物联网：基于Android智能手机的家居监控系统无处不在外文翻译资料
2022-10-10 14:30:42
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物联网：基于Android智能手机的家居监控系统无处不在
Rajeev Piyare
电子信息工程系，木浦国立大学，木浦，534 - 729年，韩国
摘要
本文提出了一种低成本和灵活的家居控制和监控系统，本系统中使用的嵌入式微型网络服务器，用IP连接来访问和使用基于Android系统的智能手机应用程序远程控制设备和电器。该系统没有要求像相对于类似的系统那样使用专用的服务器PC，只是提供了一种新颖的通信协议来监视和控制家庭环境的切换功能或者其他功能。为了演示该系统的可行性和有效性，提出了家居控制系统中家电设备（如光开关、电源插头、温度传感器和电流传感器）的集成。
关键词：物联网，智能家居，家庭自动化，Android智能手机，Arduino
1.介绍
物联网（IOTS）可以被描述为将日常物体（比如像智能手机、互联网电视、传感器和执行器等设备）连接在一起的一种使事物与事物、事物与人以及人与人之间能够沟通的智能网络设备。在物联网的建设上，因为增加了一个新的层面的信息和通信技术，在过去的几年里，它有了非常显著的进展。根据文献[2]，预计连接到互联网的设备数量将从2011年的100.4亿累积到2021年的2.1万亿美元，以每年36%的速度增长。在2011年，80%的机器对机器（M2M）的连接是基于移动网络（比如2G和3G）来实现的，由于基于M2M连接的移动网络的相关成本比固定网络较为便宜，据预测到2012年，这个数据比例将增加到93%，如图1中所示。
图1.M2M设备连接和未来预测
现如今，无论何人，可以随时随地的连接到任何事物，并预期这些连接将会扩展和创建许多非常先进的动态网络。物联网的发展将彻底改变许多行业，从自动化、交通、能源、医疗保健、金融服务到纳米技术等都有涉及到。IOTS技术也可以为智能家居创建一个新的概念和广阔的发展空间，并为其提供智能、舒适和高效的生活环境和质量。家庭中不同的电器和设备，比如照明灯、空调、家庭安全系统和娱乐系统等都连接到了互联网，因此可以使用智能手机或者平板电脑来远程控制这些电器设备。互联网不仅仅可以用于控制家电设备，也可以用于家庭环境中某些所需温度的维护和监测，或者用于对能量的监控[3]。可以说，这也成为如今有助于降低成本和节约能源的主要问题之一了。
本文是对我们以前的工作的扩展，本文中提出了一种低成本和比较灵活的使用嵌入式微型网络服务的家居控制和监视系统，而这些系统是基于Android智能手机应用程序通过IP连接进行远程控制设备和电器来实现的。本文中所提出的系统不要求提供一种类似系统的专用PC服务器或者提供一种新颖的通信协议来监测和控制更多的家庭环境系统功能的切换。我们利用RESTful Web服务作为一个可以进行交互操作的应用程序层，可以将它直接集成到其他应用领域，比如e-health护理服务、效用、分布、甚至车辆区域网络（VANET）。
本文以下内容简介如下：在第二章节，我们简要讨论设计系统所做的相关工作，第三章节介绍一下该系统的体系结构及其功能，同时第四章节概述了系统实施的家庭控制和监控系统，最后，进行了一些总结。
2.相关工作
家庭自动化或智能家居（也可以称为家庭自动化）可以被描述为在家庭环境中引进技术，以提供方便、舒适、安全和节能的居住环境。添加智能性家庭环境可以提高那些需要护理人员或者机构照顾的老年人和残疾人的生活质量。近年来，由于有更高的可承受性和先进性，智能手机或者平板电脑在家庭自动化中有了显著的增长，并使其有了更广阔的连通性。随着物联网的引入，家庭自动化的研究和实现变得越来越流行。在学术界中许多学术研究已经收到广泛的关注，各种可以支持某种形式进行远程数据传输、传感和控制的无线技术，如蓝牙、WIFI、无线射频识别和蜂窝网络等已被用来嵌入在家中的各种水平的智能设备中。在[4,8-14]的研究中，提出了使用Android智能手机基于蓝牙的没有网络可控性的
