一种基于安卓与云平台的智能家居系统设计
黄兴1，李文金2，苏凯雄1
（1.福州大学物理与信息工程学院，福建福州230026；2.福大北斗通信科技有限公司，福建福州350108）
摘要：针对传统智能家居系统安装复杂、功能单一、携带性差等问题，提出了一种基于安卓和云服务技术的智能家居系统设计方案。该系统以Arduino Mega2560控器作为硬件平台，实现对室内各电器设备的控制和数据采集。手机App采用低功耗蓝牙与硬件平台进行数据和指令交互，通过使用手机App可实现对室内电器设备的智能控制。PC端云服务器将手机
App上传的室内环境信息保存在数据库中，以供查询和管理。实验结果表明，该系统操作方便、携带性好，能较好地实现对室内家居设备的智能控制。
关键词：安卓；语音识别；人脸识别；低功耗蓝牙；云服务
中图分类号：TP273文献标识码：A
文章编号：1009-3044(2021)07-0005-04
开放科学（资源服务）标识码（OSID）:
A Smart Home System Design Based on Android and Cloud Platform
HUANG Xing1,LI Wen-jin2,SU Kai-xiong1
(1.School of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou230026,China;2.Fuda Beidou Communication Tech⁃nology Co.,Ltd,Fuzhou100083，China)
Abstract:Aiming at the problems of traditional smart home system complex installation,single function,poor portability,etc.a smart home system design scheme based on Android and cloud service technology is proposed.The system uses the Arduino Mega2560controller as the hardware platform to realize the control and data acquisition of various indoor electrical equipment.The mobile phone App uses low-power Bluetooth to interact with the hardware platform for data and instructions,and intelligent control of indoor electrical equipment can be realized by using the mobile phone App.The PC cloud server saves the indoor environment information uploaded by the mobile App in the database for query and management.The experimental results show that the system is easy to operate,portable,and can better realize the intelligent control of indoor household equipment.
Key words:Android;voice recognition;face recognition;Bluetooth low energy;cloud service
随着科技的发展和人们生活水平的提高，用户对于家居环境和生活质量也有了更高的要求。目前，传统[1]的智能家居控制系统一般通过有线方式组建并且通过PC控制，这种方式通常需要部署很多线缆，便携性也很差。基于以上事实，本文设计了一款基于安卓与云平台的智能家居系统。该系统采用低功耗蓝牙和4G网络等无线通信技术进行数据交互，这有效弥补了传统家居系统布线复杂和携带性差这一弊端。另外，基于安卓系统开发的手机App集成了百度AI识别与讯飞语音识别模块，通过使用该App不仅能够实现对室内设备的智能控制，而且能够将采集的室内环境信息实时上传至云服务器，实现对室内状况的运程监测。1系统总体设计方案
本文智能家居系统总体框图如图1所示，该智能家居系统包括三大部分：室内硬件控制终端、手机App、PC端云服务器。其中，室内硬件控制终端主要完成对室内各电器设备和传感器模块的控制和管理。手机App通过与硬件控制终端进行蓝牙连接可将用户的按键指令、手势指令、和人脸识别校验结果发送给主控终端。PC端云服务器通过HTTP协议与手机App进行通信，并将手机上传的数据展示在Web前端网页以供查询。
收稿日期：2020-11-20
作者简介：黄兴（1997—），男，江西新余人，硕士，研究方向为北斗通信及其应用；李文金（1989—
），男，福建泉州人，硕士，中级工程师，研究方向为北斗通信及系统集成应用；苏凯雄（1959—），男，福建省罗源县人，硕士，教授，研究方向为卫星通信、数字电视系统。
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图1系统总体设计框图
2硬件系统设计方法
