管理操作，從而實現(xiàn)對用戶家居智能設(shè)備的控制和家居生活環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)控［8］.考慮到系統(tǒng)的安全性，Android Web客戶端訪問遠程數(shù)據(jù)庫之前先要登錄嵌入式Web服務(wù)器，驗證身份合法后，才能進行下一步的操作，通過選擇網(wǎng)絡(luò)，連接Web服務(wù)器指定端口，建立Web客戶端與Web服務(wù)器之間的通信交互通道，完成查詢與控制智能家居系統(tǒng)設(shè)備的功能.Android Web客戶端軟件設(shè)計主流程如圖6所示，Android Web客戶端軟件界面如圖7所示.

4 結(jié)論

本文在結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和Android平臺優(yōu)點的基礎(chǔ)上，利用Android移動智能終端設(shè)備的更高級的功能和嵌入式Web服務(wù)技術(shù)，提出了一種基于Android和嵌入式Web技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案.該系統(tǒng)通過移植Android系統(tǒng)、建立嵌入式Web服務(wù)器和遠程數(shù)據(jù)庫、開發(fā)Web客戶端，并利用無線／有線組網(wǎng)方式，實現(xiàn)Android Web客戶端訪問遠程數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對家居生活環(huán)境的遠程監(jiān)控.系統(tǒng)主要采用Java語言開發(fā)，具有架構(gòu)簡單、開發(fā)難度較低的特點，并采用面向?qū)ο笏枷牒投嗑€程技術(shù)開發(fā)復(fù)雜應(yīng)用程序.此外，本系統(tǒng)還具有可裁剪性，可以根據(jù)家居生活環(huán)境的不同，通過服務(wù)器統(tǒng)一部署，任意增減家居控制設(shè)備.

［1］ 韓佩富，李洋.基于嵌入式Web服務(wù)器的智能家居系統(tǒng)設(shè)計［J］.微處理器，2008（5）：189－191.

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Design of smart home system based on Android and embedded Web technology

PAN Ying－h(huán)ui

（College of Information Science and Technology，Baotou Teaches’College，Baotou 014030，China）

In this paper，with the help of ARM microprocessor hardware platform and combine Web Service technology and Android platform，proposed a smart home system based on B／S and C／S architecture.Embedded Web server of this system is based on the Linux platform，ensuring the robustness and security of the system，and can expand services as needed.Meanwhile，smart phone is part of the smart home system，with the mobile communication network mobile phone users to achieve interoperability of the home environment，you can control and manage the home state of the environment at any time，allowing users to enjoy reliable smart home services.Compared with the traditional smart home system versatile，convenient networking，operating more simple，remote control capability enhancements，and high market value，easy to spread.

smart home；Android；Web；server；client

TP 311 ［學(xué)科代碼］ 520·5099 ［

］ A

（責(zé)任編輯：石紹慶）

1000－1832（2015）01－0071－06

10.16163／j.cnki.22－1123／n.2015.01.014

2014－04－29

國家自然科學(xué)基金資助項目（11301044）.

潘穎輝（1980—），女，碩士，講師，主要從事嵌入式研究.