外文翻譯-基于Android智能家居系統(tǒng)

1、通信工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計外文翻譯畢業(yè)設(shè)計題目基于ANDRIO的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)外文題目UBIQUITOUS SMART HOME SYSTEM USING ANDROID APPLICATION專業(yè)：通信工程 學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師姓名：指導(dǎo)教師職稱：副教授 日期： 2015 年 1 月 10 日International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC) Vol.6, No.1, January 2014基于Android應(yīng)用的無處不在的智能家居系統(tǒng)Shiu KumarDepartment of Info

2、rmation Electronics Engineering, Mokpo National University,534-729, Mokpo, South Korea摘 要 本文提出了一種靈活獨立的，低成本的智能家居系統(tǒng)，它是基于Android應(yīng)用與微web服務(wù)器通信，不僅僅提供交換功能。 Arduino以太網(wǎng)的使用是為了避免使用個人電腦從而保證整個系統(tǒng)成本最低，語音激活時用來實現(xiàn)切換功能的。光開關(guān)，電源插頭，溫度傳感器，濕度傳感器，電流傳感器，入侵檢測傳感器，煙霧/氣體傳感器和警報器等這些設(shè)備集成在系統(tǒng)中，表明了所提出的智能家居系統(tǒng)的有效性和可行性。經(jīng)過檢測，智能家居應(yīng)用程序可以成功地

3、進(jìn)行智能家居操作，例如開關(guān)功能，自動環(huán)境監(jiān)測，和入侵監(jiān)測，在監(jiān)測到有不法入侵后，系統(tǒng)會自動發(fā)送一個郵件，并響警笛。關(guān)鍵字：Android智能手機(jī)，智能家居，物聯(lián)網(wǎng)（loTs），遠(yuǎn)程控制1. 引言隨著移動設(shè)備受歡迎程度的不斷增長和人們?nèi)粘Ｉ钪袑o處不在的先進(jìn)的移動應(yīng)用的功能需求不斷增加，利用Web服務(wù)是提供遠(yuǎn)程訪問服務(wù)的最開放和可互操作的方式，并且使應(yīng)用程序能夠彼此通信。一個有吸引力的市場產(chǎn)品自動化和網(wǎng)絡(luò)化是忙碌的家庭和有生理缺陷的個人的代表。 loTs可以被描述為連接智能手機(jī)，網(wǎng)絡(luò)電視，傳感器等到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)人們之間溝通的新形勢。過去幾年中l(wèi)oTs的發(fā)展，創(chuàng)造了一個新層面的世界。這使得人們可

4、以在任何時間，任何地點，聯(lián)通任何期望的東西。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可用于為智能家居創(chuàng)建新的概念和廣闊的空間，以提供智能，舒適的發(fā)展空間和完善生活質(zhì)量。 智能家居是一個非常有前途的領(lǐng)域，其中有各種好處，如增加提供舒適性，更高安全性，更合理地使用能源和其他資源。這項研究的應(yīng)用領(lǐng)域非常重要，未來它為幫助和支持有特殊需求老的人和殘疾人士提供了強(qiáng)有力的手段。設(shè)計一個智能家居系統(tǒng)時需要考慮許多因素，該系統(tǒng)應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)實惠的，是可伸縮的，使得新的設(shè)備可以容易地集成到系統(tǒng)中，此外，它應(yīng)該是用戶友好的。 隨著智能手機(jī)用戶的急劇增加，智能手機(jī)已經(jīng)逐漸變成了具備所有功能的便攜式設(shè)備，為人們提供了日常使用。本文介紹了一種低成本的控

