智能门窗APP系统的设计与实现.docx
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智能门窗APP系统的设计与实现
本科毕业设计（论文）
学院（部）
计算机科学与技术学院
题目
智能门窗APP系统的设计与实现
年级
2014级
专业
信息治理与信息系统
班级
信管
学号
1427402031
姓名
孔玉琴
指导老师
严建峰
职称
副教授
论文提交日期
2018
5
19
摘要
目前，随着我国经济的进展，物质环境及科学技术也随之不断提高，人们对生活环境的舒适性和便捷性有了更高的要求。
为满足需求，市场上开始出现智能家居系统的身影，但其面向多种家居，智能门窗系统只是其中占比很小的子系统，很少有专门针对门窗来设计和实现智能控制系统。
因此本文主要将门窗作为具体对象，研究设计实现一个基于Android平台的智能门窗APP系统。
此系统具有前端Android应用程序和后端服务器，基于Android开发平台，Java为主要编程语言，采纳MYSQL数据库进行数据库设计和数据治理，使用MQTT协议、RTMP协议来分别实现信息流推送和视频流推送。
主要实现的工作设计有：
（1）、客户端远程控制门窗开关；
（2）、猎取环境参数计算得到门窗适宜开/关程度，并主动推送消息给客户端，实现智能操作；（3）、客户端猎取门窗安装摄像头拍摄到的内容，实现实时监控；（4）、客户端记录环境日志与开/关门窗日志。
该系统融合了设备操控技术和计算机技术，具有简单的操作界面、有用的应用价值，使用户拥有了更好的门窗操作体验、更优质的家居生活，提升了用户生活品质。
关键词：
智能门窗、Android、MQTT协议、RTMP协议。
Abstract
Atpresent,withthedevelopmentofChina'seconomy,thephysicalenvironmentandscienceandtechnologycontinuetoincrease,peoplehavehigherrequirementsforthecomfortandconvenienceofthelivingenvironment.Inordertomeettherequirements,smartdoorsandwindowssystemshavebeguntoappearinthemarket,buttheyareorientedtowardsvarioushouseholdproducts.Smartdoorandwindowsystemsareonlysubsystemswheretheproportionissmall,andthereareveryfewdedicatedintelligentcontrolsystemsfordoorsandwindows.Therefore,thisarticlemainlyregardsdoorsandwindowsasconcreteobjects,researchesanddesignsandrealizesasmartdoorandwindowAPPsystembasedonAndroidplatform.
Thissystemhasafront-endAndroidapplicationandback-endserver.BasedontheAndroiddevelopmentplatform,Javaisthemainprogramminglanguage.ItusesaMYSQLdatabasefordatabasedesignanddatamanagement,andusestheMQTTprotocolandRTMPprotocoltoimplementinformationflowpushandvideostreampushrespectively.
Themainworkdesignsareasfollows:
（1）Theclientremotelycontrolsthedoorandwindowswitches;
（2）Obtainstheenvironmentparameterstocalculatetheappropriateopening/closingdegreeofthedoorsandwindows,andpushesthemessagetotheclienttorealizethesmartoperation;（3）Theclientacquiresthecontentcapturedbythedoorandwindowinstallationcameraandrealizesreal-timemonitoring.（4）Theclientrecordstheenvironmentlogandopens/closesthedoorandwindowlogs.
Thesystemintegratesdevicecontroltechnologyandcomputertechnology,hasasimpleoperationinterface,practicalapplicationvalue,sothatusershaveabetterdoorandwindowoperationexperience,abetterhomelife,andimprovethequalityoflifeofusers.
Keywords:
smartdoorsandwindows,Android,MQTTProtocol,
RTMPProtocol.
