丁 函，羅 軍，陸文駿，葉 菲

(解放軍陸軍軍官學(xué)院，安徽 合肥 230031)

智能家居控制APP系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

丁 函，羅 軍，陸文駿，葉 菲

(解放軍陸軍軍官學(xué)院，安徽 合肥 230031)

智能終端設(shè)備的迅猛發(fā)展加速了APP應(yīng)用客戶端的開發(fā)更新，APP的廣泛應(yīng)用也為大眾生活提供了方便實時的服務(wù)。為了提高家居設(shè)備的智能化水平，解決設(shè)備控制實時性不強(qiáng)的問題，在研究分析無線通信和數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及APP智能控制的硬件環(huán)境架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計實現(xiàn)了一種基于IntelliJ IDEA 14.0.2集成環(huán)境的Android智能APP客戶移動終端系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)擁有無線Wifi管理、數(shù)據(jù)設(shè)置及操作、沖突管理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)讀取和狀態(tài)控制等功能，操作界面友好。為驗證該智能移動終端系統(tǒng)的有效性和適用性，進(jìn)行了系統(tǒng)功能模塊的測試驗證。測試驗證結(jié)果表明，所設(shè)計實現(xiàn)的智能移動終端系統(tǒng)穩(wěn)定性好、實用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高，具有良好的可擴(kuò)展性，較好地實現(xiàn)了智能手機(jī)等移動終端對家用電器和設(shè)備的遠(yuǎn)程自動控制，呈現(xiàn)出廣闊的市場前景。

APP軟件系統(tǒng)；IntelliJ IDEA 14.0.2；Android；智能家居控制

0 引 言

近年來，隨著智能手機(jī)和IPAD等移動終端設(shè)備的迅速發(fā)展，人們已經(jīng)逐漸習(xí)慣了APP軟件應(yīng)用。APP軟件系統(tǒng)具有便捷性、精準(zhǔn)性、互動性和超強(qiáng)的用戶黏性。在市場上，它不僅為廣大企業(yè)和商家積累了龐大、忠誠的網(wǎng)絡(luò)用戶，而且提升了企業(yè)和商家的知名度。當(dāng)前，其應(yīng)用正逐漸滲入人們的家庭生活之中，已有一些產(chǎn)品問世，但在智能家居控制方面還有待進(jìn)一步研發(fā)，市場潛力還需進(jìn)一步挖掘[1]。

智能家居控制(Smart-home Control Systems,SCS)是以智能家居系統(tǒng)為平臺，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動控制技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施進(jìn)行高效集成的系統(tǒng)[2]。近年來，國內(nèi)外許多企業(yè)在這一領(lǐng)域推出了相應(yīng)產(chǎn)品，但是將它移植到智能手機(jī)或IPAD上進(jìn)行APP應(yīng)用還比較少。為此，基于IntelliJ IDEA 14.0.2集成環(huán)境和Wifi環(huán)境下移動終端用戶的復(fù)雜交互，提出并設(shè)計開發(fā)了移動終端遠(yuǎn)程智能控制APP軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了移動終端對家居設(shè)備的實時遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)讀取，并具有較好的可拓展性。

1 APP智能控制硬件環(huán)境

如圖1所示，APP智能控制硬件環(huán)境由APP終端(智能手機(jī)或IPAD平板)、數(shù)據(jù)集中器、服務(wù)器和家居設(shè)備(如照明設(shè)備智能控制器、電子球閥、電表、電能表、水表、燃?xì)獗怼⒘髁坑嫷?組成。數(shù)據(jù)集中器與服務(wù)器(實時分析、處理、存儲各個家用電器和設(shè)備數(shù)據(jù))進(jìn)行有線傳輸，與各個家用電器和設(shè)備進(jìn)行無線數(shù)據(jù)實時傳輸。APP終端通過Wifi與數(shù)據(jù)集中器、服務(wù)器進(jìn)行通信連接，實時讀取來自設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時采用智能控制APP軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對各個家用電器和設(shè)備的控制、管理[3-4]。