5、制和監(jiān)視家居環(huán)境控制的無線智能家居系統(tǒng)。利用Android設(shè)備，可以通過一個嵌入式微Web服務(wù)器與實際的IP連接，訪問和控制電器和遠(yuǎn)程的其它設(shè)備，這可以利用任何支持Android的設(shè)備。 Arduino Ethernet 用于微Web服務(wù)器從而消除使用PC與系統(tǒng)的需要，以訪問智能用戶認(rèn)證家居系統(tǒng)。語音激活切換應(yīng)用程序也被納入到幫助用戶特別是老人和殘疾人中。2. 相關(guān)文獻(xiàn) 智能家居雖然不是科學(xué)界的新名詞，但它仍然遠(yuǎn)離人們的視覺與聽覺。隨著電子技術(shù)的融合，家庭自動化領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。文獻(xiàn)5到10提出了各種通過藍(lán)牙控制的智能系統(tǒng)，文獻(xiàn)【11】到【13】提出了各種通過互聯(lián)網(wǎng)控制的智能系統(tǒng)，短消息服務(wù)（SM

6、S）的基礎(chǔ) 14 ，藍(lán)牙功能等。目前大多數(shù)筆記本電腦/臺式電腦，平板電腦和手機(jī)都有內(nèi)置的適配器，將間接降低系統(tǒng)成本。然而，它限制了控制范圍內(nèi)的藍(lán)牙環(huán)境，雖然大多數(shù)其他系統(tǒng)降低成本的解決方案不太可行。 在【15】中，描述了一種基于Wi-Fi的家庭自動化系統(tǒng)。它使用一個基于Web服務(wù)器的PC（內(nèi)置Wi-Fi卡）來管理連接的家用設(shè)備。用戶可以管理和控制本地系統(tǒng)（局域網(wǎng)）或遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）。該系統(tǒng)支持大范圍的家庭自動化設(shè)備如電源管理組件和安全組件等。在文獻(xiàn)【16】中提出了一個類似的結(jié)構(gòu)，其行動是由運(yùn)行在PC上的家鄉(xiāng)代理實現(xiàn)的。其他文件如文獻(xiàn)【17】到文獻(xiàn)【20】也提出了由專用的Web服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫和管理設(shè)

7、備的互聯(lián)網(wǎng)頁組成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)利用PC機(jī)從而直接導(dǎo)致成本的增加和功率消耗。在另一方面，網(wǎng)頁的管理和發(fā)展也會帶來額外的成本。文獻(xiàn)【21】描述了一種基于語音激活的無線自動化的微控制器的設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)。用戶說出的語音指令通過麥克風(fēng)，處理和發(fā)送的語音信號通過無線射頻（RF）鏈接到主控制接收單元。語音識別模塊是用于提取語音命令的特征。該提取信號是不是由單片機(jī)處理執(zhí)行所需操作。缺點是該系統(tǒng)必須在射頻范圍。參考文獻(xiàn)【22】描述了一種聲音激活智能家居自動化系統(tǒng)。本系統(tǒng)提供圖形用戶界面（GUI）使用微軟Visual Basic軟件的PC主機(jī)，并使用微軟語音識別發(fā)動機(jī)。信號通過RF鏈路發(fā)送給單片機(jī)的家電

8、器接口。PC的使用增加了成本和功耗消費。 上述文獻(xiàn)描述了智能家居系統(tǒng)的一個顯著的優(yōu)勢。然而，PC機(jī)作為服務(wù)器，增加了成本和功耗，而第三方網(wǎng)頁寄存，需要增加額外的成本。語音激活系統(tǒng)可以使用PC語音識別軟件或單獨的語音識別模塊。3. 系統(tǒng)的設(shè)計3.1系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 所提出的設(shè)計描述了一種低成本的智能家居的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測系統(tǒng)。所提出的系統(tǒng)架構(gòu)概述顯示在圖1中，該系統(tǒng)包括應(yīng)用在Android平臺上的發(fā)展和一個以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的Arduino平臺微型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。并需要進(jìn)行必要的操作。傳感器和致動器/中繼直接連接到主控制器。智能家居環(huán)境中，你可以從遠(yuǎn)程位置控制和監(jiān)視使用智能家庭應(yīng)用，這將通過互聯(lián)網(wǎng)微Web服務(wù)

