范曉紅

（山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濰坊， 261061）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以智能感知生活環(huán)境變化、自動控制工業(yè)設(shè)備、自動檢測空氣質(zhì)量等，廣泛應(yīng)用于如智慧農(nóng)業(yè)、智能交通、大數(shù)據(jù)采集、AIoT、工業(yè)互聯(lián)設(shè)備、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)，尤其是在國家“新基建”宏觀策略的發(fā)展下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸融入我們?nèi)粘Ｉ?，例如小米智能家居、海爾智能家居等等，市場上智能家居類產(chǎn)品多樣化[1]，為家庭生活融入了科技，大大提升了居家生活的舒適性，非常受歡迎。尤其是移動終端的普及，開發(fā)一款實用的、便攜的智能家居類的APP滿足了用戶日益增長的使用需求，尤其是對于工作忙碌的年輕人或者行動不便的老人，智能家居的出現(xiàn)，提升了家中的舒適度及居住質(zhì)量，使得科技與生活融為一體。

本系統(tǒng)提出了基于云+Android的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備、家電、家居等互聯(lián)，并將家居環(huán)境等信息通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到云端，通過物聯(lián)網(wǎng)移動客戶端進(jìn)行智能化控制，配備溫濕度監(jiān)測、煙霧報警、智能電燈開關(guān)、智能門禁等等，實現(xiàn)智能化居家體驗。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計與實現(xiàn)

■1.1 總體架構(gòu)

本物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)總體包含四大模塊：注冊、登錄、場景、我的。

圖1 功能架構(gòu)圖

注冊、登錄模塊用于用戶信息的注冊、登錄管理。場景主頁展示了智能設(shè)備在客廳、臥室、陽臺、廚房等不同場景的應(yīng)用。場景中包含四個不同的子場景，可以實現(xiàn)對不同場景下設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)等操作。我的界面包含登錄、注冊、二維碼查看、問題與建議、關(guān)于等部分。感知層設(shè)備數(shù)據(jù)經(jīng)過中心網(wǎng)關(guān)上傳到新大陸云平臺。該軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)與云服務(wù)器的信息交互，并完成對家居設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制。

■1.2 硬件設(shè)計

本智能家居系統(tǒng)由各類感知層傳感器、Zigbee通信模塊、智能開關(guān)、電燈、空調(diào)風(fēng)扇、路由器、中心網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組成。其中感知層傳感器包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器等。Zigbee 通信協(xié)議是短距離無線通信技術(shù)[4]，本系統(tǒng)采用的感知層傳感器均是通過Zigbee按照Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，由Zigbee協(xié)調(diào)器進(jìn)行匯聚并通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，按照TCP協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云端，Android應(yīng)用程序主要通過訪問云端服務(wù)器對環(huán)境、設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警、控制。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

■1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)總體包含四大模塊：注冊、登錄、場景、我的。

注冊、登錄模塊主要用于新老用戶的個人信息注冊、登錄、個人信息管理。場景模塊主要展示了智能設(shè)備在客廳、臥室、陽臺、廚房等不同場景的應(yīng)用。場景中包含四個不同的子場景，可以實現(xiàn)對不同場景下設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)等操作。我的界面包含登錄、注冊、二維碼查看、問題與建議、關(guān)于等部分。感知層設(shè)備數(shù)據(jù)經(jīng)過中心網(wǎng)關(guān)上傳到新大陸云平臺，該軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)與云服務(wù)器的信息交互，實現(xiàn)在APP中完成家居的智能化控制使用，并完成對家庭環(huán)境的監(jiān)測、控制。該系統(tǒng)的實現(xiàn)主要分為UI設(shè)計和功能開發(fā)兩大部分。圖3為軟件系統(tǒng)的總體流程圖。如果是首次使用系統(tǒng)，則需要完成用戶信息注冊，否則填寫個人登錄信息完成系統(tǒng)登錄，在登錄過程中系統(tǒng)會判斷是否自動登錄，如果是則自動登錄到上次登錄的賬戶中，否則重新輸入用戶信息完成登錄。當(dāng)?shù)卿洺晒罂梢赃M(jìn)入到場景界面，場景界面包含四個不同的子場景用于不同室內(nèi)場景的管理，用戶可以選擇對應(yīng)子場景進(jìn)入并完成室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與控制。

圖3 軟件流程圖

1.3.1 功能開發(fā)

該應(yīng)用程序主要功能包括用戶信息管理與注冊、傳感器數(shù)據(jù)采集與顯示、監(jiān)測數(shù)據(jù)列表展示、感知層設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)訪問云平臺、用戶數(shù)據(jù)存儲與讀取等模塊。

