遠程家電控制系統的移動軟件框架設計

黃 鑫，潘俊虹

（1.昆山鑫盛盟創科技有限公司，江蘇 昆山 215300 ；2.武夷學院 數學與計算機學院，福建 武夷山 354300）

隨著計算機技術、網絡技術、控制技術及人工智能等的飛躍發展，智能化社會已成為新世紀的發展趨勢。在此之下，智能家居也隨之迅猛發展起來[1]。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，同時能夠提供信息交互功能，使得人們能夠在外部查看家居信息和控制家居的相關設備，便于人們有效安排時間，使得家居生活更加安全、舒適[2]。

在“物聯網”這個概念被提出后，智能家電之間各自獨立的狀態被打破。在標準的通信協議以及控制協議下，無線傳感器網絡在物聯網技術的利用下，把具有不同功能的節點組成一個整體，實現家庭設備的網絡化管理。

手機APP作為智能家居或智能家電控制系統中的核心部分，在用戶使用和體驗中具有重要的作用，因此，對于開發人員來講，迫切需要一個能夠快速搭建起來的軟件框架。因此，本文采用流行的前端框架MUI，以APP的流暢性和良好的用戶體驗作為目標，搭建了智能家電系統的APP和服務器軟件框架。

1 系統整體設計

本系統主要包括以下幾個部分，分別是：安卓終端、服務器端、設備網關、設備節點，每部分的主要功能如下。

安卓終端：負責顯示設備信息，設備狀態，傳遞用戶指令，給用戶提供可視化交互界面，是連接服務器和用戶的橋梁。

服務器端：負責處理用戶數據以及設備數據，接收用戶指令和設備信息，并把信息以一定的格式傳遞給安卓終端和設備網關。

設備網關：負責服務器端和設備節點之間的數據交換，包括設備節點信息和設備節點控制命令等。

設備節點：具體的設備家電，如電燈、電扇、電視、空調等。

這4個雖然是不同的獨立個體，分屬于不同平臺，負責不同的角色，但通過互聯網，移動互聯網，物聯網相互協作共同構成了本課題的智能家電系統。

如圖1所示，用戶打開APP通過互聯網或移動互聯網，通過HTTP請求連接服務器。服務器端由Tomcat服務器、SqlServer數據庫與Monitor偵聽程序組成。

服務器通過Tomcat接收并處理用戶請求，Monitor偵聽程序連接設備網關獲取網關和設備的信息并存入數據庫，Tomcat連接數據庫獲取Monitor取回的信息并返回給用戶或者當有新命令時，Tomcat把命令存進數據庫，并通知Monitor有新的上行命令進入，Monitor接收到Tomcat的通知，去數據庫取出數據，發送給網關，網關將命令發送給節點進行數據采集和控制執行操作。

圖1 遠程家電控制系統整體結構

2 客戶端APP設計

APP端以安卓為操作平臺，采用時下流行的APP快速開發方案HTML5。HTML5是一種網頁開發語言，通過使用HTML5語言可以在任何移動平臺進行開發，對于移動端的大頭安卓和蘋果來說，除去原生的部分，HTML5一套代碼可以同時在這兩大平臺上運行，對于開發人員來說可以省去非常多的維護成本。對于網頁的開發語言HTML5來說，可以比原生系統更輕易地開發出漂亮實用的頁面[3]。

安卓端主要采用HTML5技術，圍繞MUI框架進行開發。MUI是一款能夠大大簡化開發的框架，MUI框架是基于ratchet框架開發的，核心是webview[4]。在模擬原生應用方面有著獨到的見解，能夠高效地解決在HTML5開發中遇到的各種常見的問題。遠程家電控制系統APP功能如圖2所示。

圖2 遠程家電控制系統APP功能

3 服務器端程序設計

3.1 Web服務器設計

服務器端以Java為主要編程語言，使用Tomcat為Web服務器。Tomcat服務器是一個免費易上手，對于新手非常友好的Web應用服務器，是一個簡單、易用的JSP和Servlet容器。

開發工具采用Eclipse，Eclipse是一以Java為編程語言編寫的開發平臺。它以優良布局的界面，簡單易上手和豐富的插件組件著稱。而各種豐富的插件組件賦予了Eclipse靈活的開發風格，豐富的開發環境，以及無限的可能性。

項目管理工具使用Maven，使用它可以簡單地管理項目依賴的Jar包，生成項目框架以及項目的編譯打包?，F版本的Eclipse完美支持Maven只需簡單的配置，就能在Eclipse中使用Maven。