9、器通信， Wi-Fi連接，或通過任何可用于用戶設(shè)備上的互聯(lián)網(wǎng)3G / 4G網(wǎng)絡(luò)。 圖1 智能家居的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 所提出的設(shè)計提供的功能是能源管理系統(tǒng)等的控制功能例如照明，電源插頭和HVAC （供暖，通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)；安全和監(jiān)控系統(tǒng)，如火災(zāi)探測和入侵檢測與報警器和電子郵件通知；全自動智能家居環(huán)境控制，如保持一定的溫度；語音激活的切換功能，如具有用戶認(rèn)證訪問的智能家居系統(tǒng)。3.2. Android平臺應(yīng)用軟件開發(fā) 開發(fā)智能手機(jī)應(yīng)用程序的平臺有多種，如Windows Mobile，塞班，iOS和Android。在這些系統(tǒng)中，Android平臺的應(yīng)用程序開發(fā)使用Java程序設(shè)計語言，Android 軟件開

10、發(fā)工具包（SDK），也已被用于開發(fā)和實現(xiàn)智能家居的應(yīng)用程序的。該SDK包含了一套完整的開發(fā)工具如調(diào)試器，庫，手機(jī)仿真器的文檔，示例代碼。Eclipse是官方支持（在Windows 7的開發(fā)平臺上運(yùn)）的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）已經(jīng)被用在結(jié)合了Android開發(fā)工具（ADT）插件開發(fā)的智能家居應(yīng)用中。智能家居的屏幕截圖示于圖2，而智能家居應(yīng)用程序處理過程示于圖3。 圖2智能家居的屏幕截圖 圖3 智能家居應(yīng)用程序的進(jìn)程處理智能家居系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用程序為用戶提供了以下功能：1.遠(yuǎn)程連接到智能家居微Web服務(wù)器;需要服務(wù)器實IP和用戶身份驗證。2.設(shè)備控制和監(jiān)測。3.計劃任務(wù)和設(shè)置自動控制的智能家居環(huán)境。4

11、.密碼修改選項。5.支持語音激活的切換功能。 為了成功地連接并訪問智能家居微Web服務(wù)器，用戶必須輸入正確的真實IP地址和密碼（請參閱圖2.A）。如果微web服務(wù)器允許進(jìn)入智能家居的應(yīng)用程序，將收到包含響應(yīng)代碼200的響應(yīng)數(shù)據(jù)包。該應(yīng)用程序處理響應(yīng)數(shù)據(jù)包，以確定微網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的響應(yīng)。響應(yīng)碼200表示密碼是正確的，并且應(yīng)用程序?qū)⑶袚Q到主控制頁面，使用從所述響應(yīng)分組中的數(shù)據(jù)，以反映該智能的實時狀態(tài)同步家庭設(shè)備（見圖2.B）。如果該密碼不正確，響應(yīng)碼404將被接收。一般響應(yīng)分組布局示于圖4中的響應(yīng)碼和設(shè)備與他們的狀態(tài)是通過在設(shè)備的空間分離，其狀態(tài)是由一個冒號分隔。例如，如果用戶從應(yīng)用程序中要求開啟燈1

12、的動作是成功的，它響應(yīng)的分組將是“200 Light_1：1”。零表示關(guān)閉狀態(tài)，而1表示用于切換功能的狀態(tài)。 圖4 響應(yīng)分組的一般布局 用戶可以從被授權(quán)的GUI中執(zhí)行所希望的操作。開關(guān)動作也可以通過使用該谷歌語音識別引擎設(shè)備上可用的語音激活執(zhí)行（見圖2.C）。密碼也可以通過智能家居的應(yīng)用程序的用戶管理。點擊GUI上的密碼更改按鈕，然后會要求用戶輸入舊密碼（見圖2.B）。如果新的口令不包含新密碼，命令包匹配被發(fā)送到微web服務(wù)器。如果密碼修改成功，響應(yīng)代碼201將被接收。自動模式也可以激活此處智能家居環(huán)境被自動地控制，例如保持一定室溫并在夜間/白天，開啟/關(guān)閉某些開關(guān)。當(dāng)用戶在智能家居應(yīng)用中執(zhí)行

