0 引言

　　智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家居子系統(tǒng)有機結(jié)合在一起形成高度智能化的智慧家庭[1]。物聯(lián)網(wǎng)、云概念的提出加速了智能家居的發(fā)展，Android智能手機和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展也給智能家居帶來了新的思路[2]。本文提出一個基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)設計方案。以Android手機作為家居控制終端，通過云平臺轉(zhuǎn)發(fā)消息，真正實現(xiàn)遠程控制，將用戶信息、設備信息存在網(wǎng)關(guān)使不同客戶端能實現(xiàn)信息共享，實現(xiàn)動態(tài)添加、刪除動作。結(jié)合推送技術(shù)獲得良好的實時性。

1 系統(tǒng)總體框架圖

　　系統(tǒng)由客戶端、云計算中心、網(wǎng)關(guān)和家庭設備組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

　　客戶端實現(xiàn)對底層設備的控制方式包括：(1)內(nèi)網(wǎng)控制：客戶端使用家庭網(wǎng)絡與網(wǎng)關(guān)直接通信，由網(wǎng)關(guān)控制底層設備；(2)外網(wǎng)控制：客戶端與網(wǎng)關(guān)不在同一網(wǎng)段內(nèi)，客戶端指令由云服務器轉(zhuǎn)發(fā)給對應的網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)控制底層設備。采用內(nèi)外網(wǎng)的通信方式，使得家庭寬帶網(wǎng)絡在不可使用的情況下，仍能通過內(nèi)網(wǎng)通信實現(xiàn)對設備的控制，同時節(jié)省用戶數(shù)據(jù)流量[3]。每次運行客戶端軟件，會自動獲取網(wǎng)關(guān)處的配置信息、設備信息。網(wǎng)關(guān)同步底層設備狀態(tài)，當發(fā)生改變時由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，使用戶能及時獲知底層設備的最新狀態(tài)。

2 客戶端設計與實現(xiàn)

　　2.1 客戶端功能說明

　　Android客戶端功能模塊如圖2所示。

　　設備管理是核心模塊，包括自定義房間和設備?？商砑?、刪除、修改房間，房間下可添加設備。點擊設備管理，通過后臺獲取當前用戶下的所有房間并以JSON格式返回，客戶端完成解析并顯示在界面上，點擊添加圖標進入添加房間界面，填寫房間名稱并將用戶ID與房間名稱發(fā)往網(wǎng)關(guān)并保存至數(shù)據(jù)庫。通過長按房間界面實現(xiàn)刪除與修改動作。點擊房間會顯示該房間下的所有設備，可添加設備，長按刪除設備，不提供修改設備動作?？梢钥刂茊蝹€設備或區(qū)域內(nèi)的所有設備，也可以對某個情景模式關(guān)聯(lián)的設備進行聯(lián)動控制。

　　2.2 客戶端框架

　　在Eclipse開發(fā)環(huán)境下，采用java語言，基于MVC模式對客戶端進行設計。視圖層View負責生成用戶界面，接收輸入并顯示結(jié)果?？刂茖覥ontroller用于監(jiān)聽用戶操作并作出反應。模型層Model定義了各種功能模塊，包括通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)格式的封裝和解析模塊等[4]，其中通信模塊是核心。

　　2.3 通信模塊

　　通信模塊負責客戶端和服務器或網(wǎng)關(guān)間的消息通信和鏈路維護。通信方式有：TCP/UDP、Http、MQTT推送。系統(tǒng)的通信協(xié)議如圖3。過程如下：

　　(1)第一次使用軟件，需在云端完成注冊，將用戶名和密碼以Http方式發(fā)到云端，并獲得服務器生成的用戶ID。同時在家庭WiFi環(huán)境下使網(wǎng)關(guān)加入局域網(wǎng)：將WiFi的SSID和密碼通過加密算法進行加密，將加密序列生成UDP數(shù)據(jù)包并發(fā)送出去，網(wǎng)關(guān)獲得該包并解析出WiFi相關(guān)信息，實現(xiàn)自動連接到路由器。

　　socket=new DatagramSocket()；

　　sequence=sequence_init(account.toString(),

　　pswd.toString())；//生成加密序列

　　while(flag){

　　for(int i=0; i<len; i++){String str = "";

　　for(int j = 0; j<sequence[i]; j++){str += "a";}

　　outPacket=new

　　DatagramPacket(str.getBytes(),str.length(),

　　InetAddress.getByName(s_gateway),4000);

　　socket.send(outPacket);}

　　socket.receive(receive);

