智能家电远程监测系统设计

（外文翻译）

网址：www.ijcsmc.com

国际计算机科学与移动计算学报

计算机科学与信息技术月刊

ISSN 2320–088X

IJCSMC，卷. 2，发行.12，2013年12月，第188 – 197页

研究论文

基于Android智能手机的家庭控制和监控系统

Periyar Dasan1，Agan Prabhu2，Shanmuga Sundaram3，Senthil Rajan4，Kesavan5

12345PG学者，信息技术系，VelTech Multitech工程学院，印度periyardasan006@gmail.com 1，agan5619@gmail.com 2，g.shanmugasundaram.be@gmail.com 3，rajanveldba@gmail.com 4，kesavantech @ gmail. com 5

摘要

本文介绍了使用嵌入式微型Web服务器的低成本，灵活的家庭控制和监控系统，具有IP连接等功能，可以使用基于Android的智能手机应用程序在远程访问和控制设备和其它设备。所提出的系统并不需要关于类似系统的专用服务器PC，并且提供新颖的通信协议来监视和控制家庭环境，而不仅仅是交换功能。为了演示该系统的可行性和有效性，已经将所提出的家用控制系统与灯开关，电源插头，温度传感器和电流传感器等器件集成在一起。

关键词：物联网；智能家居；家庭自动化； Android智能手机；Arduino

一、介绍

物联网（IoTs）可以被描述为将智能手机，互联网电视，传感器和执行器等日常物品连接到互联网，智能连接在一起，可以实现事物和人之间以及事物本身之间的新形式的通信[ 1]。建筑物物联网在过去几年中已经取得了显着的进步，因为它在信息和通信技术领域增加了新的层面。根据[2]预计，到互联网连接的设备数量预计将从2011年的1亿4百万增加到2021年的21亿，年均增长率为36％。在2011年，通过2G和3G等移动网络进行了80％的机器到机器（M2M）连接，预计到2021年，由于与移动网络上的M2M相关的成本通常在2021年之间将增加到93％比固定网络便宜，如图1所示。现在任何人，从任何时间和任何地方都可以连接任何东西，预计这些连接将扩展并创建一个完全高级的动态网络的物联网。物联网的发展将彻底改变从自动化领域，交通运输领域，能源领域，医疗保健领域，金融服务领域到纳米技术等的一些行业。物联网技术也可以应用于为智能家居创造一个新的概念和广泛的开发空间，以提供充满智慧，舒适的生活环境和提高生活质量。 目前阶段，家庭中不同的设备和家用电器（如照明，空调，家庭安全和娱乐系统）正在连接到互联网，以便可以使用智能手机或平板电脑进行远程控制。 不仅可以控制设备，还可以持续监控家庭环境，以保持一定的期望温度或监测能量消耗量[3]。 因此，这将有助于整体降低成本和节能，这是今天的主要关切之一。

本文是我们以前的工作的扩展[4]，并提出了一个低成本和灵活的家庭控制和监控系统，使用嵌入式微型Web服务器，IP连接用于使用基于Android的智能手机应用程序远程访问和控制设备和设备。所提出的系统不需要关于类似系统的专用服务器PC，并且提供新颖的通信协议来监视和控制家庭环境，而不仅仅是交换功能。我们已经将基于REST的Web服务作为可互操作的应用层，可以直接集成到其他应用领域，如电子医疗保健服务，实用程序，分发甚至车载区域网络（VANET）。

本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们简要讨论相关工作。第3节描述了所提出的系统架构及其特征，第4节概述了家庭控制和监控系统的系统实现。最后，提出了一些结论。