注冊登錄界面中用戶數(shù)據(jù)是基于SQLite和Shared Preferences進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與讀取。如果用戶初次使用，則需要注冊，注冊信息將會通過SQLite保存在數(shù)據(jù)庫中供登錄驗證，登錄過程中通過輸入的用戶信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對，如果匹配成功則進(jìn)入主頁面，否則提示“用戶登錄信息錯誤，請重新登錄”。SharedPreferences是Android中一種輕量級的易用存儲類，可以實現(xiàn)輕量級數(shù)據(jù)的存儲與處理，尤其是針對一些配置信息等占用內(nèi)存不大的數(shù)據(jù)，使用SharedPreferences可以快速、便捷地完成數(shù)據(jù)的管理。本模塊主要使用SharedPreferences對已登錄過的賬號信息及配置信息進(jìn)行存儲與讀取完成快速登錄。SQLite數(shù)據(jù)庫是Android集成的輕量級的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，適用于手機(jī)等移動端的數(shù)據(jù)存儲。使用SQLite對注冊的賬號、密碼等進(jìn)行管理維護(hù)，當(dāng)用戶注冊時，會根據(jù)用戶的注冊信息通過調(diào)用SQLiteDatabase中的OnCreate（SQLiteDatabase）方法在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及初始化信息，便于后期的運(yùn)行維護(hù)及管理。同時還使用了管理數(shù)據(jù)庫的工具類SQLiteOpenHelper，通過調(diào)用其中的GetReadableDatabase()、GetWritableDatabase()分別完成數(shù)據(jù)庫的讀取及修改等操作。

登錄成功后，主頁共顯示兩個Tab頁面：“場景”和“我的”，可以通過觸摸完成“場景”和“我的”Tab頁的切換。由于Activity自身特性限制無法在同一個窗口中完成多個布局的展示，故本應(yīng)用中的Tab頁主要通過Fragment嵌入到Activity中完成多布局切換的效果。

點擊“場景”Tab標(biāo)簽，進(jìn)入場景頁面。場景模塊主要分客廳、臥室、陽臺、廚房四個主要的家居應(yīng)用子場景，子場景主要通過Activity進(jìn)行場景管理。當(dāng)感知層設(shè)備連接成功后，每個場景頁面均可以遠(yuǎn)程對房間內(nèi)的設(shè)備、環(huán)境進(jìn)行控制、監(jiān)測，實時獲取室內(nèi)溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧數(shù)據(jù)等信息，并實現(xiàn)燈光控制、風(fēng)扇空調(diào)等的開關(guān)。

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)家中的突發(fā)情況等，設(shè)計過程中添加了自動預(yù)警策略，實時對突發(fā)情況進(jìn)行預(yù)警處理。預(yù)警策略設(shè)置如下：

當(dāng)監(jiān)測到室內(nèi)煙霧濃度值大于設(shè)定閾值時，進(jìn)行煙霧濃度過大預(yù)警；

當(dāng)光線較弱并且有人在家時，自動開燈；

當(dāng)溫度過高并且有人在家時，自動開啟風(fēng)扇。

感知層傳感器采集的數(shù)據(jù)可以通過協(xié)調(diào)器、路由器與手機(jī)直接進(jìn)行socket通信，但是前提是手機(jī)與路由器必須在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，如果家庭成員有事外出，家中無人的情況下，手機(jī)與家中路由器無法處在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，此時無法通過手機(jī)實時查看家中環(huán)境情況，由于手機(jī)和設(shè)備不在同一個局域網(wǎng)內(nèi)無法直接控制家居設(shè)備，為了解決此問題，本應(yīng)用程序?qū)⒓彝ブ胁杉降募揖迎h(huán)境數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時上報到公網(wǎng)中的云平臺，并在云平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、初步分析處理。APP可以隨時通過云平臺間接獲取家居環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方都可以查看、訪問我們的家居設(shè)備及數(shù)據(jù)，同時通過云平臺可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的歷史記錄存儲、查閱、統(tǒng)計，并可以結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對智能家居的環(huán)境進(jìn)行預(yù)測，提前預(yù)警一些可能出現(xiàn)的異常情況。