　　(2)綁定網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)加入局域網(wǎng)后監(jiān)聽客戶端廣播的數(shù)據(jù)包并返回自己的IP地址和TCP通信端口，客戶端通過TCP的Socket發(fā)送用戶ID到網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)和網(wǎng)關(guān)的綁定，同時將用戶和網(wǎng)關(guān)的唯一標識號發(fā)送至云端實現(xiàn)綁定，這樣客戶端通過外網(wǎng)訪問云服務器時，服務器能轉(zhuǎn)發(fā)指令給對應的網(wǎng)關(guān)。

　　(3)以后每次使用軟件前，都要判斷當前網(wǎng)絡環(huán)境。即判斷客戶端和網(wǎng)關(guān)是否在同一網(wǎng)段內(nèi)。若客戶端沒有接收到返回信息，說明它們不在一個網(wǎng)段內(nèi)，則選擇通過Http方式連接云服務器。

　　(4)采用MQTT實現(xiàn)設備狀態(tài)的實時更新。訂閱客戶端所綁定的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)同步底層設備狀態(tài)，當狀態(tài)改變時，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送給MQTT server，再推送至客戶端。

　　系統(tǒng)的通信模塊活動圖如圖4所示。

　　2.4 通信模塊實現(xiàn)

　　2.4.1 Http通信

　　外網(wǎng)通信方式下，用戶登錄、獲取設備信息等由客戶端采用Http建立主動連接，服務器將結(jié)果以JSON格式返回。模塊中的Http請求用Android-Async-Http網(wǎng)絡請求庫實現(xiàn)，它是基于Apache HttpClient庫之上的一個異步網(wǎng)絡請求處理庫，網(wǎng)絡處理均基于Android的非UI線程，不阻塞UI操作，通過回調(diào)方法處理請求結(jié)果。

　　Android-Async-Http使用簡單，通過核心類AsyncHttp-

　　Client的實例就可以執(zhí)行網(wǎng)絡請求，提供put、post等方法。登陸過程如下：

　　(1)創(chuàng)建AsyncHttpClient的實例

　　AsyncHttpClient client = new AsyncHttpClient();

　　(2)創(chuàng)建請求參數(shù)的封裝對象

　　RequestParams params = new RequestParams();

　　params.put("username", userName);

　　params.put("userpass", userPass);

　　(3)執(zhí)行post方法

　　client.post(url, params,

　　new AsyncHttpResponseHandler (){

　　public void onSuccess(int statusCode, Header[] headers,

　　byte[] responseBody){

　　if(statusCode == 200){//成功

　　Toast.makeText(this,new String(responseBody) ).show();}}

　　Public void onFailure(int statusCode, Header[] headers,

　　byte[] responseBody Throwable error){

　　error.printStackTrace();//失敗

　　}}…);

　　new AsyncHttpResponseHandler()這個實例用于接收請求結(jié)果，一般重寫onSuccess()和onFailure()方法接收請求成功或失敗的消息。onSuccess()方法的參數(shù)responseBody為響應內(nèi)容字節(jié)。

　　2.4.2 MQTT推送

　　MQTT是基于TCP/IP協(xié)議，專為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的輕量級通信協(xié)議。該協(xié)議針對網(wǎng)絡差、計算能力低的設備做了特殊處理，使其能適應物聯(lián)網(wǎng)應用場景，有占用寬帶小、耗電量少等優(yōu)勢。協(xié)議里有兩個主要角色：MQTT client和MQTT server。client向server訂閱某個話題就能收到發(fā)布到該話題的所有消息；client發(fā)布消息到某個話題下，則該話題的所有訂閱者都能收到[5]。通信時序圖如圖5所示。

　　本文通過MQTT實現(xiàn)客戶端實時獲得設備信息?？蛻舳藢狹QTT client，是消息訂閱者。當狀態(tài)改變時，由設備將信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)傳遞給MQTT server，再推送至訂閱了該網(wǎng)關(guān)的客戶端。使用MQTT，須將mqttv3.jar包加入Android應用程序中，它是IBM提供的MQTT協(xié)議的實現(xiàn)。APK調(diào)用該jar包提供的API接口，就能建立MQTT client和MQTT server的連接。流程如下[6]：

　　(1)創(chuàng)建一個MqttClient對象，參數(shù)包括MQTT server所在的IP地址和端口號、客戶端唯一標識clientid等。

　　MqttClient client=new MqttClient("tcp://123.57.219.126:

　　1883",

　　"test", new MemoryPersistence());

