基于Android 客户端的智能家居App 设计

凌敏，罗浩武，邹阿金，黄健明

（1.广东海洋大学电子与信息工程学院通信工程系，湛江524088；2.广东海洋大学电子与信息工程学院电子工程系，湛江524088）

0 引言

随着智能家居技术的逐步发展，家居智能化正在渐渐影响着人们的生活，各类智能家居设备可以给人们提供舒适、安全、方便的居住环境。移动互联的高速发展，使得人们随时随地都可以通过移动设备与他人联系。眼下正发展得如火如荼的5G 技术，凭借其速度快、网络容量大、时延低等优点，势必能彻底改变智能家居终端的部署与服务方式[1]，从而使智能家居得到更进一步的推广。

为了顺应移动端技术的发展，便于在家中随时使用手机操控家居设备，本文设计了一款可与家中设备进行交互的、集众多传统遥控器功能于一身的手机App，同时还具备语音控制、远程监控等功能，使得用户只需要一款App，就可以实现对家中所有设备进行监测与控制。

1 系统总体设计

对于家居设备的监控管理，传统的遥控器虽然在一定程度上可以满足人们的需求，却有其局限性。例如：不同的家电需要配备不同的遥控器，导致了遥控器的冗余，管理困难；除此之外，传统遥控器所能控制的空间范围是有限的，人们通常无法在室外通过遥控器操控家中设备，也无从知晓设备的运行状况。

为了克服以上缺陷，本文提出一种解决方案，可集众多传统遥控器的功能于一体，方便用户操作，提升用户体验。

本系统的整体架构是配置云服务器作为中转站，硬件设备由支持TCP/IP 通信协议的ZigBee、Wi-Fi 和4G LTE 通信模块组成；智能家居App 则通过Socket 与云服务器连接。二者通过同时连接云服务器实现远程连接，从而进行通信和数据传输。系统总体架构如图1所示。

通过结合4G LTE 无线通信技术和ZigBee 无线通信技术，ZigBee 终端节点采集室内的温度、湿度、湿度、污染物的气体浓度、光照强度、当前天气状况等信息，将这些信息联网发送到云服务器中，云服务器再转发到App。

App 接收到数据后经过处理显示到界面上，用户打开App 即可远程获取室内的温度、湿度、烟雾浓度、光照强度等信息，同时能够远程改变室内各种家电的状态、切换室内情景模式。通过这款智能家居App，用户即使出门在外也能方便了解室内环境情况、改变室内家电状态。

图1 系统总体架构

2 系统功能设计

2.1 Android客户端开发环境

本Android 客户端的开发环境为Android Studio3.3，是谷歌公司在IntelliJ IDEA 的基础上，推出的一个Android 集成开发工具。开发语言为面向对象的编程语言Java，故必须安装支持Java 程序开发和运行的JDK（Java Development Kit），还需要有JRE（Java Runtime Environment）的支持[2]。数据库方面，选择了遵守ACID（即原子性、一致性、隔离性和持久性）的关系型数据库管理系统SQLite，由于其零配置、速度快、占用内存小、开源等优点，使得其成为许多嵌入式设备存储数据的第一选择[3]。

2.2 客户端功能模块设计

Android 客户端系统设计主要包括用户UI 设计、通信模块设计、数据库设计、语音控制模块设计四个模块。

2.3 客户端UI设计

（1）用户登录注册界面设计

登录注册布局文件均使用了RelativeLayout 作为整体布局，利用EditText 实现用户名和密码的输入框，利用Button 来触发注册和登录的具体操作。注册和登录界面如图2 所示。

图2 注册和登录界面

（2）用户主控界面设计

本系统的主控界面按功能可分为控制界面和监控界面。

监控界面如图3 所示，采用LinearLayout 作为整体布局，通过EditText 显示家居设备的运行状态及运行参数。

控制界面如图4 所示，采用LinearLayout 作为整体布局，通过GridLayout 实现网格布局，使用RecylerView来实现内容的滚动。用户可点击按钮，实现模式的切换和对家居设备的控制。

2.4 通信模块设计

通信模块基于TCP 协议和C/S 模型进行设计。TCP 协议全称为传输控制协议（Transmission Control Protocol），因为其具有面向字节流和连接的服务、可靠传输、全双工等特点[4]，已经成为使用非常普遍的网络协议；C/S 模型即客户端（Client）和服务端（Server）模型，TCP 编程主要基于C/S 模型[4]。

