基于Android 客戶端的智能家居App 設(shè)計

凌敏，羅浩武，鄒阿金，黃健明

（1.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院通信工程系，湛江524088；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院電子工程系，湛江524088）

0 引言

隨著智能家居技術(shù)的逐步發(fā)展，家居智能化正在漸漸影響著人們的生活，各類智能家居設(shè)備可以給人們提供舒適、安全、方便的居住環(huán)境。移動互聯(lián)的高速發(fā)展，使得人們隨時隨地都可以通過移動設(shè)備與他人聯(lián)系。眼下正發(fā)展得如火如荼的5G 技術(shù)，憑借其速度快、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延低等優(yōu)點，勢必能徹底改變智能家居終端的部署與服務(wù)方式[1]，從而使智能家居得到更進一步的推廣。

為了順應(yīng)移動端技術(shù)的發(fā)展，便于在家中隨時使用手機操控家居設(shè)備，本文設(shè)計了一款可與家中設(shè)備進行交互的、集眾多傳統(tǒng)遙控器功能于一身的手機App，同時還具備語音控制、遠程監(jiān)控等功能，使得用戶只需要一款A(yù)pp，就可以實現(xiàn)對家中所有設(shè)備進行監(jiān)測與控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

對于家居設(shè)備的監(jiān)控管理，傳統(tǒng)的遙控器雖然在一定程度上可以滿足人們的需求，卻有其局限性。例如：不同的家電需要配備不同的遙控器，導(dǎo)致了遙控器的冗余，管理困難；除此之外，傳統(tǒng)遙控器所能控制的空間范圍是有限的，人們通常無法在室外通過遙控器操控家中設(shè)備，也無從知曉設(shè)備的運行狀況。

為了克服以上缺陷，本文提出一種解決方案，可集眾多傳統(tǒng)遙控器的功能于一體，方便用戶操作，提升用戶體驗。

本系統(tǒng)的整體架構(gòu)是配置云服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)站，硬件設(shè)備由支持TCP/IP 通信協(xié)議的ZigBee、Wi-Fi 和4G LTE 通信模塊組成；智能家居App 則通過Socket 與云服務(wù)器連接。二者通過同時連接云服務(wù)器實現(xiàn)遠程連接，從而進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

通過結(jié)合4G LTE 無線通信技術(shù)和ZigBee 無線通信技術(shù)，ZigBee 終端節(jié)點采集室內(nèi)的溫度、濕度、濕度、污染物的氣體濃度、光照強度、當前天氣狀況等信息，將這些信息聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到云服務(wù)器中，云服務(wù)器再轉(zhuǎn)發(fā)到App。

App 接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過處理顯示到界面上，用戶打開App 即可遠程獲取室內(nèi)的溫度、濕度、煙霧濃度、光照強度等信息，同時能夠遠程改變室內(nèi)各種家電的狀態(tài)、切換室內(nèi)情景模式。通過這款智能家居App，用戶即使出門在外也能方便了解室內(nèi)環(huán)境情況、改變室內(nèi)家電狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 Android客戶端開發(fā)環(huán)境

本Android 客戶端的開發(fā)環(huán)境為Android Studio3.3，是谷歌公司在IntelliJ IDEA 的基礎(chǔ)上，推出的一個Android 集成開發(fā)工具。開發(fā)語言為面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Java，故必須安裝支持Java 程序開發(fā)和運行的JDK（Java Development Kit），還需要有JRE（Java Runtime Environment）的支持[2]。數(shù)據(jù)庫方面，選擇了遵守ACID（即原子性、一致性、隔離性和持久性）的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQLite，由于其零配置、速度快、占用內(nèi)存小、開源等優(yōu)點，使得其成為許多嵌入式設(shè)備存儲數(shù)據(jù)的第一選擇[3]。

2.2 客戶端功能模塊設(shè)計

Android 客戶端系統(tǒng)設(shè)計主要包括用戶UI 設(shè)計、通信模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、語音控制模塊設(shè)計四個模塊。

2.3 客戶端UI設(shè)計

（1）用戶登錄注冊界面設(shè)計

登錄注冊布局文件均使用了RelativeLayout 作為整體布局，利用EditText 實現(xiàn)用戶名和密碼的輸入框，利用Button 來觸發(fā)注冊和登錄的具體操作。注冊和登錄界面如圖2 所示。

