遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)的移動(dòng)軟件框架設(shè)計(jì)

黃 鑫，潘俊虹

（1.昆山鑫盛盟創(chuàng)科技有限公司，江蘇 昆山 215300 ；2.武夷學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建 武夷山 354300）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)及人工智能等的飛躍發(fā)展，智能化社會(huì)已成為新世紀(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。在此之下，智能家居也隨之迅猛發(fā)展起來(lái)[1]。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，同時(shí)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(guān)設(shè)備，便于人們有效安排時(shí)間，使得家居生活更加安全、舒適[2]。

在“物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)概念被提出后，智能家電之間各自獨(dú)立的狀態(tài)被打破。在標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議以及控制協(xié)議下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的利用下，把具有不同功能的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理。

手機(jī)APP作為智能家居或智能家電控制系統(tǒng)中的核心部分，在用戶使用和體驗(yàn)中具有重要的作用，因此，對(duì)于開發(fā)人員來(lái)講，迫切需要一個(gè)能夠快速搭建起來(lái)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(yàn)作為目標(biāo)，搭建了智能家電系統(tǒng)的APP和服務(wù)器軟件框架。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分，分別是：安卓終端、服務(wù)器端、設(shè)備網(wǎng)關(guān)、設(shè)備節(jié)點(diǎn)，每部分的主要功能如下。

安卓終端：負(fù)責(zé)顯示設(shè)備信息，設(shè)備狀態(tài)，傳遞用戶指令，給用戶提供可視化交互界面，是連接服務(wù)器和用戶的橋梁。

服務(wù)器端：負(fù)責(zé)處理用戶數(shù)據(jù)以及設(shè)備數(shù)據(jù)，接收用戶指令和設(shè)備信息，并把信息以一定的格式傳遞給安卓終端和設(shè)備網(wǎng)關(guān)。

設(shè)備網(wǎng)關(guān)：負(fù)責(zé)服務(wù)器端和設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，包括設(shè)備節(jié)點(diǎn)信息和設(shè)備節(jié)點(diǎn)控制命令等。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)：具體的設(shè)備家電，如電燈、電扇、電視、空調(diào)等。

這4個(gè)雖然是不同的獨(dú)立個(gè)體，分屬于不同平臺(tái)，負(fù)責(zé)不同的角色，但通過互聯(lián)網(wǎng)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)相互協(xié)作共同構(gòu)成了本課題的智能家電系統(tǒng)。

如圖1所示，用戶打開APP通過互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，通過HTTP請(qǐng)求連接服務(wù)器。服務(wù)器端由Tomcat服務(wù)器、SqlServer數(shù)據(jù)庫(kù)與Monitor偵聽程序組成。

服務(wù)器通過Tomcat接收并處理用戶請(qǐng)求，Monitor偵聽程序連接設(shè)備網(wǎng)關(guān)獲取網(wǎng)關(guān)和設(shè)備的信息并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，Tomcat連接數(shù)據(jù)庫(kù)獲取Monitor取回的信息并返回給用戶或者當(dāng)有新命令時(shí)，Tomcat把命令存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并通知Monitor有新的上行命令進(jìn)入，Monitor接收到Tomcat的通知，去數(shù)據(jù)庫(kù)取出數(shù)據(jù)，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將命令發(fā)送給節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行操作。

圖1 遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 客戶端APP設(shè)計(jì)

APP端以安卓為操作平臺(tái)，采用時(shí)下流行的APP快速開發(fā)方案HTML5。HTML5是一種網(wǎng)頁(yè)開發(fā)語(yǔ)言，通過使用HTML5語(yǔ)言可以在任何移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，對(duì)于移動(dòng)端的大頭安卓和蘋果來(lái)說(shuō)，除去原生的部分，HTML5一套代碼可以同時(shí)在這兩大平臺(tái)上運(yùn)行，對(duì)于開發(fā)人員來(lái)說(shuō)可以省去非常多的維護(hù)成本。對(duì)于網(wǎng)頁(yè)的開發(fā)語(yǔ)言HTML5來(lái)說(shuō)，可以比原生系統(tǒng)更輕易地開發(fā)出漂亮實(shí)用的頁(yè)面[3]。

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

圖2 遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)APP功能

3 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

3.1 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

服務(wù)器端以Java為主要編程語(yǔ)言，使用Tomcat為Web服務(wù)器。Tomcat服務(wù)器是一個(gè)免費(fèi)易上手，對(duì)于新手非常友好的Web應(yīng)用服務(wù)器，是一個(gè)簡(jiǎn)單、易用的JSP和Servlet容器。

開發(fā)工具采用Eclipse，Eclipse是一以Java為編程語(yǔ)言編寫的開發(fā)平臺(tái)。它以優(yōu)良布局的界面，簡(jiǎn)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(fā)風(fēng)格，豐富的開發(fā)環(huán)境，以及無(wú)限的可能性。

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

服務(wù)端采用MVC設(shè)計(jì)模式，是一種運(yùn)用廣泛的設(shè)計(jì)思想。這種技術(shù)是將應(yīng)用程序分離成模型、視圖和控制器3個(gè)核心部分[5]，MVC包括以下3個(gè)部分。

模型（Model）：模型是程序的業(yè)務(wù)處理部分，負(fù)責(zé)執(zhí)行復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。

視圖（View）：視圖的應(yīng)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(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，接收用戶請(qǐng)求，解析用戶數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)起HTTP請(qǐng)求，由在web.xml配好的默認(rèn)servlet類DispatcherServlet類接收請(qǐng)求，把請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的ctrl中的類中處理，ctrl解析請(qǐng)求數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳遞給service層，service接收數(shù)據(jù)并進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，且按照需求調(diào)用dao層的方法。dao層訪問數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)交互。