前言
智能门窗系统作为一种新的开发方向，旨在现代快节奏的生活方式下，为用户提供更加便捷的生活体验。
在满足传统门窗系统实现的基本控制功能外，智能门窗系统应该更能满足用户随时随地进行控制和监控的需求，与现有的相关产品相比较，系统更具有时效性，针对的对象更加具体，实现智能化，自主推送消息。
设计致力于实现一个操作简单、界面友好的智能门窗系统。
为实现此系统，查阅了门窗产品的进展现状，分析研究相关系统产品并做相互比较，学习其优点与先进技术，同时发觉系统产品的不足之处，幸免在此次设计中出现相同问题。
文章需要完成的任务有：
（1）分析智能门窗系统的背景和进展现状，确定课题主要研究设计内容，说明系统实现中运用到相关理论与技术。
（2）其次从可行性分析、业务需求、用户需求和功能需求对系统进行需求分析，阐述了数据库设计内容以及系统客户端与服务器端的具体实现过程。
（3）客观的对实现的系统进行评价分析作出总结，同时对此系统的进展寄予展望。
第一章、绪论
1.1课题背景
科技产品在生活中的出现，使之成为了生活中不可缺少的一部分，人们已经不知不觉接受并习惯了科技产品的存在，人们的依赖感和对科技的信任感正在不断地加强。
二十世纪九十年代末，新加坡通过家电电子展览会向人们展现了未来家居生活的场景，之后的近两年时间内，新加坡以极快的速度普及了智能家庭系统[1]。
除了新加坡，美国的智能化家居进展也一直处于世界前沿。
智能家居市场具有极大的进展前景，吸引了大批商人进行投资，虽然每家公司的策略不尽相同，但都推动了智能家居的进展[1]。
虽然美国是世界上目前为止智能家居的最大市场，但中国的科技实力也不容小觑，中国智能家居进展速度也是十分凶狠的。
经过相关研究显示，中国智能家居市场的规模有望每年平均增长48%，2018年中国智能家居市场规模扩大至1396亿元人民币，估计2022年中国拥有智能家居潜在需求的家庭数量可达4亿[2]。
通过调查相关资料发觉，智能家居系统进展的如火如荼，单独研究智能门窗治理系统的并不多，没有针对门窗对象的APP系统，绝大多数都是研究智能家居系统，智能门窗则是智能家居的一个重要子系统。
传统门窗只是一个门窗家居的概念，它是单个实物，用户手动操作，而智能门窗不再是单个概念，而是一个组合概念，它主要由服务器、传感器、遥控装置等设备组成[3]。
而这些设备正式实现门窗远程控制的关键。
目前，电动开启或者关闭门窗已经是很成熟的技术，电动化以后的门窗，与互联网实现对接，通过App相连，就能实现远程操作。
在上世纪70年代，智能门窗产品在美国被人们制造，因受到大众的欢迎，欧美等发达国家也逐渐采纳，并开始推广。
随后，不止是欧美发达国家，亚洲一些国家也开始使用智能门窗产品，例如韩国、新加坡、中国等。
从红外线遥控到远程遥控，智能门窗在不断更新，不断适应科技生活的要求[1]，智能门窗产业完全呈现积极地进展趋势，拥有辽阔的进展前景。
1.2课题意义
本课题实现了基于Android的智能门窗APP系统，主要实现了门窗控制、视频监控、纪录查询、信息服务等功能，大致满足了用户对更先进化居住环境的要求。
智能门窗的出现，很好的解决了人们对智能生活的需求，优化了人们的生活方式，不用再为开关门窗这种琐事烦扰；增加了生活的舒适度，人们在一天的工作后，期望能在家中好好休息，此时若需关窗或有人拜望，就可以通过App解决需求，不用亲自起身操作，从而提高休息质量，提高了人们对时间的利用率；多数情况下，由于天气的忽然改变，或忘记关闭门窗，由于人们无法准时返回家中进行关闭门窗的操作，门窗可能会在恶劣天气下被损坏，同时也可能会破坏室内的家庭用具和环境，智能门窗APP就能和好的解决这类问题，使得用户不用为关窗而浪费时间专门跑回家；同时，现代社会，人们更加注重健康问题，优良的室内空适宜的开/关程度，主动发送信息通知用户，从而让用户居住在更加健康的空气环境中。
1.3课题主要内容
系统基于Android平台，用户只需要使用Android手机，就可以实时远程智能控制家中的门窗，若门窗配备摄像头，也可以实时猎取摄像头拍摄画面，从而进行监控。