13、相關(guān)動作時，命令分組經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到微web服務(wù)器。命令數(shù)據(jù)包的整體布局示于圖5中。命令包是否格式化以這樣一種方式，微網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是很容易讀取并提取從分組的信息。例如用于接通與defaultpassword風(fēng)扇，發(fā)送的命令包將是“$ 1234 Fan_On”并為風(fēng)扇速度設(shè)置為2的命令包將是“$ 1234 FanSpeed_2”。3.3智能家居微型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的軟件開發(fā)微Web服務(wù)器的主控制器是由服務(wù)器應(yīng)用軟件和Arduino的微控制器固件組成的的智能家居系統(tǒng)的心臟。服務(wù)器應(yīng)用軟件是庫實現(xiàn)使用的Arduino以太網(wǎng)屏蔽連接到互聯(lián)網(wǎng)，通過TCP / IP，這可以作為在服務(wù)器和客戶端上的Arduino

14、Mega 2560運(yùn)行微web服務(wù)器的。以太網(wǎng)文庫“<Ethernet.h>”被用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)在與微控制器一起使用。發(fā)送到智能家居的應(yīng)用程序的輸出消息是JavaScript對象符號（JSON）格式。利用Web服務(wù)是提供遠(yuǎn)程訪問服務(wù)，或使應(yīng)用程序之間相互溝通的最開放和可互操作的方式。簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）和代表性狀態(tài)傳輸（REST）是兩類Web服務(wù)。但是，REST FUL基于Web的服務(wù)已經(jīng)采用，由于其重量輕，相比基于SOAP的Web服務(wù)提供類似的功能。標(biāo)準(zhǔn)GET和POST請求的操作已被用于智能家居應(yīng)用程序的微型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的通信。例如，如果在智能家居應(yīng)用的用戶動作是激活

15、房子報警系統(tǒng)，隨后的消息交換發(fā)生的示于圖6。 圖6 智能家居app和微網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的消息交換主控制器通過初始化以太網(wǎng)，建立它們之間的連接。變量包括狀態(tài)變量的初始化和單片機(jī)的中斷使能。如果被運(yùn)行的第一次與智能家用服務(wù)器代碼的主控制裝置，那么1234的缺省口令被初始化。否則，該密碼被從EEPROM讀取和存儲于密碼變量。密碼被存儲在微控制器的EEPROM，以便主控制器完全關(guān)閉，這可能是由于某些原因，如低或無電源或者用戶重新啟動系統(tǒng)之后開始仍然可用。在初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式之前，客戶端被提供。圖7示出了用于主控制器的一般流程圖。客戶端提供的命令包被接收并且信息被提取。一旦該命令包被接收并且數(shù)據(jù)被

16、提取或解碼則執(zhí)行操作子例程處理該認(rèn)證檢查和動作進(jìn)行。圖8示出了用于表現(xiàn)動作的子程序的流程圖。 圖7 主控制器的操作的流程圖 圖8 主控制器執(zhí)行操作的子程序 一旦執(zhí)行操作子程序被調(diào)用時，用戶認(rèn)證是密碼驗證。如果該密碼不正確，該響應(yīng)被發(fā)送回客戶機(jī)，用戶應(yīng)用程序的客戶端斷開。然而，如果驗證是正確的，然后請求的動作被執(zhí)行。發(fā)送用于不同操作的響應(yīng)碼執(zhí)行已經(jīng)討論過。如果請求的操作是改變密碼，然后新密碼寫入EEPROM，密碼變量初始化為新密碼。之后進(jìn)行的每一個動作，所述響應(yīng)分組發(fā)送到之后，響應(yīng)代碼被初始化到404的客戶端。 單片機(jī)的中斷是用來忽視安全和監(jiān)控，如煙霧，火災(zāi)，煤氣或入侵檢測。如果任何一個傳感器被