　　(2)創(chuàng)建MqttConnectOptions的對象并進行設置。用戶名和密碼用于連接MQTT server時進行驗證，心跳時間用于client定時發(fā)送心跳包，以便和server保持連接。

　　MqttConnectOptions options=new MqttConnectOptions();

　　options.setUserName(userName);//用戶名

　　options.setPassword(passWord.toCharArray());//密碼

　　options.setKeepAliveInterval(20);//心跳時間

　　(3)給客戶端設置回調(diào)。

　　client.setCallback(new MqttCallback() {

　　public void connectionLost(Throwable cause) {

　　//連接丟失后，進行重連}

　　public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token){

　　//publish后會執(zhí)行到這里}

　　public void messageArrived(String topicNam e,

　　MqttMessage message) throws Exception {

　　//subscribe后得到的消息會執(zhí)行到這里面

　　Message msg = new Message();

　　msg.what = 1;

　　msg.obj = topicName+"---"+message.toString();

　　//通過handler傳遞給主線程進行UI更新

　　handler.sendMessage(msg);}});

　　(4)連接到MQTT server。

　　client.connect(options);

　　(5)訂閱某個網(wǎng)關(guān)的話題，接收網(wǎng)關(guān)發(fā)布到該話題下的消息，即設備信息。TOPICS是客戶端訂閱的話題，設為“gateway-example”。QOS_VALUES代表服務質(zhì)量保證級別，1表示至少會發(fā)送一次消息。

　　client. subscribe(TOPICS, QOS_VALUES);

　　MQTT技術(shù)可以實現(xiàn)底層設備信息的實時更新，非常適合智能家居這種使用場景。

3 云計算中心

　　云計算將計算任務分布在大量計算機構(gòu)成的資源池上，使各種應用系統(tǒng)按需獲取計算力、存儲空間和信息服務[7]。云計算作為一種新技術(shù)受到越來越多的親睞，很多學校、企業(yè)都建立了云計算數(shù)據(jù)中心。本文采用阿里云ECS(Elastic Compute Service)作為云計算中心，它是一種簡單高效、處理能力可彈性伸縮計算服務。服務器開發(fā)框架采用Jquery+SpringMVC+Mybatis+Ehcache。Mybatis是一個基于Java的持久層框架，支持普通SQL查詢。為了提高Mybatis的性能，需要添加第三方緩存組件支持，目前用的比較多的是Ehcache緩存。Ehcache性能強大、快速簡單，具有多種緩存策略。Mybatis與Ehcache整合可以提高性能，提高查詢效率，降低數(shù)據(jù)庫壓力。

4 功能測試

　　主要對設備的實時控制和狀態(tài)值的實時刷新進行了驗證。設備用繼電器模擬，使用安裝Android程序的手機作為客戶端進行功能測試。

　　在外網(wǎng)環(huán)境下，當客戶端連接服務器后，觸發(fā)設備開關(guān)按鈕，可以將控制命令由云中轉(zhuǎn)至網(wǎng)關(guān)，再轉(zhuǎn)發(fā)至底層設備控制繼電器開關(guān)，同時設備的最新狀態(tài)和傳感器值也會在客戶端進行實時刷新。測試結(jié)果如圖6，客戶端能保持和網(wǎng)關(guān)信息同步。

5 結(jié)論

　　本文簡要介紹了基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)設計和關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)結(jié)合了云計算和MQTT技術(shù)，實現(xiàn)遠程控制和信息同步，同時提供了內(nèi)網(wǎng)控制，設備信息存在網(wǎng)關(guān)保證用戶信息共享。為市場化應用提供一種參考。

參考文獻

　　[1] 岳敬華.基于云服務的智能家居系統(tǒng)的研究與設計[D].杭州：杭州電子科技大學,2014.

　　[2] 吳浩權(quán).基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與設計[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2013.

　　[3] 崔荔.基于Android平臺的智能家居客戶端系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].西安：長安大學，2013.

　　[4] 王運紅，何靈娜.基于Android平臺智能家居客戶端的設計和實現(xiàn)[J].機電工程，2014，31(8)；1086-1089，1102.

　　[5] 關(guān)慶余.基于MQTT協(xié)議的移動社交網(wǎng)絡客戶端的設計與實現(xiàn)[D].沈陽：中國科學院研究生院（沈陽計算技術(shù)研究所），2014.

　　[6] 姜妮，張宇，趙志軍.基于MQTT物聯(lián)網(wǎng)消息推送系統(tǒng)[J].網(wǎng)絡新媒體技術(shù)，2014，3(6)：62-64.

　　[7] 劉鵬.云計算[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.