圖1 APP智能控制硬件環(huán)境圖

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

APP是一款智能控制的Android系統(tǒng)軟件，操作系統(tǒng)為Android4.4以上版本，支持智能手機(jī)或IPAD平板終端[5]。采用JetBrains公司IntelliJ IDEA集成環(huán)境，IntelliJ是業(yè)界公認(rèn)的最佳Java開發(fā)工具，尤其在智能代碼助手、重構(gòu)、J2EE支持、Ant、JUnit、CVS整合、創(chuàng)新GUI設(shè)計等方面功能超常。

該系統(tǒng)主要分為三級界面，包括登陸模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、設(shè)置模塊和控制模塊，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 APP軟件模塊示意圖

用戶點擊APP軟件系統(tǒng)，進(jìn)入登陸模塊，輸入用戶名和密碼，核實正確后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)模塊。網(wǎng)絡(luò)模塊用于控制無線Wifi的連接，只有連接Wifi后才能進(jìn)入設(shè)置模塊和控制模塊。進(jìn)入設(shè)置模塊，通過讀取.txt文本顯示通信IP地址、端口號和應(yīng)用設(shè)備編號，可以對其進(jìn)行增、刪、改、存操作。控制模塊利用網(wǎng)絡(luò)通信實時讀取客戶所需設(shè)備數(shù)據(jù)，并可以隨心所欲地控制照明設(shè)備或水龍頭的開關(guān)。下面重點介紹網(wǎng)絡(luò)模塊、設(shè)置模塊和控制模塊的設(shè)計實現(xiàn)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)模塊

由于現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)的高使用率和高覆蓋率，該APP軟件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊采用Wifi無線連接的方式，IDEA擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理功能。其中，WifiManager代表Android Wifi連接服務(wù)。它能夠用于配置Wifi網(wǎng)絡(luò)連接、管理當(dāng)前的Wifi連接、掃描接入點及監(jiān)視Wifi連接變化。

為了使用WifiManager，首先要在應(yīng)用程序的manifest文件中添加用于訪問和更改Wifi狀態(tài)的uses-permissions：

然后通過getSystemService訪問WifiManager，并傳入Context.WIFI_SERVICE常量。當(dāng)建立了一個活動的Wifi連接后，使用WifiManager的getConnectionInfo()方法找出連接的狀態(tài)信息，程序如下：

wifi=(WifiManager)this.getSystemService(Context.WIFI_SERVICE);

wifiInfo=wifi.getConnectionInfo();

最后通過getWifiState()和getSupplicantState()方法判斷Wifi硬件是否啟用以及軟件是否連接成功，若正常啟用則給出提示，否則也給出提示并要求用戶進(jìn)行手動選擇連接：

if(!wifi.isWifiEnabled()){ //判斷wifi是否可以用

if (wifi.getWifiState() !=WifiManager.WIFI_STATE_ENABLING){

Toast.makeText(first.this,"當(dāng)前wifi尚未打開！",Toast.LENGTH_LONG).show();

imbt_red1.setVisibility(View.VISIBLE);}}

if(wifiInfo.getSupplicantState()!=SupplicantState.COMPLETED){

Toast.makeText(first.this,"當(dāng)前wifi尚未連接！", Toast.LENGTH_LONG).show();

mbt_red1.setVisibility(View.VISIBLE);}

2.2 設(shè)置模塊

2.2.1 數(shù)據(jù)設(shè)置及操作

該模塊主要用于數(shù)據(jù)的顯示和設(shè)置，通過對.txt文件的讀取和重寫完成對Tablayout布局的操作。Tablayout沒有邊框，它由多個TableRow對象組成，每個TableRow設(shè)置多個單元格，每個TableRow和單元格均通過Addview()方法添加。