图1 M2M设备连接和未来预测

二、相关工作

家庭自动化或智能家居（也称为domotic）可以描述为在家庭环境中引入技术，为居民提供方便的，舒适的，安全的和节能的家居体验[5]。向家庭环境增加视频监控可以为老年人和残疾人提供更高的生活质量，否则可能需要照顾者或机构护理。由于智能手机和平板电脑的高负担能力和进步能够实现广泛的连接，近年来家庭自动化的发展显著增快。随着物联网的推出，家庭自动化的研究和实施越来越受欢迎[6]。这也是学术界大部分相关研究人员的关注之处。可以支持某种形式的远程数据传输，诸如蓝牙，Wi-Fi，RFID和蜂窝网络等传感和控制的各种无线技术已被用于在家庭中嵌入各种智能水平[7]的智能家电。 [4,8-14]中的研究提出了使用Android智能手机的蓝牙家庭自动化系统，无需互联网的可控性。这些设备物理连接到蓝牙子控制器，然后由智能手机使用内置的蓝牙连接来访问和控制。然而，由于操作范围有限（最大可达100米），系统无法应对移动性，只能在附近进行控制。研究人员还试图通过家庭网关为家庭中的控制设备和设备提供网络互操作性和远程访问。[15]推出了基于Wi-Fi的家庭控制系统，其使用基于PC的网络服务器来管理连接的家庭设备。 [16-19]中也提出了类似的设计，其中已经开发了专门的Web服务器，数据库和网页来互联和管理连接到互联网的设备。这些系统的缺点是双重的。首先，利用了高端个人电脑，不仅增加了安装成本，而且增加了能源消耗。其次，开发和托管网页也增加了成本。 [20]还提出了一种基于GSM的家用电器通信和控制，其中不同的AT命令被发送到家庭移动以控制不同的设备。该系统的缺点是用户没有提供图形化的用户界面，用户必须记住不同的AT命令来控制连接的设备。[21]提出了基于移动IP的架构及其在智能家居安全和自动化中的潜在应用，无需实际部署和测试。最近很少有研究人员还提出使用Web服务，简单对象访问协议（SOAP）和表征状态传输（REST）作为可互操作的应用层来远程访问家庭自动化系统。[22]在基于XML SOAP标准的以太网上引入了智能家居管理方案。使用基于SOAP的Web服务的缺点在于，它是复杂的，并在解析消息时增加客户端和服务器的开销，从而导致更慢的操作和更高的带宽。 REST [23]已被呈现为使用诸如HTTP缓存和推送消息传递之类的Web技术来控制家用电器的基于Web的交互。还开发了一种基于Web的图形用户界面来管理家庭设备。 [24,25]也提出了使用云端计算的家庭自动化的解决方案，用户可以在家中控制各种灯具和电器。上述系统对家庭自动化系统的设计和开发做出了重大贡献。然而，现有的工程主要集中在家用电器或连接设备的切换和控制上，而不是远程监控家庭环境。

图2 概念架构概述

A.拟议系统的特点

为了方便地解决文献调查中所提到的灵活性和功能性问题，我们设计并且实现了一种使用基于REST的Web服务作为互操作应用层的新颖的，独立的，灵活的和低成本的家庭控制和监控系统。该系统是由基于Arduino以太网的微型Web服务器，硬件接口模块和Android兼容智能手机应用程序组成的。这项工作中提出的架构可以以不同的方式进行定制，以适应不同的应用场景，具有最小的重新编码和设计，即每次将新设备添加到微Web服务器时，专用于设备的新线程将自动创建在智能手机应用程式。因此，其所提出的工作的目的是不要包括高端个人计算机等昂贵的组件的。该系统允许授权的家庭所有者使用支持Java的任何支持Wi-Fi或支持3G / 4G的智能手机在家中远程控制和监控连接的设备。智能手机应用程序为用户提供用于通过服务器实际IP访问和控制家中的设备的图形用户界面（GUI）。

B.建议的架构描述

本节介绍了灵活低成本地实现家庭控制和监控系统的建议架构和设计。该架构分为三个层次：家庭环境，家庭网关和远程环境（见图2）。远程环境代表通过Wi-Fi或3G / 4G网络使用互联网在智能手机应用上访问系统的授权用户。其中，家庭环境由家庭网关和硬件接口模块组成。家庭网关对于建议的架构的主要功能是在于互联网之间提供数据转换服务。家庭网关的主要组件是基于Arduino以太网的微型Web服务器。服务器的主要任务是管理，控制和监视系统组件，使硬件接口模块能够使用执行器成功执行其分配的任务，并通过传感器向服务器报告触发事件。硬件接口模块是通过导线与传感器和执行器直接接口。它具有控制诸如照明，电源插头，HVAC（加热，通风和空调）系统和诸如门锁和门的安全系统的能量管理系统的能力。为了监控家庭环境，系统支持诸如温度，湿度和电流等传感器。

