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译文：
国际工程科学与工程研究技术
使用Android应用的普通智能家居系统
Asad Mohammed Khan, Fawad Raghib Ali, Mayank Gupta
摘要
本文介绍了一款基于Android应用的灵活、独立、低成本的智能家居系统。它与微网服务器通信，提供远程控制家用电器的方法。 Arduino Uno微控制器用于减少个人电脑（PC）的使用，使系统的整体成本降至最低。 诸如灯开关、风扇等设备已被集成到系统中，证明了所提出的智能家居系统的可行性和有效性。 智能家居应用程序已经过测试并且能够成功执行与智能家居的交互。而且，该应用已完成用户友好以及密码保护功能，具有良好的安全性。
关键词：Android智能手机；智能家居；家庭自动化；物联网（IoT）；远程控制。
1 引言
在日常生活中，随着移动设备的普及和功能的不断增长，人们对于先进设备的需求也随之增加，无处不在的移动应用也在不断增加。 使用Web服务是提供远程服务访问，或启用应用程序进行通信的最开放和可进行交互操作的方式。 繁忙的家庭和有身体局限的个人是家庭自动化和网络交互的一个典型的、极具吸引力的市场。
把诸如智能手机、互联网电视、传感器等日常物品接入互联网，以新的通信形式将这些设备智能地连接在一起即为物联网[1]。物联网在过去几年取得了重大进展，打开了信息和通信技术的新世界。 物联网的进步正在导致任何人、任何时间、任何地点（AAA）都能被连接起来，其最终期望是创造和扩大一个完全先进的物联网动态网络。 物联网技术可用于创建新的概念和为智能家居提供广阔的发展空间，从而为人们提供智能的，舒适的生活。
智能家居是一个非常有前途的领域，它具有各种优点：如提供更高的舒适度、更大的安全性和保密性，更合理地使用能源和其他资源，从而为重大事业做出贡献。这个研究应用领域是非常重要的，将来关于智能家居的研究必然会增加，因为它也提供了强大的功能手段来为老年人、残疾人等特殊人群提供帮助和支持[2]，比如用于监测老年人和残疾人的特殊需求和环境控制[3]。设计智能家居系统时需要考虑许多因素，该系统应该是经济实惠的、可扩展的，以便新设备可以很容易地集成到系统，它还应该是用户友好的[4]。
随着智能手机用户的急剧增加，智能手机已经逐渐变成一个通用的便携式设备并为人们提供日常的使用。 本文介绍一种低成本的无线控制智能家居系统，该系统可用于控制和监测家庭环境。 一个嵌入式微型Web服务器真正的IP连接用于从Android系统远程访问和控制设备，使得其他设备可以在任何Android支持的设备上使用。 Arduino Wi-Fi模块用于微型网络服务器，从而消除了PC的使用，并且该系统需要用户认证才能访问智能家居系统。
本文的其余部分安排如下：在第2节中，对相关工作进行简要讨论。 关于智能家庭系统的整体系统结构、实现和特征将在第3节中介绍。最后，还提出了一些关于本系统未来发展方向的观点。
2 相关文献
智能家居并不是科学社会的新名词，但它确实远离人们的视野。随着电子技术的不断融合，家庭自动化领域正在不断扩大。 各种智能系统已经提出了通过蓝牙[5-8]、互联网[9-10]、短消息服务（SMS）的控制[11]等。蓝牙功能非常好，目前在笔记本电脑、平板电脑和手机中大多数都内置了蓝牙功能，这可以间接降低系统成本。 但是它也将系统限制在了蓝牙的环境范围内，而大多数其他系统无法以低成本的方案来实施。
在文献[11]中，介绍了基于Wi-Fi的家庭自动化系统。 它使用基于PC（内置Wi-Fi卡）Web服务器，用于管理连接的家庭设备。 用户可以在本地管理和控制系统（LAN）或互联网。该系统支持广泛的家庭自动化设备，如电源管理组件和安全组件。 在文献[12]中提出了一种类似的架构，其中的操作是协调在PC上运行的家庭代理。 其他文献如[13-14]也提出了互联网控制系统由专用的Web服务器、数据库以及用于互连和管理设备的网页组成。这些系统使用PC，导致成本和功耗的直接增加。 另一方面，网页的开发和托管也会造成额外的成本。