智能家居App 的服务端创建一个服务程序，搭载在云服务器上，等待客户端连接。客户端根据IP 地址和端口与服务器建立连接后，对服务器的响应进行数据处理。

图3 监控界面

图4 控制界面

服务端实现步骤如下：

（1）实例化ServerSocket 对象，等待客户端连接；

（2）与客户端连接成功后，与之进行通信。

Android 客户端实现步骤如下：

（1）开启异步线程，通过IP、端口号与远程服务器连接；

（2）从Socket 对象中获取输入输出流从而进行数据的读写操作；

（3）基于数据，在异步线程中对UI 界面进行操作；

（4）读写行为结束，关闭输入输出流；

（5）关闭Socket。

服务端与客户端通信流程如图5 所示。

图5 服务端与客户端通信

2.5 数据库设计

SQLite 作为Android 操作系统体系结构的重要成员，对于所有Android 系统应用程序都可用。由于其可移植性好，Android 针对其封装了专属的API[5]，例如SQLiteOpenHelper，通过该接口可以实现数据库、表的创建与升级。不管如何进行封装，本质上都是构建SQL 语句并且提交到SQLite 中执行，最终得到需求结果[3]。

为了可以灵活地操作和管理数据库，App 的数据库模块选择自定义一个继承自SQLiteOpenHelper 的数据库操作类DBHelper，在该类中实例化实际操作数据库的SQLiteDatabase 对象，重写继承的方法，并封装增删改查等一系列操作。

具体操作如下：

（1）创建数据库

定义全局变量SQLiteDatabase，在数据库操作类的构造函数中，使用sqLiteDatabase = dBHelper.getWritableDatabase（）创建一个可读写操作的数据库。

（2）创建表

首先定义创建表的SQL 语句，在复用的onCreate（SQLiteDatabase sqLiteDatabase）中调用sqLiteDatabase.execSQL（sql）方法，将SQL 语句作为参数传入，从而创建所需要的表。

（3）升级数据库

当数据库中的字段或者表结构有所变化的时候，重写的onUpgrade（SQLiteDatabase sqLiteDatabase, int oldVersion,int newVersion）方法会被调用，根据版本号升级数据库。

（4）添加数据

为了避免繁琐的操作，首先实例化一个可以存储键值对数据的ContentValues 对象；然后将要添加进数据库的数据封装在ContentValues 实例里；最后执行SQLiteDatabase 的insert 函数将数据插入对应的表中。也可以自定义添加数据的SQL 语句，使用sqLiteDatabase.execSQL（sql）进行添加。

（5）查询数据

使用sqLiteDatabase.query（）遍历表进行查询。

（6）删除数据

调用SQLiteDatabase 的delete（）方法；也可以自定义删除数据的SQL 语句，使用sqLiteDatabase.execSQL（sql）进行删除。

表1 和表2 分别是该系统的用户信息表和家居实时数据表。

表1 用户信息表

表2 家居实时数据表

2.6 语音控制模块设计

随着物联网的不断普及，通过语音实现智能家居控制已成为一种发展趋势，对于有老人和小孩的家庭来说，语音控制显得更加轻松高效。百度提供的语音识别功能强大，不但可以将录音转化为文字，还在线支持普通话、英文、粤语和四川话[6]，适用于多种情况；对于识别出来的文字，可以进行分词及找出意图和词槽[6]。本App集成了百度语音识别的API，将用户的语音转化成计算机可读的字符串发送给硬件设备，硬件与App 客户端同时对用户的语音输入做出响应。

语音控制实现步骤如下：

（1）搭建开发环境

要使用百度官方提供的API，首先需要下载相应的jar 包和so 库文件，并部署到项目正确的位置下。

（2）权限设置

为了实现语音控制操作，需要在AndroidManifest.xml 文件中设置允许App 使用麦克风、录音、存储等权限。若Android 系统版本为6.0 以上，还需要在源文件中动态申请权限。

（3）初始化并配置语音解析器

初始化：

SpeechSynthesizer mSpeechSynthesizer =SpeechSynthesizer.getInstance（）;

注册自定义的监听器：

mSpeechSynthesizer.setSpeechSynthesizerListener（new MyListnener（））;

配置在语音开发者平台上注册应用得到的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）初始化事件监听EventListener，在继承的onEvent 方法中做回调处理；

（6）注册自定义的监听事件

EventManager.registerListener（eventListener）;

（7）发送事件

识别结束后，调用eventManager.send（SpeechConstant.ASR_STOP,null,null,0,0）停止识别。将识别出的字符串转换后发送给云服务器，云服务器再转发到硬件设备上，后者接收到指令后会做出对应的处理。

3 结语

随着物联网技术和5G 技术的不断发展，智能家居在未来势必会走进寻常百姓家，变得越来越平民化。本文开发的智能家居App 系统将软件客户端和硬件设备通过云服务器这座桥梁，实现了远程连接，从而可以对家居设备进行远程控制和监控，解决了市场上由于家居品牌不同、控制方式不同所带来的种种问题，实现了只需下载安装一款App，就可以与家中所有设备实现交互；配置的语音控制模块，使得交互方式变得更方便和友好。