集中器設(shè)置兩個TableRow，每個TableRow含有兩個單元格，點擊“添加”按鈕可以按照協(xié)議讀取“jizhongqi_xinxi.txt”文件，獲取Server的IP地址和端口號，也可以對其進(jìn)行更改，最后重寫文件；其他設(shè)備根據(jù)從.txt文件中讀取的設(shè)備編號個數(shù)設(shè)置TableRow的個數(shù)，每個TableRow包含三個單元格，分別顯示多選框、序號和設(shè)備編號。以智能控制器為例，圖3為其設(shè)置界面，界面啟動時讀取“Kongzhiqi_xinxi.txt”文件，顯示照明設(shè)備的數(shù)量和編號，通過該界面還可以對照明設(shè)備的數(shù)目和編號進(jìn)行修改操作，包括添加、刪除和更改三種，完成操作后重寫.txt文件，方便后續(xù)讀取。

圖3 智能控制器設(shè)置界面

2.2.2 數(shù)據(jù)操作中的沖突避免

對數(shù)據(jù)的添加、刪除和修改操作實際上最終還是對.txt文本的操作，因為在對數(shù)據(jù)進(jìn)行更改后都要對.txt文本進(jìn)行修改保存，再次引用數(shù)據(jù)時，只要讀取相應(yīng)文件中的對應(yīng)數(shù)據(jù)就行了，這樣采用同樣的讀取標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)量很大時可以大大減少錯誤率。在數(shù)據(jù)的三類基本操作中，數(shù)據(jù)的添加是直接在文本文件的末尾進(jìn)行，即新增的設(shè)備編號數(shù)據(jù)是加在之前所有數(shù)據(jù)的后面，不存在遍歷搜索的問題，但是每次對數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除和修改操作前，必須對文本文件中的設(shè)備編號進(jìn)行遍歷搜索，搜索到相應(yīng)的編號后進(jìn)行更改，這就存在一個搜索效率和正確率的問題。

因此，該系統(tǒng)采用近年來被廣泛應(yīng)用的Bloom filter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來判斷一個給定屬性值的元素是否屬于某一集合。Bloom filter是由Burton H.Bloom于1970年提出的，它突破了傳統(tǒng)哈希函數(shù)的映射和存儲元素的方式，是一種節(jié)省空間、高效率的數(shù)據(jù)表示和查詢結(jié)構(gòu)，而且該結(jié)構(gòu)對向量中的元素進(jìn)行編碼，保密性好，利于保護(hù)隱私。由于所涉及的設(shè)備編號可以看作特定的數(shù)據(jù)集合，并且具有更新刪除的功能，所以當(dāng)用戶添加設(shè)備編號，讀取.txt文本判斷是否進(jìn)行更改和刪除編號時采用改進(jìn)的可刪除元素的Bloom filter結(jié)構(gòu)[6]。

設(shè)S={x1,x2,…,xn}為具有n個元素的集合，Bloomfilter使用k個相互獨立的哈希函數(shù)，它們分別將集合中的元素映射到BFV數(shù)組的k位中。對于任意一個元素x，第i個哈希函數(shù)映射的位置hi(x)就會被置為1(1≤i≤k)，如果一個位置已經(jīng)為1，那么隨后映射到該位置時其值不變。當(dāng)查詢元素zi時，用Bloomfilter的k個哈希函數(shù)映射到BFV中，如果每一個哈希函數(shù)映射到的位置都為1，則認(rèn)為zi屬于S，否則zi不屬于S，無法進(jìn)行更改和刪除操作。這里還設(shè)計了一種稱為計數(shù)型CBF的4位數(shù)組CBFV作為計數(shù)器，當(dāng)要刪除和添加設(shè)備編號時，分別用k個哈希函數(shù)映射到CBFV上的k個計數(shù)器，并將這些計數(shù)器減1或加1。具體基于Bloomfilter的數(shù)據(jù)查詢原理如圖4所示。

圖4 基于可刪除Bloom filter的數(shù)據(jù)查詢示意圖

2.3 控制模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)通信

(1)UDP通信。

為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，該APP軟件系統(tǒng)采用的是Socket通信中的UDP通訊方式[7-8]。該通訊方式不需要先建立網(wǎng)絡(luò)鏈路，將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)文件中讀取的預(yù)設(shè)的IP地址自行尋找路徑到目的地。同時，在傳輸過程中，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，實時對傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢測并及時提醒。