本文智能家居系统的硬件部分包括：ArduinoMega2560控制器、舵机门模块、电灯模块、MQ-135气体传感器模块、DY-SWV17F 语音播报模块、DHT11温湿度模块、HC-08蓝牙BLE 4.0模块、OLED 显示模块以及电源模块。2.1硬件主控平台设计
硬件主控板采用的是Arduino Mega2560[2]型，相较于其他型号的Arduino 控制器，它提供了更多I/O 口与更大运算储存空间。控制器的开发环境为Arduino IDE 软件，该软件采用C 语言进行驱动程序的开发并集成了丰富的系统类库，由于系统类库采用C++语言进行封装，只需要在程序中添加相应的头文件即可调用库函数来驱动硬件模块。2.2温湿度模块设计
温湿度模块采用DHT11[3]温湿度传感器实时监测室内环境状态，并将采集的数据显示在OLED 液晶屏。DHT11具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强等优点，模块数据通信方式采用单总线串行通信，信号传输距离可达20米，模块原理图如图2
所示：
图2DHT11模块接口图
2.3蓝牙模块设计
本系统蓝牙通信采用HC-08蓝牙4.0串口模块，该模块基于Bluetooth Specification V4.0蓝牙低功耗（Bluetooth Low Ener⁃gy ，BLE ）协议，它支持数据透传，采用广播模式，通信距离可达
80米。本模块与手机透传无需配对码，只需手机上安装有BLE 蓝牙模块的App 即可进行数据收发，模块与手机通信连接如图3所示：
图3蓝牙模块与手机通讯方式图
2.4语音模块设计
DY-SV17F 语音模块集成了IO 分段触发、串口控制和one-line 单总线控制模式，它支持播放MP3等常见音频格式文件。由于本模块板载5瓦D 类功放，可直接驱动4~8欧的小喇叭，并且该模块集成了4Mbte flash 可以用来存储音频文件。本文采用了IO 触发方式进行音频的选曲播放，该方式通过单片机控制8个IO 口可实现0-255首歌曲的选择。由于IO 触发方式为低电平有效，为此本模块通过上拉电阻把IO 口电平默认置高，模块电路图如图4
所示：
图4语音模块电路图
3软件系统设计方法
本系统的软件设计主要包括：控制器驱动程序设计、手机客户端程序设计和PC 端云服务器设计三个部分。3.1控制器驱动程序设计
控制器驱动程序采用C 语言进行开发，它主要负责接收手
机端的蓝牙指令，并根据指令内容驱动相应硬件设备进行工作，程序流程图如图5所示：
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图5控制器程序流程图
3.2手机客户端程序设计
手机客户端分为主界面和各模块界面，软件主界面如图6
所示：
图6安卓客户端主界面
主界面UI 布局采用安卓GridView 控件进行布局内容的显示，该控件需在逻辑控制代码文件中进行获取，然后创建一个HashMap 列表对象存放键值对信息，再将该列表对象传入Sim⁃pleAdapter 对象中进行显示内容的适配。3.2.1风扇和电灯控制模块设计
本文风扇控制模块支持的功能有：一键开关、定时启动和关闭、手动模式、自动模式、休眠模式。其中，手动模式下用户通过软件的数字挡位按钮可以手动调节风扇转速。在自动模式下，手机App 采用PID(Proportion Integration Differentiation)算法对风扇转速进行调节，该算法通过监听蓝牙串口回传的环境信息实时监测当前环境温度，然后，再根据当前温度值大小自动给风扇模块发送PWM （Pulse width modulation ）数据，实现自动温控。本文电灯控制模块主要实现电灯的一键开关和模拟调光操作。其中，模拟调光操作实现原理为：当用户滑动电灯界面滑动条时，会触发控件的滑动事件，然后通过回调函数给主控设备发送PWM 占空比数据，从而实现模拟
调光操作。风扇控制界面和电灯控制界面下图所示：
图7电灯控制界面
图8风扇控制界面
3.2.2环境监测模块设计
安卓客户端软件环境监测模块实现原理如下：首先，软件后台线程会实时监听蓝牙串口数据并将该数据送入串口缓冲区。然后，当用户点击相应按钮后，该程序将从缓冲区中提取数据并判断数据报文头的类型。最后，程序根据数据报文头的类型调用对应环境数据的显示函数并在控制界面上进行显示。由于用户点击事件去处理串口数据是在子线程中完成，而安卓
系统的线程是不安全的[4]
，即子线程中不能更改UI 线程内容。为了实现环境数据的正确显示，软件控制代码必须先创建一个Handler 对象，再通过该对象获取Message 对象，最后把环境数据存入Message 对象中发送出去，以达到间接更改UI 线程内容的效果。另外，本客户端软件除了可以在手机端查询室内环境数据，它还能过通过HTTP 协议给远程云服务器发送POST 请求，远程服务器接受到手机端请求后可以将上传的环境数据进行保存以供用户查询。环境监测模块App
界面如下图所示：
图9环境监测App 界面
3.2.3串口报文格式设计。
由于手机App 与硬件主控平台之间所有的控制指令和采集的环境数据都是通过蓝牙串口进行收发，为此手机端和控制器模块必须能够识别自身所要的数据类型，然后再从串口缓存区中筛选所需数据。为了达到这一要求，App 软件为每个模块
的数据设置不同的数据头[5]
，这些数据头由“$”，“#”，“*”等符号
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构成。接收器只需从所有串口数据中筛选出包含对应数据头的报文，然后再将报文头信息和检验信息进行剔除后[6]即可得到报文内容数据。串口数据处理流程如图10：