服務端采用MVC設計模式，是一種運用廣泛的設計思想。這種技術是將應用程序分離成模型、視圖和控制器3個核心部分[5]，MVC包括以下3個部分。

模型（Model）：模型是程序的業務處理部分，負責執行復雜的業務邏輯。

視圖（View）：視圖的應用程序的表示層，代表與用戶的交互界面。

控制器（Controller）：控制器就是一個轉發器，接收用戶請求，解析用戶數據，把數據轉發給模型組件，控制器本身不參與邏輯的處理。

如圖3所示，APP客戶端發起HTTP請求，由在web.xml配好的默認servlet類DispatcherServlet類接收請求，把請求轉發至對應的ctrl中的類中處理，ctrl解析請求數據并把數據傳遞給service層，service接收數據并進一步處理數據，且按照需求調用dao層的方法。dao層訪問數據庫負責與數據庫進交互。

圖3 Tomcat運行流程

圖4所示為服務器目錄結構圖，目錄功能如下。

ctrl：控制層，主要是負責接收和返回數據，以及把數據傳遞給service業務層。

service：業務層，分為api和impl兩個包。api存放業務層各個類的接口，impl里面存放了api包中各個接口的實現。service層負責處理數據，并按需求訪問dao數據連接層。

dao：數據連接層，也分為api和impl兩個包。api存放數據連接層各個類的接口，impl里面存放了api中各個接口的實現。

model：模型層，分為entity和rowmapper兩個包。entity存放具體的實體類，如用戶、房間、網關等。rowmapper包存放各個實體類的對象關系映射工具，負責在dao層把數據庫的每一行數據封裝成一個entity包中對應的Java對象。

interceptor：攔截器包，負責在執行ctrl中的方法前或方法后插入方法執行，例如檢查用戶是否登錄，對于沒登錄的用戶在執行ctrl中方法前攔截下來并跳轉登錄頁面，以及各種操作日志等功能。

exception：異常類包，存放本系統的各種異常類，如權限異常等。

util：工具類包，存放本系統的工具類，例如時間轉換類，密碼加密類等。

dao層結構和service層結構類似都分為api接口和impl實現兩個包，這里把接口和實現分離開的做法體現了面向接口編程的思想（面向接口編程：在系統的架構中，層次間并不是依賴于某個具體的類，而是下層給上層提供一組接口供上層調用，上層只關注接口的行為也就是上層需要達成的目的，并不關注這些行為是如何實現的）。在本系統中，ctrl層中的類只依賴于service層的接口，service層中的類只依賴于dao層的接口，層與層并不僅依賴于某個具體實現類，而是依賴于一組接口。把接口與實現分離開有助于提升系統的靈活性，降低層與層之間的耦合度。在本系統中，利用Spring的依賴注入，在下層的需要改變時，由于下層只暴露了接口給上層，所以僅需要修改下層的實現類，上層的類并不需要進行任何修改就可以使用。

圖4 服務器目錄結構

3.2 Monitor偵聽程序設計

Monitor偵聽程序，是網關與數據庫及人機交互軟件的通信媒介，采用面向對象方法進行開發。Monitor傳輸方向分為上行與下行兩個方向，上行數據傳輸是指Monitor接收網絡端口的數據，送入數據庫；下行數據傳輸是指Monitor從數據庫中取數據向網關發送。下行數據中，Monitor亦可接受人機交互軟件命令，然后從數據庫中取數據向網關發送。這里的人機交互軟件命令，主要是指Web網頁，也可指運行Monitor程序時，從控制臺（鍵盤）輸入的命令，也可指手機APP軟件向Monitor發送的命令。使用的語言是C#。本課題借用已經實現的Monitor偵聽程序進行與網關的連接（見圖5）。

圖5 偵聽程序結構框架

4 系統測試

由于目前的設備連接狀態限制，APP必須與充當服務器的電腦連接在同一局域網內，使得使用起來具有極大的局限性。所以測試時利用到了花生殼軟件，利用它就可以在沒有公網IP的情況下進行內網穿透，把當前電腦與花生殼提供的域名綁定。這樣APP就可以在互聯網上訪問當前電腦了。

測試APP控制設備開關，APP開關狀態正常顯示，APP提示信息正常顯示，服務器接收請求正常執行，服務器信息正常顯示。測試方法：點擊設備“電燈1”右側的開關按鈕。測試預期：按鈕由關轉為開，服務器提示設備被開啟。設備控制測試如圖6所示。

圖6 設備控制測試

5 結語

本文實現了基于Android的遠程家電控制系統手機APP，基本實現了對于家電的控制，以及信息的傳輸，為智能家電的開發創建了一套流程以及搭建了基本框架。但是這還遠遠不夠，一些簡單的控制還并不能體現智能家電中的智能性，控制系統中的多設備的聯動，復雜的場景控制都是日后能夠繼續開發的方向。