首先創(chuàng)建服務(wù)器(Server)，Server要先創(chuàng)建一個DatagramSocket對象，并且指定監(jiān)聽的端口。接著創(chuàng)建一個空的DatagramSocket對象用于接收數(shù)據(jù)[9]：

DatagramSocket socket=new DatagramSocket

(2222);

DatagramPacket packet=new DatagramPacket(data,data.length);

使用DatagramSocket對象的receive()方法接收客戶端(Client)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在沒有數(shù)據(jù)進(jìn)行接收時處于阻塞狀態(tài)。

socket.receive(packet);

Client也需要先創(chuàng)建一個DatagramSocket對象，并且指定監(jiān)聽端口。接著創(chuàng)建一個InetAddress對象，這個對象用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的地址[10]：

DatagramSocket socket=new DatagramSocket

(3000);

InetAddress serverAddress=InetAddress.getByName("192.168.1.101");

然后創(chuàng)建一個DatagramPacket對象，并將這個數(shù)據(jù)包發(fā)送到剛才設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)地址及端口號，最后使用DatagramSocket對象的send()方法發(fā)送數(shù)據(jù)：

DatagramPacket packet=new DatagramPacket(data,data.length,severAddress,2222);

socket.send(packet);

最后，無論是Server還是Client在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后，都要將socket關(guān)閉，讀取的數(shù)據(jù)將重新寫入相應(yīng)的文本文件以備后續(xù)讀取使用。

socket.close();

(2)多任務(wù)異步處理。

考慮到樓層、住戶、房間的數(shù)量較大以及設(shè)備單元的種類較多，并且具有不確定性的特點，從網(wǎng)絡(luò)上獲取數(shù)據(jù)的操作數(shù)量也不確定。大量的UI操作會耗費大量時間，并且多種設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取和操作都在后臺同時進(jìn)行，對于這種同時進(jìn)行的任務(wù)，為了避免數(shù)據(jù)沖突和丟失，必須創(chuàng)建新的進(jìn)程，每個任務(wù)對應(yīng)一個進(jìn)程單獨執(zhí)行，互不干擾。而且，在Android系統(tǒng)默認(rèn)的情況下，所有的操作均在主線程中進(jìn)行，主線程負(fù)責(zé)管理與UI相關(guān)的事件，但是在用戶自己創(chuàng)建的子線程中，不能對UI組件進(jìn)行操作，強(qiáng)行操作系統(tǒng)將會拋出異常。

因此，該APP軟件系統(tǒng)采用了Thread類和Handler消息傳遞機(jī)制相結(jié)合的異步數(shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)多線程操作UI界面[11]，工作原理如圖5所示。

圖中Activity對應(yīng)一個界面，每個Activity對應(yīng)一個主線程，主線程自動創(chuàng)建Handler對象操作UI，但新建的線程要通過Looper對象創(chuàng)建Handler操作UI，每個線程對應(yīng)一個Looper循環(huán)對象，而每個Looper對象對應(yīng)一個MessageQueue消息隊列，MessageQueue用于存放Message消息，存放消息是按照FIFO(先進(jìn)先出)的原則執(zhí)行。

所以對于每個不同編號的設(shè)備都可以創(chuàng)建一個子線程，在創(chuàng)建新線程時采用了繼承Thread類的Looper-

圖5 異步數(shù)據(jù)處理工作原理圖

Thread，并重寫run()方法。首先使用Looper.prepare()方法初始化一個Looper對象，然后實例化一個Handler對象Handler1=new Handler()，用handleMessage()方法來處理消息隊列。然后通過Handler1.obtainMessage()方法獲得每個Message消息。最后使用Handler1.sendMessage()方法發(fā)送消息，使用Looper.loop()方法啟動Looper線程，這樣新建的LooperThread線程就會從消息隊列中獲取和處理消息，從而實現(xiàn)了不同編號設(shè)備的數(shù)據(jù)通信[12]。