图
10串口报文处理流程图
3.2.4语音识别算法实现
语音识别技术是人机交互的新形式的体现，通过对语音信
号的加工处理、特征提取、模板匹配等步骤，最终转化为机器语言，使被控设备能按照人的语音指令进行操作。
本文App 软件语音识别算法采用讯飞语音[7]开发平台提供的第三方软件开发工具包（Software Development Kit ，SDK ），用户根据需求选择相应的API （Application Program Interface ）接口以实现用户语音的识别。App 软件后台线程可将识别的结果转换为文本字符串，并采用UTF-8格式对字符串进行编码，最后将文本指令送入蓝牙发送线程进行发送。语音识别算法实现流程图如图11所示：
图11语音识别算法流程图
3.2.5人脸识别和手势识别算法实现
在本客户端软件中，人脸识别算法[8]用于人脸门禁操作。
当用户需进入室内时，可以打开手机客户端软件在线拍摄一张人脸图片也可以从手机相册中选择一张人脸图片。如果该人脸信息之前未进行注册，则手机端会提示该人脸信息错误，此
时门禁系统将不会打开大门。本文手势识别算法[9]
用于手势指令控制，用户可以把软件默认的24种手势设置为控制指令，当用户需要进行手势控制时，只需打开手机摄像头获取一张手势图片即可实现对各电器设备的手势控制。算法程序流程图如图12所示：
图12百度AI 识别处理流程图
3.3PC 端云服务器实现方法
本文系统服务器采用B/S 架构[10]，并结合模型视图控制器
（model view controller ，MVC ）模型的构建方案对系统进行分层设计。整个服务器工程部署在阿里云服务器，用户只需在浏览器输入网页地址即可访问。该服务器Web 静态页面采用html5和ccs3技术进行开发，并结合当前主流的Vue 和bootstrap 前端框架实现页面的动态响应。该服务器系统可以同时在PC 端、移动端、i OS 设备、安卓设备上运行，即实现一套代码跨平台、跨设备和跨系统的操作，大大节约了开发和维护成本。
本文Web 前端网页管理界面设计分为三大主要模块：用户登录、个人中心，数据统计。用户登录模块主要完成用户信息的鉴权操作，只有成功登录的用户才能对系统进行管理。个人中心模块的功能是查看和更改用户个人信息。数据统计模块完成的功能是对上报的环境数据进行可视化展示，该模块可以以折线图、柱状图以及数据表的形式展示环境数据。
4结论
智能家居系统是人工智能应用的一个分支，符合未来居家系统的发展趋势。本文设计了一款基于安卓与云平台的智能家居系统，为用户提供了人性化的交互应用体验。该系统具有
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安卓系统软件开发培训
定制订单、安排裙装加工生产、产品交付给普通消费者。
裙装设计师与普通消费者之间的交互呈闭环模式。裙装设计师设计出新的作品和收集到的新素材以裙装款式库和裙装构件库的形式展示给普通消费者；普通消费者可以直接选择符合自身个性化需求的裙装款式，也可以通过裙装构件库进行有限的修改，然后直接下单进入电商系统的裙装订单库进行预订生产；同时，普通消费者可以通过自己的主观感受对裙装设计师展示的裙装款式和裙装构件给出意见和评价；裙装设计师再针对买家给出的意见和评价有针对性地对裙装设计方案进行修订，对无法实现和非专业性的意见给出专家推荐方案，再以裙装款式库或裙装构件库形式展示给普通消费者。
5裙装个性化定制系统核心功能
裙装个性化定制系统主要由裙装定制模块、裙装推荐模块、设计工作坊模块、电子商务模块和用户管理模块组成。
裙装定制模块主要功能是消费可以搜索现有的裙装设计方面或者个性化定制自己的裙装方案。这些方案是经过设计师和厂家认证的设计，可以直接进入电子商务系统下单定制。裙装个性化定制系统的裙装定制界面如图5
所示。
图5裙装个性化定制系统
裙装推荐模块的主要功能是根据消费者的偏好，自动为消费者推荐可能感兴趣的裙装，并将结果按照得分的高低进行排序。消费者可以选择感兴趣的个性化推荐结果，也可以对推荐的结果通过裙装定制模块进行有限的修订。
此外，裙装设计工作坊是消费者和设计师的实现裙装设计的模块、电子商务系统是实现订单、支付等功能的模块。
6结论
本文面向裙装的个性化定制问题，提出了一种融合消费者、专业设计师和生产厂家的裙装个性化定制模式。通过深度学习对消费者的偏好进行分析，给出了消费者的裙装个性需求推荐方案，通过个性化定制系统实现了消费者的裙装个性化定制。
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【通联编辑：李雅琪】
（上接第8页）
操作简单、方便携带等特点。其中，主控设备与安卓客户端采用蓝牙通信方式进行交互，解决了传统家居系统布线复杂、安装困难等问题。针对指令和回传数据共用串口问题，采用协议头机制对报文进行分发。另外，为了实现对室内环境信息远程可视化管理，采用PC端云服务器对室内环境信息进行存储和管理，用户可以在PC端观测室内环境变化，也可以通过手机4G 网络访问服务器进行查看。最后，针对传统家居系统功能单一等问题，通过在手机App上集成百度AI识别和讯飞语音识别技术丰富用户的交互体验。
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【通联编辑：梁书】

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