家庭自动化系统。该设备是物理连接到一个蓝牙子控制器，然后通过智能手机的内置蓝牙连接进行访问和控制。然而，由于有限的操作范围（最多至100米）的系统是无法应付流动性的，只能控制在附近进行使用。研究人员还试图提供网络互操作性和远程访问控制设备以及在家庭中使用网关设备的电器。本文介绍了一款采用基于PC的Web服务器负责管理连接家庭设备的一个基于WIFI的家庭控制系统。相似的设计也曾在[16-19]被提出过，其中一个专用的Web服务器，数据库和网页已经发展到与网络互联和管理的网络设备的层度。这种系统的缺点是双重的。首先，一个高端的个人电脑已经被利用，这不仅增加了安装成本，也增加了能源的消耗。其次，也增加了开发和托管网页的成本。基于GSM的家电通信和监控设备[20]通过发送不同的指令到家庭移动控制不同的电器，但该系统的缺点是，用户没有提供图形用户界面，用户必须记住不同的命令来控制连接设备。[21]提出了基于移动IP的体系结构及其潜在的应用在没有任何实际部署和测试的智能家居安全和自动化设备中。最近一些研究者也提出了使用Web服务，简单对象访问协议（SOAP）和具象状态传输（REST）作为远程访问的可交互操作的应用程序层的家庭自动化系统。[22]介绍了一种基于XML标准的以太网智能家居管理方案。使用基于网络的Web服务的缺点是它复杂，增加了客户端和服务器解析消息是的开销，从而导致了较慢的操作和更高的带宽。其他[23]提出了基于Web的交互控制家用电器使用的Web技术，如HTTP缓存和推送消息。还开发了一个基于Web的图形用户界面来管理家庭设备。家庭自动化使用云计算也被提出[24、25]，用户可以在他们家里控制各种灯和电器。上述系统为家庭自动化系统的设计和开发做出了重大贡献，现有的工作主要集中在切换和控制家用电器和连接设备，而不是远程控制家庭环境。
- 拟议的系统和架构
3.1.拟议系统的特点
为了解决在调查文献中的灵活性和功能性的问题，我们设计并实现了一个新的、独立的、灵活的、低成本的基于Web服务使用RESTful作为一个可交互操作的应用层家庭监控系统。该系统由一个基于arduous的微型Web-服务器、硬件接口模块和Android兼容的智能手机应用程序组成。在这项工作中提出的架构，可以用最小的编码和设计，定制成不同的方式以适应不同的应用场景，即每次一个新的设备被加入到微型网络服务器，一个致力于设备的新线程便在智能手机的应用程序层自动生成。因此，拟议的工作目的是不包括昂贵的组件，比如高端个人电脑。同时该系统允许授权业主进行远程监视和控制连接的设备在家里使用Wi-Fi或3G/4G功能的支持Java的智能手机。智能手机应用程序端提供了一个图形用户界面（GUI），用于在国内通过服务器真实来IP访问和控制设备。
3.2.建议的体系结构的描述
本节描述的建议体系结构鱼油设计灵活、低成本控制和回家监测系统。架构分为三层：家庭环境、家庭网关和远程环境（如图2所示）
图2.概念架构的概述
远程环境代表的授权用户可以通过Wi-Fi或3G/4G互联网络访问系统上的智能手机应用程序。家庭环境包括家庭网关和硬件接口模块，组成该体系结构的家庭网关的主要功能是在互联网的帮助下提供资料翻译服务。家庭网关的主要成分是基于Arduino以太网的微型服务器。服务器的主要任务是管理、控制和监控系统组件，使硬件接口模块成功的执行其分配的任务。通过传感器触发事件使用执行器的报告服务器。
硬件接口模块通过导线直接连接到传感器。它具有控制能源管理系统如照明、电源插头的能力，HVAC（加热、通风和空调）系统和安全系统如门锁、门。对于家庭环境的监系统控，它支持传感器，比如温度传感器、湿度传感器和电流传感器。
- 系统的实现
正如前面所提到的，所提出的无处不在的家居控制和监控系统由三个主要模块：微型Web服务器、硬件接口模块和软件包（智能手机应用程序）。为了证明该系统的可行性和有效性，如光开关设备、电源插头设备、温度传感器和电流传感器设备已被集成到所提出的家庭控制系统中。本节中介绍了系统实现的相关细节。
4.1.家庭网关的软件开发
本文将提出的家庭自动化系统软件分为服务器应用软件和微控制器固定程序。服务器应用软件是一个基于微控制器中微型网络服务器采用以太网屏蔽运行库来实现的。这个以太网有能力被用作客户端或者服务器来使用。成功实现在远程用户和家庭网关之间的通信，配置阶段和传感器/执行器控制阶段已在 Arduino Uno平台上实施。lt;以太网gt;库用于对Arduino Uno接收数据并创建JavaScript对象符号输出消息格式（JSON）。图3显示了Arduino Uno和互联网之间建立连接的流程图。