2.3.2 數(shù)據(jù)讀取和狀態(tài)控制

該模塊主要利用自定義格式的Dialog控件顯示讀取到的數(shù)值，比如照明設(shè)備的電流、電壓值和功率因素，電表的電量值，水表的水量值，燃?xì)獗淼娜細(xì)饬亢土髁坑嫷乃恐档?。同時，在窗口中也可以使用Switch開關(guān)控件控制設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。該系統(tǒng)主要包括智能控制器和電器球閥的開關(guān)，其中智能控制器用來控制照明設(shè)備的開關(guān)，電子球閥包括1/3開、2/3開、全開和全關(guān)四種開合狀態(tài)，控制水龍頭的開合。

將讀取的數(shù)據(jù)保存到特定的文本當(dāng)中，定期進(jìn)行整理，可以對某段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比如每隔5天讀取數(shù)據(jù)，連續(xù)讀取7次，就可以得到30天(1個月)內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況，便于根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖6為1個月內(nèi)電量、水量和燃?xì)饬康淖兓厔荨?/p>

該系統(tǒng)開發(fā)完成，編譯通過，生成apk文件后就可以在智能終端上運行測試了，測試結(jié)果功能完好。該APP已經(jīng)通過合肥騏驥智能控制有限公司向家居智能化市場推廣使用，并取得了專利，獲得了良好的業(yè)界口碑[13-14]。

3 結(jié)束語

為實現(xiàn)移動終端用戶對家居設(shè)備的實時遠(yuǎn)程控制，在研究分析APP智能控制硬件環(huán)境架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計開發(fā)了具有無線Wifi管理、數(shù)據(jù)設(shè)置及操作、沖突管理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)讀取和狀態(tài)控制等功能的移動終端遠(yuǎn)程智能控制APP軟件系統(tǒng)。產(chǎn)品運行結(jié)果表明，所開發(fā)的軟件可以將智能手機(jī)(或IPAD平板)和傳統(tǒng)的家居設(shè)備通過無線Wifi連接，具有照明和電子球閥的遠(yuǎn)程開關(guān)控制，以及電表、水表、燃?xì)獗?、流量表等設(shè)備數(shù)據(jù)的實時讀取與分析功能，實用性強(qiáng)、操作界面友好、功能擴(kuò)展能力佳，有助于提高家居設(shè)備的監(jiān)管和控制能力。

圖6 數(shù)據(jù)變化曲線圖

[1] 張博群.基于PLC智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技,2016(10):60-61.

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Design and Implementation of APP System for Intelligent Home Control

DING Han,LUO Jun,LU Wen-jun,YE Fei

(Army Officer Academy of PLA,Hefei 230031,China)

The rapid development of intelligent terminal equipment has accelerated the development of the APP application client,and the wide application of APP also has provided a convenient and real-time service for the public life.In order to improve the intelligent level of home equipment and to solve the problem of real-time control of equipment,on the basis of research and analysis of wireless communication and data processing technology as well as the hardware environment architecture of APP intelligent control,an Android intelligent APP mobile terminal system has been designed and implemented,which has the function of wireless Wifi management,data setting and operation,conflict management,data communication,data reading and state control,and the operation interface based on the integration environment of IntelliJ IDEA 14.0.2.In order to verify the effectiveness and applicability of the intelligent mobile terminal system,the system function modules have been tested and verified.The test results show that it has good stability,strong practicability,high accuracy,good scalability and is better to realize the remote automatic control of home appliances and devices,such as smart phones and other mobile terminals,showing the broad market prospect.

APP software；IntelliJ IDEA 14.0.2；Android；intelligent home control

2015-08-19

2015-12-16

時間：2017-01-04

總參院校武器裝備科研項目(JNKY2012011)

丁 函(1982-)，女，講師，碩士，研究方向為檢測技術(shù)與信號處理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170104.1017.014.html

TP311.52

A

1673-629X(2017)01-0121-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.01.027