圖3 Tomcat運(yùn)行流程

圖4所示為服務(wù)器目錄結(jié)構(gòu)圖，目錄功能如下。

ctrl：控制層，主要是負(fù)責(zé)接收和返回?cái)?shù)據(jù)，以及把數(shù)據(jù)傳遞給service業(yè)務(wù)層。

service：業(yè)務(wù)層，分為api和impl兩個(gè)包。api存放業(yè)務(wù)層各個(gè)類的接口，impl里面存放了api包中各個(gè)接口的實(shí)現(xiàn)。service層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，并按需求訪問dao數(shù)據(jù)連接層。

dao：數(shù)據(jù)連接層，也分為api和impl兩個(gè)包。api存放數(shù)據(jù)連接層各個(gè)類的接口，impl里面存放了api中各個(gè)接口的實(shí)現(xiàn)。

model：模型層，分為entity和rowmapper兩個(gè)包。entity存放具體的實(shí)體類，如用戶、房間、網(wǎng)關(guān)等。rowmapper包存放各個(gè)實(shí)體類的對(duì)象關(guān)系映射工具，負(fù)責(zé)在dao層把數(shù)據(jù)庫(kù)的每一行數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)entity包中對(duì)應(yīng)的Java對(duì)象。

interceptor：攔截器包，負(fù)責(zé)在執(zhí)行ctrl中的方法前或方法后插入方法執(zhí)行，例如檢查用戶是否登錄，對(duì)于沒登錄的用戶在執(zhí)行ctrl中方法前攔截下來(lái)并跳轉(zhuǎn)登錄頁(yè)面，以及各種操作日志等功能。

exception：異常類包，存放本系統(tǒng)的各種異常類，如權(quán)限異常等。

util：工具類包，存放本系統(tǒng)的工具類，例如時(shí)間轉(zhuǎn)換類，密碼加密類等。

dao層結(jié)構(gòu)和service層結(jié)構(gòu)類似都分為api接口和impl實(shí)現(xiàn)兩個(gè)包，這里把接口和實(shí)現(xiàn)分離開的做法體現(xiàn)了面向接口編程的思想（面向接口編程：在系統(tǒng)的架構(gòu)中，層次間并不是依賴于某個(gè)具體的類，而是下層給上層提供一組接口供上層調(diào)用，上層只關(guān)注接口的行為也就是上層需要達(dá)成的目的，并不關(guān)注這些行為是如何實(shí)現(xiàn)的）。在本系統(tǒng)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(gè)具體實(shí)現(xiàn)類，而是依賴于一組接口。把接口與實(shí)現(xiàn)分離開有助于提升系統(tǒng)的靈活性，降低層與層之間的耦合度。在本系統(tǒng)中，利用Spring的依賴注入，在下層的需要改變時(shí)，由于下層只暴露了接口給上層，所以僅需要修改下層的實(shí)現(xiàn)類，上層的類并不需要進(jìn)行任何修改就可以使用。

圖4 服務(wù)器目錄結(jié)構(gòu)

3.2 Monitor偵聽程序設(shè)計(jì)

Monitor偵聽程序，是網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)庫(kù)及人機(jī)交互軟件的通信媒介，采用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行開發(fā)。Monitor傳輸方向分為上行與下行兩個(gè)方向，上行數(shù)據(jù)傳輸是指Monitor接收網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)據(jù)，送入數(shù)據(jù)庫(kù)；下行數(shù)據(jù)傳輸是指Monitor從數(shù)據(jù)庫(kù)中取數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送。下行數(shù)據(jù)中，Monitor亦可接受人機(jī)交互軟件命令，然后從數(shù)據(jù)庫(kù)中取數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送。這里的人機(jī)交互軟件命令，主要是指Web網(wǎng)頁(yè)，也可指運(yùn)行Monitor程序時(shí)，從控制臺(tái)（鍵盤）輸入的命令，也可指手機(jī)APP軟件向Monitor發(fā)送的命令。使用的語(yǔ)言是C#。本課題借用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的Monitor偵聽程序進(jìn)行與網(wǎng)關(guān)的連接（見圖5）。

圖5 偵聽程序結(jié)構(gòu)框架

4 系統(tǒng)測(cè)試

由于目前的設(shè)備連接狀態(tài)限制，APP必須與充當(dāng)服務(wù)器的電腦連接在同一局域網(wǎng)內(nèi)，使得使用起來(lái)具有極大的局限性。所以測(cè)試時(shí)利用到了花生殼軟件，利用它就可以在沒有公網(wǎng)IP的情況下進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透，把當(dāng)前電腦與花生殼提供的域名綁定。這樣APP就可以在互聯(lián)網(wǎng)上訪問當(dāng)前電腦了。

測(cè)試APP控制設(shè)備開關(guān)，APP開關(guān)狀態(tài)正常顯示，APP提示信息正常顯示，服務(wù)器接收請(qǐng)求正常執(zhí)行，服務(wù)器信息正常顯示。測(cè)試方法：點(diǎn)擊設(shè)備“電燈1”右側(cè)的開關(guān)按鈕。測(cè)試預(yù)期：按鈕由關(guān)轉(zhuǎn)為開，服務(wù)器提示設(shè)備被開啟。設(shè)備控制測(cè)試如圖6所示。

圖6 設(shè)備控制測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了基于Android的遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)手機(jī)APP，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)于家電的控制，以及信息的傳輸，為智能家電的開發(fā)創(chuàng)建了一套流程以及搭建了基本框架。但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，一些簡(jiǎn)單的控制還并不能體現(xiàn)智能家電中的智能性，控制系統(tǒng)中的多設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，復(fù)雜的場(chǎng)景控制都是日后能夠繼續(xù)開發(fā)的方向。