图3.家庭网关和互联网建立连接的流程图
家庭网关是通过TCP/IP连接到互联网上的。由于Arduino以太网盾已经支持TCP/IP协议栈，我们专注于实现软件连接到远程用户。家庭网关一旦开始进入配置阶段，在配置阶段，以太网模块与局域网（LAN）使用静态的地址。在优化连接的过程中，我们使用了静态IP地址而不是通过动态主机配置协议（DHCP）获取一个IP。一旦家庭网关被初始化，它进入一个空闲状态，直到收到来自远程用户的任何命令。当从智能手机应用程序中成功接收命令，进行解码和适当的进行控制动作，这些动作可以进行驱动或感测。
4.2.家庭网关应用程序框架
Web服务访问具有容易、直接、开放和互操作等特性。也就是说，在每一个平台和开发环境中提供的通信手段和编程接口（APIs）都是很容易实现的[26]。提供最开放的和可交互操作的方式进行远程服务访问，或者利用网络服务进行应用程序之间的通信。有两类网络服务：简单的对象访问协议（SOAP）和象征性状态转移（REST)。RESTful是一种基于Web服务比SOAP提供更多的类似功能的轻量级的功能机制。因此，在设计方法中我们采用了标准操作的网络服务如GET和POST请求响应JavaScript对象符号（JSON）远程用户和微型Web服务器之间的通信。JSON是一种轻量级的数据交换格式。这是很容易为人们读写，同时对机器进行解析和生成消息比使用XML更简单。比如打开灯，在图4中所示，HTTP的POST请求发送到服务器的方法。
图4.Arduino和微型Web服务器之间的信息请求
4.3.智能手机的应用及特点
智能手机应用程序，如智能手机操作系统、Symbian、iOS和Android。由于大多数智能手机支持Android操作系统，因此，我们决定使用Android软件开发工具包在Java编程语言（SDK）进行开发和实施的应用程序。我们的智能手机应用程序最主要的功能是从用户隐藏几个进程。我们可以自定义应用程序，包括各种用户界面元素，比如文本框、选择框、列表和命令按钮等。如图5所示，显示了一些图形用户界面的设计。
图5.家庭控制系统的图形用户界面截图
智能手机应用程序的家庭控制和监控应用程序提供对用户以下功能：1）远程连接到家庭服务器，2）设备控制，3）设备检测，4）管理计划。要成功连接到家庭服务器，用户必须配置网络服务器的地址和端口号（如图5，a），然后使用的Arduino 平台的标准参考模版将用户同步应用程序与Web服务器（如图5,b）检索的执行器和传感器连接起来。
在执行同步时，智能手机应用程序发送以下Arduino：HTTP：//arduinoip/?out=all，Web服务器具有以下JSON消息回复:
{'ip' : '117.17.80.199', 'devices' :
[{ 'type' : 'light', 'name' : 'Light 1', 'out' : '4'},
{ 'type' : 'light', 'name' : 'Light 2', 'out' : '5'},
{ 'type' : 'temperature', 'name' : 'Temp', 'out' : '3'},
{ 'type' : 'plug', 'name' : 'Power Plug', 'out' : '6'},
{ 'type' : 'door', 'name' : 'Front Door', 'out' : '7'},
{ 'type' : 'gate', 'name' : 'Main Gate', 'out' : '8'},
{ 'type' : 'wattmeter', 'name' : 'Main Switch Board', 'out' : '2'}]}
JSON消息指示的远程服务器的IP地址，Arduino 的I/O端口，连接设备和设备类型。要连接新的设备，并将其添加到应用程序，用户只需要程序家用服务器。每次一个新的设备被编程到服务器，一个新的线程专用设备是自动创建的应用程序（见图5）如光1和光2。在将用户程序与家庭服务器同步之后，用户只需按应用程序中的设备图标开打开或关闭。
智能手机应用程序发送到以下家庭服务器：
