基于Android的室内微环境感知及家电控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Android的室内微环境感知及家电控制方法，包括基于Android的室内微环境感知及家电控制系统，所述控制系统包括无线传感器节点、网关、数据库服务器、Web服务器、控制模块、智能手机。本发明将Android与室内环境的监控结合起来，扩大了适用范围。
【专利说明】基于Android的室内微环境感知及家电控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于互联网【技术领域】，涉及一种基于Android的室内微环境感知及家电控 制方法。
【背景技术】
[0002] 近几年随着泛在网络技术的发展，物联网概念的提出大大冲击了传统智能家庭网 络的网络接入技术。以往的布线式家庭网络正在逐渐淘汰，简单和智能化的嵌入式设备和 无线传感器正大量进入人们日常的生活应用中，为实现人与物，物与物交流，感知环境，形 成协同式决策提供了技术基础。更多的家庭设备厂商在研产品中都加入了无线传感模块。 无线传感网正在成为连接现有家庭设备，实现由感知层，网络层，应用层共同构建开放式智 能家庭体系的重要途径。
[0003] 此外，在智能家居领域还提出了构建绿色家庭的概念，推出了节能减耗的设计方 案。暖通空调企业也一直致力于空调产品的节能设计和改造。但是，在原有的家庭系统中， 智能家庭在电力节能方面却进展有限。由于家庭设备功耗大部分由家电厂商决定，除了在 家电产品厂商提高设备的节能效率，智能家居系统只能在家庭设备的日常应用中切入，提 高设备的有效利用，减少能耗损失，无线传感网为这种基于传统家居体系的家庭设备整体 节能管理和控制提供了现成的基础和体系。
[0004] 移动设备如平板电脑和智能手机已在人们信息交换中担任重要角色。而今安卓系 统的手持移动设备已高度普及，2013年的第四季度，Android平台手机的全球市场份额已 经达到78. 1 %。2013年09月24日谷歌开发的操作系统Android在迎来了 5岁生日，全世 界采用这款系统的设备数量已经达到10亿台。这使得人们通过安卓app随时随地监测、调 节室内环境成为可能。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于Android的室内微环 境感知及家电控制方法，实现随时随地的室内微环境的监测功能，为用户提供一套完整的 室内环境感知解决方案。其具体技术方案为：
[0006] -种基于Android的室内微环境感知及家电控制方法，包括感知子系统和控制子 系统，所述感知子系统包括无线传感器节点、网关、数据库服务器、Web服务器、智能手机； 所述控制子系统包括空调、控制模块、智能手机；
[0007] 感知子系统分为采集实时数据和查询历史数据两部分：
[0008] 感知子系统采集实时数据的步骤：
[0009] 1)智能手机通过wifi与网关相连接，当有数据需求时，智能手机向网关发送Http 请求。
[0010] 2)网关收到智能手机的数据请求后，解析智能手机的数据请求，并向无线传感器 节点发送相关的命令。
[0011] 3)无线传感器节点集成了空气温度传感器空气湿度传感器光照强度传感器，无线 传感器节点收到命令后，采集相应的数据并将数据返回网关。
[0012] 4)网关将数据进行封装并转发给智能手机。
[0013] 5)智能手机收到数据后，对数据进行解析，并对数据进行合理的处理呈现，从而完 成一次完整的实时数据的采集；
[0014] 感知子系统采集实时数据的步骤：
[0015] 1)当智能手机需要查询历史数据时，安卓手机向Web服务器发送Http请求。
[0016] 2) Web服务器是数据库服务器与智能手机之间的桥梁。Web服务器收到Http请求 后，通过Servlet调用JDBC查询数据库服务器。
[0017] 3)数据库服务器将查询结果返回给Web服务器。
[0018] 4) Web服务器将数据按照一定的格式封装，并返回给智能手机
[0019] 5)智能手机收到数据后，进行数据解析，并通过曲线的形式展现出室内环境的变 化趋势。
[0020] 所述控制子系统工作流程如下：
[0021] 1)使用基于Android的客户端软件通过蓝牙4. 0BLE连接空调控制模块；
[0022] 2)在软件界面上选择一个指令，点击"学习"按钮，空调控制模块进入对指定红外 指令的学习状态；
[0023] 3)手持要学习的设备遥控器在近距离对空调控制模块发出指定红外信号；
[0024] 4)红外学习模块学习成功，软件界面上显示"学习成功"。
[0025] 5)点击已学到红外信号的按钮，向空调控制模块发送特定指令，空调控制模块受 到指令后，发射对应的红外信号控制空调。
[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0027] 1、将Android与室内环境的监控结合起来
[0028] 到二^^一世纪，人类进入了所谓的后PC时代。PC不再是一个人的数字生活的中 心，移动设备如平板电脑和智能手机已在人们信息交换中担任重要角色。