圖2 注冊和登錄界面

（2）用戶主控界面設(shè)計

本系統(tǒng)的主控界面按功能可分為控制界面和監(jiān)控界面。

監(jiān)控界面如圖3 所示，采用LinearLayout 作為整體布局，通過EditText 顯示家居設(shè)備的運行狀態(tài)及運行參數(shù)。

控制界面如圖4 所示，采用LinearLayout 作為整體布局，通過GridLayout 實現(xiàn)網(wǎng)格布局，使用RecylerView來實現(xiàn)內(nèi)容的滾動。用戶可點擊按鈕，實現(xiàn)模式的切換和對家居設(shè)備的控制。

2.4 通信模塊設(shè)計

通信模塊基于TCP 協(xié)議和C/S 模型進行設(shè)計。TCP 協(xié)議全稱為傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol），因為其具有面向字節(jié)流和連接的服務(wù)、可靠傳輸、全雙工等特點[4]，已經(jīng)成為使用非常普遍的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；C/S 模型即客戶端（Client）和服務(wù)端（Server）模型，TCP 編程主要基于C/S 模型[4]。

智能家居App 的服務(wù)端創(chuàng)建一個服務(wù)程序，搭載在云服務(wù)器上，等待客戶端連接。客戶端根據(jù)IP 地址和端口與服務(wù)器建立連接后，對服務(wù)器的響應(yīng)進行數(shù)據(jù)處理。

圖3 監(jiān)控界面

圖4 控制界面

服務(wù)端實現(xiàn)步驟如下：

（1）實例化ServerSocket 對象，等待客戶端連接；

（2）與客戶端連接成功后，與之進行通信。

Android 客戶端實現(xiàn)步驟如下：

（1）開啟異步線程，通過IP、端口號與遠程服務(wù)器連接；

（2）從Socket 對象中獲取輸入輸出流從而進行數(shù)據(jù)的讀寫操作；

（3）基于數(shù)據(jù)，在異步線程中對UI 界面進行操作；

（4）讀寫行為結(jié)束，關(guān)閉輸入輸出流；

（5）關(guān)閉Socket。

服務(wù)端與客戶端通信流程如圖5 所示。

圖5 服務(wù)端與客戶端通信

2.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

SQLite 作為Android 操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的重要成員，對于所有Android 系統(tǒng)應(yīng)用程序都可用。由于其可移植性好，Android 針對其封裝了專屬的API[5]，例如SQLiteOpenHelper，通過該接口可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、表的創(chuàng)建與升級。不管如何進行封裝，本質(zhì)上都是構(gòu)建SQL 語句并且提交到SQLite 中執(zhí)行，最終得到需求結(jié)果[3]。

為了可以靈活地操作和管理數(shù)據(jù)庫，App 的數(shù)據(jù)庫模塊選擇自定義一個繼承自SQLiteOpenHelper 的數(shù)據(jù)庫操作類DBHelper，在該類中實例化實際操作數(shù)據(jù)庫的SQLiteDatabase 對象，重寫繼承的方法，并封裝增刪改查等一系列操作。

具體操作如下：

（1）創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

定義全局變量SQLiteDatabase，在數(shù)據(jù)庫操作類的構(gòu)造函數(shù)中，使用sqLiteDatabase = dBHelper.getWritableDatabase（）創(chuàng)建一個可讀寫操作的數(shù)據(jù)庫。

（2）創(chuàng)建表

首先定義創(chuàng)建表的SQL 語句，在復(fù)用的onCreate（SQLiteDatabase sqLiteDatabase）中調(diào)用sqLiteDatabase.execSQL（sql）方法，將SQL 語句作為參數(shù)傳入，從而創(chuàng)建所需要的表。

（3）升級數(shù)據(jù)庫

當數(shù)據(jù)庫中的字段或者表結(jié)構(gòu)有所變化的時候，重寫的onUpgrade（SQLiteDatabase sqLiteDatabase, int oldVersion,int newVersion）方法會被調(diào)用，根據(jù)版本號升級數(shù)據(jù)庫。