室內(nèi)安裝溫濕度、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯葘κ覂?nèi)環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，尤其是當(dāng)家中無人的情況下及時通過手機(jī)對家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警、處理等。采用網(wǎng)絡(luò)通信對家居環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，HTTP是當(dāng)前應(yīng)用程序主流的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，OkHttp是基于HTTP設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)通信客戶端，支持使用GET和POST方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)請求，支持響應(yīng)緩存避免重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)請求，并可以通過連接池極大減少延時。但是OkHttp在使用過程中調(diào)用關(guān)系較為復(fù)雜，請求數(shù)據(jù)時接口配置較為繁瑣，降低了編程的效率。Retrofit將請求參數(shù)、返回結(jié)果等進(jìn)行了封裝，大大簡化了開發(fā)者的工作量，故本模塊使用Retrofit和OkHttp網(wǎng)絡(luò)開源框架進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問，使用Retrofit通過接口的形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的請求及監(jiān)測結(jié)果處理，使用OkHttp對請求的過程進(jìn)行處理，只需要通過簡單的配置可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)請求，大大提高了開發(fā)效率。

云平臺將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚后，可以在云平臺上顯示采集的數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，并可以通過云平臺上的應(yīng)用項目進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和控制，手機(jī)APP也可以獲取云平臺服務(wù)器中的數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)應(yīng)用程序上，并可以通過便攜式手機(jī)客戶端完成設(shè)備的控制。本軟件使用的是新大陸云平臺，它將傳感器采集的數(shù)據(jù)以JSON格式進(jìn)行封裝，并開放給用戶使用，JSON格式是一種簡單的數(shù)據(jù)交換格式，層級分明、格式簡單、訪問便捷，所以在開發(fā)過程中我們選用JSON格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并采用Gson中的ToJson()和FromJson()方法將數(shù)據(jù)封裝成JSON格式或者將JSON格式數(shù)據(jù)解析成對象并顯示在界面中，當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常后及時預(yù)警，例如當(dāng)檢測到室內(nèi)煙霧濃度過大有火災(zāi)隱患等時，可以發(fā)送指令開啟報警燈，指令可以通過GSON進(jìn)行JSON格式封裝并上傳到云平臺，進(jìn)行預(yù)警處理。

JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，由于不同的云平臺在網(wǎng)絡(luò)通信過程中對數(shù)據(jù)的傳輸格式有不同要求，本開發(fā)平臺主要使用新大陸的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，數(shù)據(jù)傳輸過程中的主要通過傳感器標(biāo)識名、設(shè)備ID、傳輸密鑰進(jìn)行通信，HTTP網(wǎng)絡(luò)通信過程中數(shù)據(jù)的上報和下發(fā)都是基于JSON格式的，格式如下：

云平臺數(shù)據(jù)上報成功后的效果圖如圖4所示。

圖4 云平臺

個人信息“我的”界面主要包括登錄信息、二維碼展示、設(shè)備維修、問題與建議、關(guān)于等選項，主要采用List列表及BaseAdapter進(jìn)行數(shù)據(jù)展示及適配，當(dāng)進(jìn)入“我的”界面時，會自動檢測是否已經(jīng)登錄，如果檢測到已登錄則切換到已登錄界面，否則顯示未登錄，當(dāng)選擇進(jìn)入任何選項時，均會判斷是否已經(jīng)登錄，是則顯示已登錄，否則顯示未登錄。設(shè)備維修界面主要用于家居環(huán)境中的故障設(shè)備報修處理，可以通過填寫設(shè)備報修單將數(shù)據(jù)上報以待處理。

1.3.2 UI界面設(shè)計

界面設(shè)計力求簡潔、大方。進(jìn)入APP后首先顯示歡迎界面，并設(shè)置自動過渡效果，5s后切換到主界面。所在在進(jìn)行界面開發(fā)過程中盡量突出重點功能，主界面主要包括注冊、登錄、場景、我的四個主要界面以及相關(guān)的子界面。界面開發(fā)過程中使用了線性布局、相對布局、約束布局等進(jìn)行了布局的設(shè)計，并使用EditText、TextView、Button、CheckBox等控件進(jìn)行數(shù)據(jù)展示及控制，并添加按鈕的點擊事件進(jìn)行事件響應(yīng)。

圖5 軟件展示

2 結(jié)語

安裝并運(yùn)行設(shè)計程序到手機(jī)中，經(jīng)過多次測試及用戶體驗，本文設(shè)計的應(yīng)用程序能夠成功通過云平臺實時獲取居住環(huán)境中的溫濕度、煙霧、火焰等數(shù)據(jù)，并可以成功通過程序控制電燈、風(fēng)扇空調(diào)及報警系統(tǒng)等。通過云平臺增強(qiáng)了系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，并可以通過云平臺添加策略進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、設(shè)備控制等，提升了智能家居控制的體驗感，為新型居住環(huán)境的建設(shè)、智能家居的升級、改造提供了軟件環(huán)境支持。