基于Android 客戶端的智能家居App 設計

凌敏，羅浩武，鄒阿金，黃健明

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

0 引言

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

為了順應移動端技術的發展，便于在家中隨時使用手機操控家居設備，本文設計了一款可與家中設備進行交互的、集眾多傳統遙控器功能于一身的手機App，同時還具備語音控制、遠程監控等功能，使得用戶只需要一款App，就可以實現對家中所有設備進行監測與控制。

1 系統總體設計

對于家居設備的監控管理，傳統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，導致了遙控器的冗余，管理困難；除此之外，傳統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備，也無從知曉設備的運行狀況。

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

本系統的整體架構是配置云服務器作為中轉站，硬件設備由支持TCP/IP 通信協議的ZigBee、Wi-Fi 和4G LTE 通信模塊組成；智能家居App 則通過Socket 與云服務器連接。二者通過同時連接云服務器實現遠程連接，從而進行通信和數據傳輸。系統總體架構如圖1所示。

通過結合4G LTE 無線通信技術和ZigBee 無線通信技術，ZigBee 終端節點采集室內的溫度、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，將這些信息聯網發送到云服務器中，云服務器再轉發到App。

App 接收到數據后經過處理顯示到界面上，用戶打開App 即可遠程獲取室內的溫度、濕度、煙霧濃度、光照強度等信息，同時能夠遠程改變室內各種家電的狀態、切換室內情景模式。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環境情況、改變室內家電狀態。

圖1 系統總體架構

2 系統功能設計

2.1 Android客戶端開發環境

本Android 客戶端的開發環境為Android Studio3.3，是谷歌公司在IntelliJ IDEA 的基礎上，推出的一個Android 集成開發工具。開發語言為面向對象的編程語言Java，故必須安裝支持Java 程序開發和運行的JDK（Java Development Kit），還需要有JRE（Java Runtime Environment）的支持[2]。數據庫方面，選擇了遵守ACID（即原子性、一致性、隔離性和持久性）的關系型數據庫管理系統SQLite，由于其零配置、速度快、占用內存小、開源等優點，使得其成為許多嵌入式設備存儲數據的第一選擇[3]。

2.2 客戶端功能模塊設計

Android 客戶端系統設計主要包括用戶UI 設計、通信模塊設計、數據庫設計、語音控制模塊設計四個模塊。

2.3 客戶端UI設計

（1）用戶登錄注冊界面設計

登錄注冊布局文件均使用了RelativeLayout 作為整體布局，利用EditText 實現用戶名和密碼的輸入框，利用Button 來觸發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）用戶主控界面設計

本系統的主控界面按功能可分為控制界面和監控界面。

監控界面如圖3 所示，采用LinearLayout 作為整體布局，通過EditText 顯示家居設備的運行狀態及運行參數。

控制界面如圖4 所示，采用LinearLayout 作為整體布局，通過GridLayout 實現網格布局，使用RecylerView來實現內容的滾動。用戶可點擊按鈕，實現模式的切換和對家居設備的控制。

2.4 通信模塊設計

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

智能家居App 的服務端創建一個服務程序，搭載在云服務器上，等待客戶端連接?？蛻舳烁鶕蘒P 地址和端口與服務器建立連接后，對服務器的響應進行數據處理。

圖3 監控界面

圖4 控制界面

服務端實現步驟如下：

（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 客戶端實現步驟如下：

（1）開啟異步線程，通過IP、端口號與遠程服務器連接；

（2）從Socket 對象中獲取輸入輸出流從而進行數據的讀寫操作；

（3）基于數據，在異步線程中對UI 界面進行操作；

（4）讀寫行為結束，關閉輸入輸出流；

（5）關閉Socket。

服務端與客戶端通信流程如圖5 所示。

圖5 服務端與客戶端通信

2.5 數據庫設計

SQLite 作為Android 操作系統體系結構的重要成員，對于所有Android 系統應用程序都可用。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數據庫、表的創建與升級。不管如何進行封裝，本質上都是構建SQL 語句并且提交到SQLite 中執行，最終得到需求結果[3]。

為了可以靈活地操作和管理數據庫，App 的數據庫模塊選擇自定義一個繼承自SQLiteOpenHelper 的數據庫操作類DBHelper，在該類中實例化實際操作數據庫的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）創建數據庫

定義全局變量SQLiteDatabase，在數據庫操作類的構造函數中，使用sqLiteDatabase = dBHelper.getWritableDatabase（）創建一個可讀寫操作的數據庫。

（2）創建表

首先定義創建表的SQL 語句，在復用的onCreate（SQLiteDatabase sqLiteDatabase）中調用sqLiteDatabase.execSQL（sql）方法，將SQL 語句作為參數傳入，從而創建所需要的表。

（3）升級數據庫

當數據庫中的字段或者表結構有所變化的時候，重寫的onUpgrade（SQLiteDatabase sqLiteDatabase, int oldVersion,int newVersion）方法會被調用，根據版本號升級數據庫。

（4）添加數據

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

（5）查詢數據

使用sqLiteDatabase.query（）遍歷表進行查詢。

（6）刪除數據

調用SQLiteDatabase 的delete（）方法；也可以自定義刪除數據的SQL 語句，使用sqLiteDatabase.execSQL（sql）進行刪除。

表1 和表2 分別是該系統的用戶信息表和家居實時數據表。

表1 用戶信息表

表2 家居實時數據表

2.6 語音控制模塊設計

隨著物聯網的不斷普及，通過語音實現智能家居控制已成為一種發展趨勢，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，將用戶的語音轉化成計算機可讀的字符串發送給硬件設備，硬件與App 客戶端同時對用戶的語音輸入做出響應。

語音控制實現步驟如下：

（1）搭建開發環境

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

（2）權限設置

為了實現語音控制操作，需要在AndroidManifest.xml 文件中設置允許App 使用麥克風、錄音、存儲等權限。若Android 系統版本為6.0 以上，還需要在源文件中動態申請權限。

（3）初始化并配置語音解析器

初始化：

SpeechSynthesizer mSpeechSynthesizer =SpeechSynthesizer.getInstance（）;

注冊自定義的監聽器：

mSpeechSynthesizer.setSpeechSynthesizerListener（new MyListnener（））;

配置在語音開發者平臺上注冊應用得到的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）初始化事件監聽EventListener，在繼承的onEvent 方法中做回調處理；

（6）注冊自定義的監聽事件

EventManager.registerListener（eventListener）;

（7）發送事件

識別結束后，調用eventManager.send（SpeechConstant.ASR_STOP,null,null,0,0）停止識別。將識別出的字符串轉換后發送給云服務器，云服務器再轉發到硬件設備上，后者接收到指令后會做出對應的處理。

3 結語

隨著物聯網技術和5G 技術的不斷發展，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。本文開發的智能家居App 系統將軟件客戶端和硬件設備通過云服務器這座橋梁，實現了遠程連接，從而可以對家居設備進行遠程控制和監控，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，實現了只需下載安裝一款App，就可以與家中所有設備實現交互；配置的語音控制模塊，使得交互方式變得更方便和友好。