基于微控制器的语音激活无线自动化系统的设计和实现在文献[15]中介绍。 用户通过麦克风讲话语音命令，该麦克风被处理并发送无线到主控制接收器单元的射频（RF）链路。
语音识别模块用于提取语音命令的特征。 这个提取的信号是由微控制器处理执行所需的动作。 缺点是系统只能是从射频范围内控制。 参考文献[16]也提出了一种语音激活智能家居自动化系统。 该系统使用Microsoft Visual Basic软件托管的图形用户界面（GUI）PC，并使用Microsoft语音识别引擎。 该信号是通过RF链路传输到与家用电器连接的微控制器。 再次使用PC增加了成本和功耗。
上述系统对智能家居系统做出了重大贡献。 然而，PC被用作服务器，增加了成本和功耗；而另一些则需要网页托管，增加了额外的成本。
3 系统设计
3.1 系统架构
在提议的设计中，用于远程控制和监控智能家庭的低成本智能家居系统环境呈现。 图1显示了所提出的系统架构的概述由使用Android平台和基于Arduino的微型Web服务器开发的应用程序组成。 Arduino微控制器是承载微型网络服务器并执行必要操作的主控制器。 传感器执行器通过继电器直接连接到主控制器线路板。 使用智能家居环境可以从远程位置控制和监控智能家居应用程序，它将通过互联网与微型网络服务器进行通信。 任何互联网连接通过Wi-Fi或3G / 4G网络可以在用户设备上使用。
所提出的设计提供的功能是能源管理系统的控制，例如照明设备、电源插头，控制风扇的转速以及查看当前风扇状态的选项（即......是否当前打开或关闭），然后根据每个设备的当前状态进行操作。
图1
3.2 ANDROID平台APP的软件开发
有几种开发智能手机应用程序的平台，例如Windows Mobile，Symbian，iOS和Windows MobileAndroid系统。 在建议的系统中，Android平台应用程序是作为大多数电话和便捷设备开发的支持Android操作系统。 使用Android软件开发工具包（SDK）的Java编程语言已经有了用于开发和实施智能家居应用程序。 SDK包含一整套开发工具，如调试器，库和手机仿真器，包含文档，示例代码和教程。
Eclipse（运行在Windows 7开发平台上），这是官方支持的集成开发环境（IDE），已经与Android开发工具（ADT）结合使用，通过此插件开发智能家居应用程序。 图2和图3显示了开发的智能家居应用的屏幕截图。
图2
图3
为智能家居系统设计的应用程序为用户提供以下功能：
1、通过互联网远程连接到智能家居微型网络服务器; 需要服务器真实的IP和用户认证。
2、设备控制和监测。
3、调度任务并设置智能家居环境的自动控制。
4、开发人员简介和联系选项。
5、退出按钮退出应用程序。
为了成功连接和访问智能家居微型网络服务器，用户必须输入正确的真实IP地址和密码（见图2）。 如果微型网络服务器授予访问智能家居应用程序的响应包含响应码200的分组将被接收。
应用程序处理响应数据包以确定微型Web服务器的响应。 响应代码200表示密码正确，应用程序将切换到主控页面并使用数据进行同步从响应数据包中反映智能家居设备的实时状态（请参见图3）。 如果密码不正确，将收到“服务器地址或密码错误”消息。一般的响应数据包布局如图4所示。响应消息和设备及其状态由应用程序中的空间分隔设计。
例如，当用户从应用程序请求打开Light 1的操作成功时，响应数据包将是“200 Light_1：1”。零表示关闭状态，而一个表示关于状态的状态开关功能。
用户可以从GUI授予的访问权限执行所需的操作。用户一旦登录具有正确服务器地址和密码的系统将被引导至每个设备的主页面连接到应用程序的连同其当前状态和设备类型一起列出。用户可以看到并更改点击设备名右侧的按钮即可显示设备状态。
在按下按钮（这是一个切换按钮）时，按钮将根据按钮状态改变其颜色设备的状态。红色表示设备已关闭，绿色表示设备已打开。
当用户在智能家居应用上执行操作时，命令包将通过以下方式发送到微型网络服务器互联网。命令包的总体布局如图4所示。命令包如果格式化这样微型网络服务器就可以轻松地从数据包中读取和提取信息。例如为了用密码开启风扇，发送的命令包将是“$ 1234 $ Fan_On”并且用于设置风扇速度为2的命令包将为“$ 1234 $ FanSpeed_2”。
