物联网：无处不在的家庭控制和 使用Android智能手机的监控系统外文翻译资料

International Journal of Internet of Things 2013, 2(1): 5-11

DOI: 10.5923/j.ijit.20130201.02

Internet of Things: Ubiquitous Home Control and Monitoring System using Android based Smart Phone

Rajeev Piyare

Department of Information Electronics Engineering, Mokpo National University, Mokpo, 534-729, Korea South

Abstract This paper presents a low cost and flexible home control and monitoring system using an embedded micro -web server, with IP connectivity for accessing and controlling devices and appliances remotely using Android based Smart phone app. The proposed system does not require a dedicated server PC with respect to similar systems and offers a novel communication protocol to monitor and control the home environment with more than just the switching functionality. To demonstrate the feasibility and effectiveness of this system, devices such as light switches, power plug, temperature sensor and current sensor have been integrated with the proposed home control system.

Keywords Internet of Things, Smart Home, Home Automation, Android Smartphone, Arduino

1. Introduction

The Internet of Things (IoTs ) can be described as connecting everyday objects like s mart -phones, Internet TVs, sensors and actuators to the Internet where the devices are intelligently linked together enabling new forms of communication between things and people, and between things thems elves [1]. Building IoTs has advanced significantly in the last couple of years since it has added a new d imens ion to the world of in format ion and communication technologies . According to[2], it is expected that the number of devices connected to the Internet will accumulate from 100.4 million in 2011 to 2.1 billion by the year 2021, growing at a rate of 36% per year. In the year 2011, 80% machine to machine (M2M) connections were made over mobile networks such as 2G and 3G and it is predicted that by 2021, this ratio will increase to 93% since the cost related with M2M over mobile networks are generally cheaper than fixed networks as illustrated in Figure 1. Now anyone, from anytime and anywhere can have connectivity for anything and it is expected that these connections will extend and create an entirely advanced dynamic network of IoTs . The development of the Internet of Things will revolutionize a number of sectors, from automation, transportation, energy, healthcare, financial services to nanotechnology . IoTs technology can also be applied to create a new concept and wide development space for s mart homes to provide intelligence, comfort and to improve the quality of life.

• Corresponding author: rajeev.piyare@hotmail.com (Rajeev Piyare) Published online at http://journal.sapub.org/ijit

Copyright copy; 2013 Scientific amp; Academic Publishing. All Rights Reserved

Different devices and the appliances in the home such as lightings, air condition, home security and entertainment systems are now being connected to the Internet so that it can be controlled remotely using the Smart phones or Tablets. Not only devices can be controlled, but home environment can also be continuously monitored for maintaining certain desired temperature or monitoring amount of energy consumption[3]. Hence, this will contribute to overall cost reduction and energy saving which is one of the main concerns of today.

Figure 1. M2M device connections and future predictions

This paper is the extension of our previous work[4] and presents a low cost and flexible home control and monitoring system using an embedded micro-web server, with IP connectivity for accessing and controlling devices and appliances remotely using Android based Smart phone app. The proposed system does not require a dedicated server PC with respect to similar systems and offers a novel communication protocol to monitor and control the home environment with more than just the switching functionality. We have utilized RESTful based Web services as an interoperable application layer that can be directly integrated

into other application domains like e-health care services, utility, distribution, or even vehicular area networks (VANET).

The remaining of the paper is organized as follows. In Section 2, we briefly discuss related work. Section 3 describes the proposed system architecture and its features while Section 4 outlines the system implementation of the home control and monitoring system. Finally, some conclusions are presented.

2. Related Work

Home automation or Smart Homes (also known as domotic) can be described as introduction of technology within the home environment to provide convenience, comfort, security and energy efficiency to its occupants[5]. Adding intelligence to home environment can provide increased quality of life for the elderly and disabled people who might otherwise require caregivers or institutional care. There has been a significant increase in home automation in recent years due to higher affordability and advancement in Smart phones and tablets which allows vast connectivity. With the introduction of the Internet of Things, the research and implementation of home automation are getting more popular[6]. Much of the research attention has been given in academia. Various wireless technologies that can support some form of remote data transfer, sensing and control such as Bluetooth, Wi-Fi, RFID, and cellular networks have been utilized to embed various levels of intelligence in the home[7]. The studies in[4, 8-14] have presented Bluetooth based home automation systems us

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物联网：无处不在的家庭控制和

使用Android智能手机的监控系统

拉吉夫皮亚雷

木浦国立大学信息电子工学系，木浦，534-729，韩国南部

摘要：本文介绍了一种低成本，灵活的家庭控制和监控系统，该系统使用嵌入式微型网络服务器，具有IP连接，可使用基于Android的智能手机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，而不仅仅是切换功能。 为了证明该系统的可行性和有效性，诸如灯开关，电源插头，温度传感器和电流传感器之类的设备已经与所提出的家庭控制系统集成在一起。