[0029] 而今安卓系统的手持移动设备已高度普及，使得人们通过安卓app随时随地监 测、调节室内环境成为可能。因此本发明在详细分析了国内现状后，将Android与室内环境 的监控结合起来。这样做的好处有：
[0030] (1)降低系统的成本。在Android大行其道的今天，每个家庭至少有一台Android 设备，用户只需安装相应的客户端和必要的硬件就可以监控家庭环境，省去过去需要安装 专用设备的费用，从而更加利于系统的推广。
[0031] (2)用户可以随时监控家庭环境。过去，智能家居与用户的交互通过PC机来完成， 那么用户只能在固定的地点监控家庭环境。本系统将系统与用户交互的环境放在了手机 上，这样用户就可以随时随地掌控自己的家庭环境了。
[0032] 2、消除了目前国内监控系统界面普遍不友好的弊端
[0033] 不可否认，目前市场上已经存在一些基于安卓的家庭环境监控系统，但是经过调 查发现，绝大多数客户端的界面极其不友好。这也是基于安卓的家庭环境监控系统未能在 国内大氛围推广的原因。
[0034] 3、针对室内环境数据进行了大量的分析处理
[0035] 对数据的处理也是目前基于安卓的家庭环境监控系统的软肋，大多数软件基本上 都是在采集到数据后直接将数据展现出来，当然这种方式的用户体验也是极其糟糕的。在 本系统中对采集到的数据进行了大量的分析、处理（数据的处理在3. 3. 2节已经做了阐述， 此处不再赘述），从而使用户的体验更加良好。
[0036] 4、本系统针对底层接口不开放的家庭设备中最常用的空调进行控制
[0037] 空调应该说是现代家庭生活中不可获取的家用电器，也是日常生活中最耗能的家 用电器之一。鉴于这两个原因，本系统集成了空调控制功能，是系统的功能更加实用、更加 完善。此外，本系统的空调控制方式采用基于学习机制的红外控制，使得可以控制任意类型 的空调设备，大大扩展了系统的适用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图1是基于Android的室内微环境感知及家电控制系统的结构图；
[0039] 图2是历史数据查询示意图；
[0040] 图3是单片机模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0042] 从图1中可以看到，智能手机是整个系统的核心。下面分别介绍系统中各个部分 的功能
[0043] 1、无线传感器节点
[0044] 无线传感器节点是本系统的基础，室内环境信息的采集就是由它来完成。无线传 感器节点集成了空气温度传感器、空气湿度传感器、光照强度传感器，因此它能够实时采集 室内的空气温度、空气相对湿度、光照强度信息。
[0045] 2、网关
[0046] 网关与无线传感器节点通过Zigbee协议连接，网关的主要作用是解析智能手机 的数据请求，并将无线传感器采集到的数据转发给智能手机。此外，在未收到数据请求的情 况下，网关会每隔5s控制无线传感器节点采集数据，并将数据发送给数据库服务器。
[0047] 3、数据库服务器
[0048] 本系统的数据库服务器采用Microsoft SQL Server 2005,数据库服务器的功能 是保存室内环境的历史数据，以便查询。本数据库主要由三张表构成分别用于存储空气温 度、空气湿度、光照强度。
[0049] 4、Web 服务器
[0050] Web服务器是数据库服务器与智能手机之间的桥梁。智能手机在访问数据库服务 器以获取历史数据时，由于智能手机无法直接访问数据库服务器，因此必须借助Web服务 器才能获取到历史数据。Web服务器在收到智能手机的数据请求后，连接数据库服务器进行 查询，最后将数据库服务器返回的查询结果返回给智能手机。
[0051] 5、控制模块
[0052] 目前，绝大多数空调采用的控制方式依旧是红外控制，因此，无法以手机直接控制 空调。空调控制模块的作用就是通过学习机制，准确地把接收到的安卓手机蓝牙命令转换 为对应的红外控制命令，从而控制空调。
[0053] 6、智能手机
[0054] 安卓手机是本系统的核心，它的功能可以分为以下三个
[0055] (1)通过WIFI与从网关获取室内环境数据并进行展示
[0056] (2)从Web服务器端获取历史数据，并进行展示
[0057] (3)通过蓝牙4. 0 BLE与空调控制模块通信，从而达到控制空调的目的
[0058] 本发明所述的系统功能主要有
[0059] 1、室内环境参数监测功能
[0060] 用户不仅可以通过安卓手机的软件客户端，查看当前室内的温湿度及光照信息， 而且还能够查看24小时内的历史数据，以了解温湿度及光照的变化趋势，为用户提供参 考。
[0061] 2、室内环境评价功能。
[0062] 室内环境的评价功能是在一系列调查研究后，增加的一个新功能。在分析现有的 智能家居类型软件时，发现该类软件在采集到数据后，往往是直接展示出来，更有甚者，展 示的方式都是非常拙劣的。因此本系统加入了室内环境的评价功能，以提供给用户一个参 考。安卓手机的软件客户端在接收到数据后，除了以恰当的方式展现给用户之外，还进行了 一些更深层次的数据处理，包括热舒适度和光舒适的评价，并就此给出一些合理化的建议， 帮助用户做出更加科学的决断，营造一个更加舒适的室内环境。