17、觸發(fā)，產(chǎn)生中斷。微控制器隨后確定中斷的已生成的類型。一旦中斷生成的類型是已知的，警報器被接通和電子郵件通知發(fā)送到用戶指定的交友包括用戶。例如，如果火是廚房里檢測到用戶收到的電子郵件將電子郵件的主題為“智能家居報警”和身體作為“消防檢測的廚房”。用戶可以從用戶的應(yīng)用程序關(guān)閉警笛或者它會在一定的時間周期取決于用戶的要求后自動關(guān)閉。3.4智能家居設(shè)備 The Arduino Mega 2560和Arduino的以太網(wǎng)盾已經(jīng)被用于實現(xiàn)智能家居微Web服務(wù)器。Arduino是基于靈活，易于使用的硬件和軟件的開源電子原型平臺。Arduino Mega 2560微控制器板是基于具有54數(shù)字輸入/輸出管腳的A

18、Tmega256。以太網(wǎng)是通過Arduino的SPI接口引腳到Arduino。低電壓開關(guān)繼電器被用來與Arduino 器件集成用于演示的開關(guān)功能。的LM35溫度傳感器，用于監(jiān)測智能家庭環(huán)境。該CG313 MQ5煙氣傳感器模塊Arduino的已用于煙霧探測。對于入侵檢測中，HC-SR501紅外線PIR運(yùn)動傳感器模塊的Arduino已經(jīng)利用。4. 結(jié)果與討論 本文描述了智能家居系統(tǒng)的開發(fā)和測試，以證明其可行性和有效性。開發(fā)了智能家居應(yīng)用程序的屏幕截圖已經(jīng)呈現(xiàn)在圖2中，這將在第3.2節(jié)中描述。如上所述，身份驗證才能訪問的智能家居系統(tǒng)。圖9.A顯示顯示被輸入的密碼無效的消息。此消息的根據(jù)是從智能家居微

19、web服務(wù)器接收到的響應(yīng)。如果提供了正確的認(rèn)證，該應(yīng)用隨后顯示通知登錄成功智能家庭控制頁，如圖9.B.當(dāng)語音激活功能時，如果沒有命令被抓獲，將顯示一條消息，提示用戶再次發(fā)言（見圖9.C）。圖9 智能家居應(yīng)用的截圖：（a）當(dāng)輸入密碼無效（b）當(dāng)?shù)卿洺晒Γ╟）當(dāng)沒有語音命令被捕獲智能家居系統(tǒng)是全功能的開關(guān)應(yīng)用。智能家居系統(tǒng)也測試了入侵和火災(zāi)探測，由此成功地檢測到相應(yīng)的事件并生成一封電子郵件給用戶，并打開警笛。圖10示出了生成的電子郵件（由于在廚房檢測出火災(zāi)）和接收。圖10 收到的通過電子郵件生成的警報通知：（a）對Android移動設(shè)備（b）臺式PC5. 結(jié)論 本文提出并實現(xiàn)了一種可以通過遠(yuǎn)程用戶

20、認(rèn)證來控制一個基于互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)。基于Android的智能家居的應(yīng)用程序通過互聯(lián)網(wǎng)微web服務(wù)器，使用REST FUL基于Web的服務(wù)進(jìn)行通信。任何支持Android的設(shè)備可安裝智能家居的應(yīng)用程序，并控制和監(jiān)控智能家居環(huán)境。本文開發(fā)的智能家居系統(tǒng)成本較低，它不需要PC作為所有處理，由微控制器來處理。該系統(tǒng)還采用了谷歌的語音識別引擎，從而避免了外部的語音識別模塊的使用。未來工程包括結(jié)合短信和打電話報警，減少了對通過創(chuàng)建家居環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和監(jiān)視智能家居環(huán)境中安裝所提出的系統(tǒng)中已存在的房屋配線的變化。致謝 感謝為這項研究提供財政支持WooJung教育文化基金會，這有助于研究材料的采購

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