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

1、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，其中设备智能地连接在一起，从而实现事物和人之间以及事物之间的新形式的通信[ 1]。自从它为信息和通信技术领域增加了一个新的层面以来，在过去几年中，构建物联网已经取得了重大进展。根据[2]，预计连接到互联网的设备数量将从2011年的1亿4千万增加到2021年的21亿，每年以36％的速度增长。在2011年，80％的机器对机器（M2M）连接是通过2G和3G等移动网络进行的，预计到2021年，这一比例将增加到93％，因为与移动网络上的M2M相关的成本一般比图1所示的固定网络便宜。现在任何人都可以随时随地连接任何东西，并且预计这些连接将扩展并创建一个完全先进的物联网动态网络。物联网的发展将彻底改变许多领域，从自动化，运输，能源，医疗保健，金融服务到纳米技术。物联网技术还可以应用于为智能家居创造新概念和广阔发展空间，以提供智能，舒适和改善生活质量。家庭中的不同设备和家用电器如照明，空调，家庭安防和娱乐系统现在都连接到互联网，因此可以使用智能手机或平板电脑远程控制。 不仅可以控制设备，还可以连续监控家庭环境，以维持某些所需的温度或监测能耗[3]。 因此，这将有助于整体降低成本和节约能源，这是当今主要关注的问题之一。

图1 M2M设备连接和未来预测

本文是我们以前工作的扩展[4]，提出了一种使用嵌入式微型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，可使用基于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，而不仅仅是切换功能。 我们已经将基于RESTful的Web服务用作可互操作的应用层，可以直接集成到其他应用领域，如电子医疗保健服务，公用事业，分销甚至车载区域网络（VANET）。

本文的其余部分安排如下。 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性，而第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。

2、相关工作

家庭自动化或智能家居（也称为家庭自动化）可以被描述为在家庭环境中引入技术，为其居住者提供便利，舒适，安全和能源效率[5]。为家庭环境添加智能可以提高生活质量对于可能需要照顾者或机构照顾的老年人和残疾人来说。近年来由于智能手机和平板电脑的更高的可承受性和进步，家庭自动化有了显着的增长，这使得互联网具有广泛的连通性。事情，家庭自动化的研究和实施越来越受欢迎[6]。大部分研究都受到学术界的关注。各种无线技术可以支持某种形式的远程数据传输，传感和控制，如蓝牙，Wi-Fi，RFID和蜂窝网络，已被用于在家中嵌入各种级别的智能[7]。 [4,8-14]的研究提出了使用Android智能手机的蓝牙家庭自动化系统，没有互联网可控性。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蓝牙连接进行访问和控制。但是，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。研究人员还尝试使用家庭网关为家庭控制设备和设备提供网络互操作性和远程访问。[15]引入了基于Wi-Fi的家庭控制系统，该系统使用基于PC的Web服务器来管理连接的家庭设备。在[16-19]中也提出了类似的设计，其中已经开发了专用的web服务器，数据库和网页以与因特网互连和管理设备。这些系统的缺点是双重的。首先，使用了高端个人计算机，不仅增加了安装成本，而且增加了能耗。其次，网页的开发和托管也增加了成本。基于GSM的家用电器通信和控制也已由[20]提出，其中不同的AT命令被发送到家用移动设备以控制不同的设备。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AT命令来控制连接的设备。[21]提出基于移动IP的架构及其在智能家居安全和自动化中的潜在应用，无需任何实际部署和测试。最近，很少有研究人员将Web服务，简单对象访问协议（SOAP）和代表性状态转移（REST）用作远程访问家庭自动化系统的可互操作应用层。[22]在基于XML SOAP标准的以太网网络中引入了智能家居管理方案。使用基于SOAP的Web服务的缺点是它很复杂并且在解析消息时增加了客户端和服务器的开销，导致操作更慢和带宽更高。 REST [23]已经被呈现为基于Web的交互，用于使用诸如HTTP缓存和推送消息传递之类的Web技术来控制家用电器。此外，还开发了基于Web的图形用户界面来管理家庭设备。 [24,25]也提出了使用云计算的家庭自动化，用户可以在家中控制各种灯和设备。

上述系统为家庭自动化系统的设计和开发做出了重要贡献。 然而，现有的工作主要集中在切换和控制家用电器或连接设备，而不是远程监控家庭环境。

3、建议的系统和架构

3.1 系统的特征

为了解决文献调查中提到的灵活性和功能性问题，我们使用基于RESTful的Web服务作为可互操作的应用层，设计并实现了一种新颖，独立，灵活且低成本的家庭控制和监控系统。该系统包括一个基于Arduino以太网的微型Web服务器，硬件接口模块和Android兼容的智能手机应用程序。在这项工作中呈现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，只需最少的重新编码和设计，即每次将新设备添加到微型Web服务器时，将自动创建专用于该设备的新线程。智能手机应用程序。因此，所提出的工作的目的不是结合昂贵的组件，例如高端个人计算机。该系统允许授权的房主使用任何支持Java的支持Wi-Fi或支持3G / 4G的智能手机远程控制和监控家中连接的设备。智能手机应用程序提供图形用户界面（GUI），用于通过服务器真实IP访问和控制家中的设备。