四.系统的实现

如上所述，构建的无所不在的家庭控制和监控系统由微型Web服务器，硬件接口模块和软件包（智能手机应用程序）三个主要模块组成。 为了演示该系统的可行性和有效性，已经将所提出的家用控制系统与灯开关，电源插头，温度传感器和电流传感器等器件集成在一起。 本节介绍系统实现细节。

A.家庭网关的软件开发

提出的家庭自动化系统的软件分为服务器应用软件和微控制器固件两部分。服务器应用软件是使用以太网屏蔽在Arduino Uno上运行的微型Web服务器的库实现。该以太网屏蔽模块能够作为客户端或服务器使用。为了在远程用户和家庭网关之间能够成功通信，Arduino Uno已经实现了配置阶段和传感器/执行器控制阶段层。 lt;Ethernet.hgt;库用于接收Arduino Uno上的数据，并使用JavaScript创建输出消息对象符号（JSON）格式。图3显示了Arduino Uno和Internet之间建立连接的流程图。家庭网关通过TCP / IP协议连接到Internet。由于Arduino以太网屏蔽层已经支持TCP / IP协议栈，所以我们专注于实现将其连接到远程用户的软件。家庭网关一旦启动便进入配置阶段。在配置阶段，以太网模块使用静态IP地址建立与局域网（LAN）的连接。为了优化连接过程，我们使用静态IP地址，而不是通过动态主机配置协议（DHCP）获取IP。 一旦家庭网关初始化完成，它将进入空闲状态，直到从远程用户接收到任何命令。 在从智能手机应用程序成功接收命令作为字符串后，它将被解码，并采取适当的控制措施。 这些动作可以是启动或感测。

图3 与互联网建立连接的家庭网关流程图

B.家庭网关应用框架

访问Web服务必须具有易于，直接，开放和可互操作的特点。也就是说，提供的通信手段和编程接口（API）应该在每个平台和开发环境中都很容易实现[26]。提供对远程服务的访问或使应用程序相互通信的最开放和可互操作的方式是利用Web服务。有两类Web服务：简单对象访问协议（SOAP）和表示状态传输（REST）。 RESTful是比SOAP提供类似于基于SOAP的Web服务的功能更轻巧的机制。因此，在我们的方法中，我们使用基于REST的Web服务，利用诸如GET和POST请求之类的标准操作，返回JavaScript对象表示法（JSON）响应，以在远程用户和微型Web服务器之间进行通信。 JSON是一种人类很容易阅读和编写的轻量级的数据交换格式。机器比使用XML解析和生成消息也更简单。例如，要打开指示灯，HTTP POST请求将发送到服务器的资源，如图4所示。

图4 Arduino和微型Web服务器之间的消息

C.智能手机应用和功能

有几个开发智能手机应用程序的平台，如Windows Mobile，Symbian，iOS和Android。因为大多数智能手机都支持Android操作系统，所以我们决定使用Android软件开发工具包（SDK）开发和实现JAVA编程语言的应用程序[27]。我们的智能手机应用程序最重要的功能是从用户隐藏多个进程，同时允许与应用程序的完全交互。通过使用多个软件包，我们可以自定义应用程序以包含各种用户界面元素，如文本框，选择组，列表和命令按钮。图5示出了用于图形用户界面的一些设计。用于家庭控制和监控应用的智能手机应用程序为用户提供以下功能：1）远程连接到家庭网关。 2）智能家电设备控制。 3）设备状态监控。 4）管理时间表。要成功连接到家庭服务器，用户必须在应用程序中配置微型Web服务器的IP地址和端口号（图5.a）。然后，用户必须将应用程序与Web服务器同步（见图5.b），以检索那些连接到Arduino Uno的驱动器和传感器以及它们所用的内容。

图5 家庭控制系统图形用户界面截图

在执行同步时，智能手机应用程序会将以下内容发送到

Arduino：http：// arduinoip /？out = all并确认命令，Web服务器使用以下JSON消息进行回复：

{“ip”：“117.17.80.199”，“devices”：[{“type”：“light”，“name”：“Light 1”，“out”：“4”}，{“type” “”name“：”Light 2“，”out“：”5“}，{”type“：”temperature“，”name“：”Temp“，”out“：”3“}，{”type“ ：“plug”，“name”：“Po

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