0 引言

　　智能家居通过物联网技术将家居子系统有机结合在一起形成高度智能化的智慧家庭[1]。物联网、云概念的提出加速了智能家居的发展，Android智能手机和网络技术的发展也给智能家居带来了新的思路[2]。本文提出一个基于Android平台的智能家居系统设计方案。以Android手机作为家居控制终端，通过云平台转发消息，真正实现远程控制，将用户信息、设备信息存在网关使不同客户端能实现信息共享，实现动态添加、删除动作。结合推送技术获得良好的实时性。

1 系统总体框架图

　　系统由客户端、云计算中心、网关和家庭设备组成。系统框架如图1所示。

　　客户端实现对底层设备的控制方式包括：(1)内网控制：客户端使用家庭网络与网关直接通信，由网关控制底层设备；(2)外网控制：客户端与网关不在同一网段内，客户端指令由云服务器转发给对应的网关，再由网关控制底层设备。采用内外网的通信方式，使得家庭宽带网络在不可使用的情况下，仍能通过内网通信实现对设备的控制，同时节省用户数据流量[3]。每次运行客户端软件，会自动获取网关处的配置信息、设备信息。网关同步底层设备状态，当发生改变时由网关转发给客户端，使用户能及时获知底层设备的最新状态。

2 客户端设计与实现

　　2.1 客户端功能说明

　　Android客户端功能模块如图2所示。

　　设备管理是核心模块，包括自定义房间和设备。可添加、删除、修改房间，房间下可添加设备。点击设备管理，通过后台获取当前用户下的所有房间并以JSON格式返回，客户端完成解析并显示在界面上，点击添加图标进入添加房间界面，填写房间名称并将用户ID与房间名称发往网关并保存至数据库。通过长按房间界面实现删除与修改动作。点击房间会显示该房间下的所有设备，可添加设备，长按删除设备，不提供修改设备动作。可以控制单个设备或区域内的所有设备，也可以对某个情景模式关联的设备进行联动控制。

　　2.2 客户端框架

　　在Eclipse开发环境下，采用java语言，基于MVC模式对客户端进行设计。视图层View负责生成用户界面，接收输入并显示结果。控制层Controller用于监听用户操作并作出反应。模型层Model定义了各种功能模块，包括通信模块、数据库模块、数据格式的封装和解析模块等[4]，其中通信模块是核心。

　　2.3 通信模块

　　通信模块负责客户端和服务器或网关间的消息通信和链路维护。通信方式有：TCP/UDP、Http、MQTT推送。系统的通信协议如图3。过程如下：

　　(1)第一次使用软件，需在云端完成注册，将用户名和密码以Http方式发到云端，并获得服务器生成的用户ID。同时在家庭WiFi环境下使网关加入局域网：将WiFi的SSID和密码通过加密算法进行加密，将加密序列生成UDP数据包并发送出去，网关获得该包并解析出WiFi相关信息，实现自动连接到路由器。

　　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)绑定网关。网关加入局域网后监听客户端广播的数据包并返回自己的IP地址和TCP通信端口，客户端通过TCP的Socket发送用户ID到网关实现和网关的绑定，同时将用户和网关的唯一标识号发送至云端实现绑定，这样客户端通过外网访问云服务器时，服务器能转发指令给对应的网关。

　　(3)以后每次使用软件前，都要判断当前网络环境。即判断客户端和网关是否在同一网段内。若客户端没有接收到返回信息，说明它们不在一个网段内，则选择通过Http方式连接云服务器。

　　(4)采用MQTT实现设备状态的实时更新。订阅客户端所绑定的网关，网关同步底层设备状态，当状态改变时，由网关发送给MQTT server，再推送至客户端。

　　系统的通信模块活动图如图4所示。

　　2.4 通信模块实现

　　2.4.1 Http通信

　　外网通信方式下，用户登录、获取设备信息等由客户端采用Http建立主动连接，服务器将结果以JSON格式返回。模块中的Http请求用Android-Async-Http网络请求库实现，它是基于Apache HttpClient库之上的一个异步网络请求处理库，网络处理均基于Android的非UI线程，不阻塞UI操作，通过回调方法处理请求结果。

　　Android-Async-Http使用简单，通过核心类AsyncHttp-

　　Client的实例就可以执行网络请求，提供put、post等方法。登陆过程如下：

　　(1)创建AsyncHttpClient的实例

　　AsyncHttpClient client = new AsyncHttpClient();

　　(2)创建请求参数的封装对象

　　RequestParams params = new RequestParams();

　　params.put("username", userName);

　　params.put("userpass", userPass);

　　(3)执行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();//失败

　　}}…);

　　new AsyncHttpResponseHandler()这个实例用于接收请求结果，一般重写onSuccess()和onFailure()方法接收请求成功或失败的消息。onSuccess()方法的参数responseBody为响应内容字节。