（4）添加數(shù)據(jù)

為了避免繁瑣的操作，首先實例化一個可以存儲鍵值對數(shù)據(jù)的ContentValues 對象；然后將要添加進數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)封裝在ContentValues 實例里；最后執(zhí)行SQLiteDatabase 的insert 函數(shù)將數(shù)據(jù)插入對應(yīng)的表中。也可以自定義添加數(shù)據(jù)的SQL 語句，使用sqLiteDatabase.execSQL（sql）進行添加。

（5）查詢數(shù)據(jù)

使用sqLiteDatabase.query（）遍歷表進行查詢。

（6）刪除數(shù)據(jù)

調(diào)用SQLiteDatabase 的delete（）方法；也可以自定義刪除數(shù)據(jù)的SQL 語句，使用sqLiteDatabase.execSQL（sql）進行刪除。

表1 和表2 分別是該系統(tǒng)的用戶信息表和家居實時數(shù)據(jù)表。

表1 用戶信息表

表2 家居實時數(shù)據(jù)表

2.6 語音控制模塊設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，通過語音實現(xiàn)智能家居控制已成為一種發(fā)展趨勢，對于有老人和小孩的家庭來說，語音控制顯得更加輕松高效。百度提供的語音識別功能強大，不但可以將錄音轉(zhuǎn)化為文字，還在線支持普通話、英文、粵語和四川話[6]，適用于多種情況；對于識別出來的文字，可以進行分詞及找出意圖和詞槽[6]。本App集成了百度語音識別的API，將用戶的語音轉(zhuǎn)化成計算機可讀的字符串發(fā)送給硬件設(shè)備，硬件與App 客戶端同時對用戶的語音輸入做出響應(yīng)。

語音控制實現(xiàn)步驟如下：

（1）搭建開發(fā)環(huán)境

要使用百度官方提供的API，首先需要下載相應(yīng)的jar 包和so 庫文件，并部署到項目正確的位置下。

（2）權(quán)限設(shè)置

為了實現(xiàn)語音控制操作，需要在AndroidManifest.xml 文件中設(shè)置允許App 使用麥克風(fēng)、錄音、存儲等權(quán)限。若Android 系統(tǒng)版本為6.0 以上，還需要在源文件中動態(tài)申請權(quán)限。

（3）初始化并配置語音解析器

初始化：

SpeechSynthesizer mSpeechSynthesizer =SpeechSynthesizer.getInstance（）;

注冊自定義的監(jiān)聽器：

mSpeechSynthesizer.setSpeechSynthesizerListener（new MyListnener（））;

配置在語音開發(fā)者平臺上注冊應(yīng)用得到的appId、apiKey 和secretKey：

mSpeechSynthesizer.setAppId（appId）;

mSpeechSynthesizer.setApiKey（appKey,secretKey）;

初始化tts：

mSpeechSynthesizer.initTts（TtsMode.MIX）;

（4）初始化EventManager

EventManager eventManager = EventManagerFactory.create（getContext（）,”asr”）;

（5）初始化事件監(jiān)聽EventListener，在繼承的onEvent 方法中做回調(diào)處理；

（6）注冊自定義的監(jiān)聽事件

EventManager.registerListener（eventListener）;

（7）發(fā)送事件

識別結(jié)束后，調(diào)用eventManager.send（SpeechConstant.ASR_STOP,null,null,0,0）停止識別。將識別出的字符串轉(zhuǎn)換后發(fā)送給云服務(wù)器，云服務(wù)器再轉(zhuǎn)發(fā)到硬件設(shè)備上，后者接收到指令后會做出對應(yīng)的處理。

3 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居在未來勢必會走進尋常百姓家，變得越來越平民化。本文開發(fā)的智能家居App 系統(tǒng)將軟件客戶端和硬件設(shè)備通過云服務(wù)器這座橋梁，實現(xiàn)了遠程連接，從而可以對家居設(shè)備進行遠程控制和監(jiān)控，解決了市場上由于家居品牌不同、控制方式不同所帶來的種種問題，實現(xiàn)了只需下載安裝一款A(yù)pp，就可以與家中所有設(shè)備實現(xiàn)交互；配置的語音控制模塊，使得交互方式變得更方便和友好。