[0063] 3、空调以及其他红外遥控设备的控制功能。
[0064] 在完成为用户评价室内环境状态工作后，本系统还增加了空调控制这一十分有用 的功能，用户在得到客户端给出的建议后，便能立即使用该客户端去控制空调，从而调节室 内的环境状态。此外，由于本空调控制模块采用的是红外学习机制，因此除了控制空调之 夕卜，本客户端还能够控制一切通过红外控制的家电（比如电视、投影仪等）。
[0065] 在本系统中选取蓝牙4. 0作为手机与空调控制模块的通信技术，在功耗方面，极 大地降低了空调控制模块包括手机的功耗，免除经常充电的烦恼；在传输距离方面，60m的 传输距离足以满足普通家庭的需求；在传输速率方面，由于在本系统中蓝牙4. 0作为控制 信息的传输，数据量是很小的，因此在传输速率方面，蓝牙4. 0也能很好的满足要求。此外， 3毫秒低延迟带给用户更好的控制体验，AES-128加密使得控制更加安全、可靠。总之，采用 蓝牙4. 0作为手机与空调控制模块的通信技术都是非常好的选择。
[0066] 本系统控制空调的模块采用的是STM32系列单片机（STM32F103C8单片机），STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。 在处理性能方面，STM32F103C8单片机最高工作频率72MHz，1. 25DMIPS/MHz。单周期乘法和 硬件除法，足以满足性能要求；在存储容量方面，片上集成的64KB Flash存储器，足以存储 编译好的二进制代码和学习的红外信号，20KB的SRAM存储器，足以满足程序运行需求；此 夕卜，由于在学习红外信号的过程中需要准确记录高低电平的宽度，因此需要精准的定时器， STM32F103C8单片机的系统时间定时器采用的24位自减型计数器计时进度在us级，足以满 足要求。
[0067] 本系统中可以获取的室内环境信息包括温度、湿度、光照强度，这三个信息是室内 环境最基本也是最重要的信息。安卓软件整体分为数据的获取、数据的处理以及数据的展 示三层，在下一节软件实现中也是基本上按照这三层来介绍的。
[0068] 在获取室内数据后，本软件没有直接将数据呈现给用户，而是对数据做出大量的 处理，以便使用户更好的了解室内的环境情况。其中包括舒适度的计算，以及根据舒适度形 成建议信息等。最后，在本软件中增加空调控制模块，以便用户在得知室内热舒适度的情况 下，根据建议对其进行相应的调节，营造一个更为舒适的室内环境。
[0069] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，本发明的保护范围不限于此，任何熟 悉本【技术领域】的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简 单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种基于Android的室内微环境感知及家电控制方法，其特征在于， 包括感知子系统和控制子系统，所述感知子系统包括无线传感器节点、网关、数据库服 务器、Web服务器、智能手机；所述控制子系统包括空调、控制模块、智能手机； 感知子系统分为采集实时数据和查询历史数据两部分： 感知子系统采集实时数据的步骤： 1) 智能手机通过wifi与网关相连接，当有数据需求时，智能手机向网关发送Http请 求； 2) 网关收到智能手机的数据请求后，解析智能手机的数据请求，并向无线传感器节点 发送相关的命令； 3) 无线传感器节点集成了空气温度传感器空气湿度传感器光照强度传感器，无线传感 器节点收到命令后，采集相应的数据并将数据返回网关； 4) 网关将数据进行封装并转发给智能手机； 5) 智能手机收到数据后，对数据进行解析，并对数据进行合理的处理呈现，从而完成一 次完整的实时数据的采集； 感知子系统采集实时数据的步骤： 1) 当智能手机需要查询历史数据时，安卓手机向Web服务器发送Http请求； 2. Web服务器是数据库服务器与智能手机之间的桥梁；Web服务器收到Http请求后，通 过Servlet调用JDBC查询数据库服务器； 3) 数据库服务器将查询结果返回给Web服务器； 4. Web服务器将数据按照一定的格式封装，并返回给智能手机 5) 智能手机收到数据后，进行数据解析，并通过曲线的形式展现出室内环境的变化趋 势； 所述控制子系统工作流程如下： 1) 使用基于Android的客户端软件通过蓝牙4. 0BLE连接空调控制模块； 2) 在软件界面上选择一个指令，点击"学习"按钮，空调控制模块进入对指定红外指令 的学习状态； 3) 手持要学习的设备遥控器在近距离对空调控制模块发出指定红外信号； 4) 红外学习模块学习成功，软件界面上显示"学习成功"； 5) 点击已学到红外信号的按钮，向空调控制模块发送特定指令，空调控制模块受到指 令后，发射对应的红外信号控制空调。
【文档编号】G05B19/418GK104155943SQ201410360005
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】张羽, 刘永吉, 李士宁, 詹东昀, 李志刚 申请人:西北工业大学