图4
3.3 微型web服务器的软件开发
托管微型网络服务器的主控制器充当智能家居系统的核心，由智能家居系统组成服务器应用软件和Arduino微控制器固件。 服务器应用软件是使用Arduino Wi-Fi屏蔽在Arduino Uno上运行的微型网络服务器的库实现通过TCP / IP连接到互联网，可以充当服务器和客户端。以太网库“lt;esp.hgt;”是用于与微控制器一起发送和接收数据。 输出消息发送到智能家庭应用程序采用JavaScript对象表示法（JSON）格式。
Arduino IDE是用于为Arduino Web服务器开发（用c语言编写的代码）的平台，它与Arduino Uno微控制器和Android应用程序进行通信。
Wi-Fi shield（esp8266）和Arduino创建了一个简单的Web服务器。 在包括Wi-Fi的帮助库中，该设备能够应答在应用向Arduino发送命令时生成的http请求Wi-Fi网络服务器。 在Wi-Fi的正确IP地址之后，HTTP请求将在Web服务器上的端口80上发送屏蔽和正确的密码输入到应用程序和建立安全连接之后两个实体。 简单的GET和POST请求操作已用于通信。
一旦Web服务器连接到应用程序和微控制器，它就会检查设备连接在微控制器的不同引脚上的状态，然后将这些状态传送到应用程序并显示为与每个设备关联的切换按钮的颜色（红色或绿色）。 用户可以更改状态通过按下切换按钮来改变状态。 HTTP请求通过应用程序发送到web服务器无线上网。 服务器然后发送命令给微控制器，在特定的引脚上执行操作将状态返回到应用程序。
3.4 拟议的智能家居设备
Arduino Uno和Arduino Wi-Fi防护罩已用于实现智能家居微型网络服务器。Arduino是基于灵活，易用的硬件和软件的开源电子原型开发平台。Arduino Uno是基于ATmega328P的微控制器板。 它有14个数字输入/输出引脚（其中6可用作PWM输出），6个模拟输入，一个16 MHz石英晶体，一个USB连接，一个电源插孔，一个ICSP头和一个重置按钮。 它包含支持微控制器所需的一切; 只需将其连接到使用USB电缆的计算机或使用AC-to-DC适配器或电池为其启动的电源。 Wi-Fi屏蔽是通过Arduino SPI引脚连接到Arduino。 低压开关继电器用于集成这些设备用Arduino演示交换功能。 一个5v的LED已经被用来证明这个能力的Arduino切换灯光。
4 结论
在本文中，基于互联网的智能家居系统可以通过用户认证进行远程控制提出并实施。基于Android的智能家居应用程序通过与微型网络服务器进行通信互联网使用REST全基于Web服务。任何android支持的设备都可以用来安装智能设备家庭应用程序，并控制和监视智能家居环境。一个低成本的智能家居系统已经由于所有处理都由微控制器处理，因此不需要PC。展望未来作品包括整合短信和通话提醒，在应用中整合语音搜索模块，并减少通话时间，在预先存在的房屋中安装建议的系统进行布线更改，用于控制和监控智能家居环境的家庭环境。
参考文献
[1] G. Kortuem, F. Kawsar, D. Fitton, and V. Sundramoorthy, 'Smart objects as building blocks for the
internet of things,' Internet Computing, IEEE, vol. 14, pp. 44-51, 2010.
[2] R. J. C. Nunes and J. C. M. Delgado, 'An Internet application for home automation,' in 10th
Mediterranean Electrotechnical Conference (MELECON 2000),
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