3.2 架构描述

本节描述了灵活低成本的家庭控制和监控系统的架构和设计。该体系结构分为三层：家庭环境，家庭网关和远程环境（参见图2）。

远程环境代表可以通过Wi-Fi或3G / 4G网络使用Internet访问智能手机应用程序系统的授权用户。 家庭环境由家庭网关和硬件接口模块组成。所提出的架构的家庭网关的主要功能是在因特网之间提供数据转换服务。Home Gateway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，并通过传感器报告带有触发事件的服务器。

硬件接口模块通过导线直接与传感器和执行器连接。它具有控制能源管理系统的能力，如照明，电源插头，HVAC（加热，通风和空调）系统和安全系统，如门锁和门。 为了监控家庭环境，系统支持温度，湿度和电流等传感器。

图2 概念架构概述

4、系统实施

如上所述，所提出的无处不在的家庭控制和监控系统包括三个主要模块：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，诸如灯开关，电源插头，温度传感器和电流传感器等设备已与所提出的家庭控制系统集成。本节描述了系统实现细节。

4.1 家庭网关的软件开发

图3 用于建立连接的家庭网关流程图

所提出的家庭自动化系统的软件分为两部分：服务器应用软件和微控制器固件。服务器应用程序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。该以太网屏蔽具有作为客户端或服务器使用的能力。为了在远程用户和家庭网关之间成功通信，在Arduino Uno上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上的数据并在JavaScript对象中创建输出消息符号（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连接到Internet。由于Arduino以太网屏蔽已经支持TCP / IP堆栈，因此我们专注于实现将其连接到远程用户的软件。 Home Gateway一旦开始进入配置阶段。在配置阶段，以太网模块使用静态IP地址与局域网（LAN）建立连接。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。初始化Home Gateway后，它将进入空闲状态，直到从远程用户收到任何命令。成功接收来自智能手机应用程序的字符串命令后，将对其进行解码并采取适当的控制措施。这些动作可以是致动或感测。

4.2 家庭网关应用框架

对Web服务的访问必须简单，直接，开放和可互操作。也就是说，所提供的通信装置和编程接口（API）应易于在每个平台和开发环境中实现[26]。提供对远程服务的访问或使应用程序能够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）和代表性状态转移（REST）。RESTful是一种比SOAP提供类似于基于SOAP的Web服务的功能更轻量级的机制。

因此，在我们的方法中，我们使用基于RESTful的Web服务，利用标准操作（如GET和POST请求）返回JavaScript Object Notation（JSON）响应，以便在远程用户和微Web服务器之间进行通信。JSON是一种轻量级数据交换格式。人类很容易读写。机器解析和生成消息比使用XML更简单。例如，为了打开灯，HTTP POST请求被发送到服务器的资源，如图所示。

图4 Arduino和微型Web服务器之间的消息传递

4.3 智能手机应用和功能

图5 家庭控制系统的图形用户界面的屏幕截图

有几个平台可用于开发智能手机应用程序，如Windows Mobile，Symbian，iOS和Android。由于大多数智能手机都支持Android操作系统，因此我们决定使用Android软件开发套件（SDK）以JAVA编程语言开发和实现该应用程序[27]。我们的智能手机应用程序最重要的功能是隐藏用户的多个进程，同时允许与应用程序的完全交互。通过使用多个软件包，我们能够自定义应用程序以包括各种用户界面元素，如文本框，选项组，列表和命令按钮。图5说明了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）设备控制。 3）设备监控。 4）管理时间表。要成功连接到主服务器，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（参见图5.b），以检索连接到Arduino Uno的执行器和传感器以及它们的用途。

在执行同步时，智能手机应用程序将以下内容发送到Arduino：http：// arduinoip /？out = all并确认该命令，Web服务器回复以下JSON消息：

{'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消息指示远程主服务器的IP地址，设备所连接的Arduino I / O端口以及设备类型。 要连接新设备并将其添加到应用程序，用户必须仅对主服务器进行编程。 每次在服务器中编程新设备时，在应用程序中自动创建专用于该设备的新线程（参见图5.c），例如， Light 1和Light 2.在将应用程序与家庭服务器同步后，用户只需按下应用程序中的设备图标即可将其打开或关闭。

智能手机应用程序将以下内容发送到主服务器：http：// arduinoip /？out = 1＆status = 1。 out表示Arduino上的I / O端口，状态可以是1（ON）或0（OFF）。图5（d）显示应用程序上的温度显示。管理计划项目（图5.e） 列出并管理可以安排在特定时间运行的当前设备。

4.4 硬件实现和家庭自动化设备

为了证明这一概念，使用低成本和现成的电子硬件来设置测试台。整体实现图如图6所示。

图6 硬件架构和实现

Arduino Uno和以太网屏蔽用于实现家庭网关的微型Web服务器。家庭网关根据4.1节中提供的详细信息连接到Internet。 Ardui

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