　　2.4.2 MQTT推送

　　MQTT是基于TCP/IP协议，专为物联网开发的轻量级通信协议。该协议针对网络差、计算能力低的设备做了特殊处理，使其能适应物联网应用场景，有占用宽带小、耗电量少等优势。协议里有两个主要角色：MQTT client和MQTT server。client向server订阅某个话题就能收到发布到该话题的所有消息；client发布消息到某个话题下，则该话题的所有订阅者都能收到[5]。通信时序图如图5所示。

　　本文通过MQTT实现客户端实时获得设备信息。客户端对应MQTT client，是消息订阅者。当状态改变时，由设备将信息发送给网关，再由网关传递给MQTT server，再推送至订阅了该网关的客户端。使用MQTT，须将mqttv3.jar包加入Android应用程序中，它是IBM提供的MQTT协议的实现。APK调用该jar包提供的API接口，就能建立MQTT client和MQTT server的连接。流程如下[6]：

　　(1)创建一个MqttClient对象，参数包括MQTT server所在的IP地址和端口号、客户端唯一标识clientid等。

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

　　1883",

　　"test", new MemoryPersistence());

　　(2)创建MqttConnectOptions的对象并进行设置。用户名和密码用于连接MQTT server时进行验证，心跳时间用于client定时发送心跳包，以便和server保持连接。

　　MqttConnectOptions options=new MqttConnectOptions();

　　options.setUserName(userName);//用户名

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

　　options.setKeepAliveInterval(20);//心跳时间

　　(3)给客户端设置回调。

　　client.setCallback(new MqttCallback() {

　　public void connectionLost(Throwable cause) {

　　//连接丢失后，进行重连}

　　public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token){

　　//publish后会执行到这里}

　　public void messageArrived(String topicNam e,

　　MqttMessage message) throws Exception {

　　//subscribe后得到的消息会执行到这里面

　　Message msg = new Message();

　　msg.what = 1;

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

　　//通过handler传递给主线程进行UI更新

　　handler.sendMessage(msg);}});

　　(4)连接到MQTT server。

　　client.connect(options);

　　(5)订阅某个网关的话题，接收网关发布到该话题下的消息，即设备信息。TOPICS是客户端订阅的话题，设为“gateway-example”。QOS_VALUES代表服务质量保证级别，1表示至少会发送一次消息。

　　client. subscribe(TOPICS, QOS_VALUES);

　　MQTT技术可以实现底层设备信息的实时更新，非常适合智能家居这种使用场景。

3 云计算中心

　　云计算将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统按需获取计算力、存储空间和信息服务[7]。云计算作为一种新技术受到越来越多的亲睐，很多学校、企业都建立了云计算数据中心。本文采用阿里云ECS(Elastic Compute Service)作为云计算中心，它是一种简单高效、处理能力可弹性伸缩计算服务。服务器开发框架采用Jquery+SpringMVC+Mybatis+Ehcache。Mybatis是一个基于Java的持久层框架，支持普通SQL查询。为了提高Mybatis的性能，需要添加第三方缓存组件支持，目前用的比较多的是Ehcache缓存。Ehcache性能强大、快速简单，具有多种缓存策略。Mybatis与Ehcache整合可以提高性能，提高查询效率，降低数据库压力。

4 功能测试

　　主要对设备的实时控制和状态值的实时刷新进行了验证。设备用继电器模拟，使用安装Android程序的手机作为客户端进行功能测试。

　　在外网环境下，当客户端连接服务器后，触发设备开关按钮，可以将控制命令由云中转至网关，再转发至底层设备控制继电器开关，同时设备的最新状态和传感器值也会在客户端进行实时刷新。测试结果如图6，客户端能保持和网关信息同步。

5 结论

　　本文简要介绍了基于Android平台的智能家居系统设计和关键技术。该系统结合了云计算和MQTT技术，实现远程控制和信息同步，同时提供了内网控制，设备信息存在网关保证用户信息共享。为市场化应用提供一种参考。

参考文献

　　[1] 岳敬华.基于云服务的智能家居系统的研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学,2014.

　　[2] 吴浩权.基于Android的智能家居系统的研究与设计[D].杭州：浙江工业大学，2013.

　　[3] 崔荔.基于Android平台的智能家居客户端系统设计与实现[D].西安：长安大学，2013.

　　[4] 王运红，何灵娜.基于Android平台智能家居客户端的设计和实现[J].机电工程，2014，31(8)；1086-1089，1102.

　　[5] 关庆余.基于MQTT协议的移动社交网络客户端的设计与实现[D].沈阳：中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所），2014.

　　[6] 姜妮，张宇，赵志军.基于MQTT物联网消息推送系统[J].网络新媒体技术，2014，3(6)：62-64.

　　[7] 刘鹏.云计算[M].北京：电子工业出版社，2011.