与此同时，系统会根据收集到的环境参数进行计算从而来控制门窗的开和关程度，并进行开/关消息的推送。
系统主要实现以下几点功能：
（1）用户登录注册。
（2）门窗信息治理，添加或删除门窗信息。
（3）环境日志、门窗开/关纪录查看。
（4）用户远程控制门窗开关。
（5）用户获得消息推送，此消息为系统由环境参数经过计算后的门窗开/关信息。
（6）用户获得门窗摄像头实时监控。
1.4文章组织结构
本课题主要分析智能门窗的进展状况，结合相关技术，设计实现了“基于Android的智能门窗APP系统的设计与实现”，论文分为以下六个部分：
第一章为绪论，主要分析了智能门窗的研究背景与国内外进展状况。
讲述了本课题实现的意义，最终明确了课题的主要内容。
第二章主要介绍了Android系统和其特点，同时也介绍了智能门窗系统中几个比较关键的技术，如RTMP协议和MQTT协议，最终介绍了服务器端使用的框架SpringBoot。
第三章对智能门窗APP系统进行了需求分析，分析可行性后明确了课题目标，再进行阐述了系统的业务需求、用户需求和功能需求。
第四章主要对系统中的数据库进行了详细的说明，首先阐述了数据库设计的原则，然后描述了系统中的实体属性与数据库中创建的表并绘制了E-R关联图。
第五章为实际实现商议章节，详细说明白客户端功能的具体实现、服务器端功能的具体实现，并对系统进行了测试，包括单元模块测试和系统整体测试。
第六章是对本课题论文的总结，阐述了系统优势并对本次实现的智能门窗系统提出了改进的地方，同时对它的进展寄予了展望。
第二章、相关理论与技术介绍
2.1Android系统
Android作为一种半开源的操作系统，最早是由Google和开放手持设备联盟开发，它基于Linux，支持多种应用环境包括智能手机、平板电脑等其他移动设备[4]。
Android系统框架有五个部分组成：
应用程序、应用程序框架、Android运行环境、系统库和Linux内核【4】，如下图2.1所示。
图2.1Android系统架构图
（1）应用程序（APPLICATIONS）
应用程序是由开发人员开发，使用java语言编写的程序，其开发成功后可以将Android中原来的App替换掉，这一属性也是安卓平台与其他平台相比的最大优势。
（2）应用程序框架（APPLICATIONFRAMEWORK）
开发者在开发应用程序的时候会需要相应的应用程序编程接口，应用程序框架就是专门为开发者提供接口的，有了相应的API，开发者在编写应用程序时会更加通畅，以便开发出高质量的程序。
（3）Android运行环境（RUNTIME）
Dalvik虚拟机技术，也就是所谓的Android运行环境，android包含了一组核心库，其中Java编程语言库数据库内核提供了大多数功能。
对于Android系统而言，每个应用程序都是Dalvik虚拟机的一个例子，Dalvik技术使一台设备可以同时运行多个虚拟机。
（4）系统库（LIBRARIES）
作为Linux和APPLICATIONFRAMEWORK的连接，APPLICATIONFRAMEWORK受到LIBRARIES的支持。
因为有系统库的存在，Android系统上的类和组件能够直接利用C/C++库，C/C++库使得Android系统有了更加丰厚的功能和服务。
（5）Linux内核（LINUXKERNEL）
随着智能手机和平板电脑以及外围设备的功能越来越复杂，需要一种外围设备支持操作系统，用于治理这些软件和硬件，以防止滥用和不可预测的后果的设备。
首先，内核层能够给予核心的系统服务，如安全性，内存治理，治理方法，网络协议栈和驱动器模型[4]，此外，Linux内核层也可对硬件和更高层软件提供虚拟中间层。
该平台的开发使移动终端制造商能够自由的加入到Android系统中，开放性的特点使其拥有更多的追随者和拥护者，用户可便捷的将其开发的应用植入到Android平台上[5]。
在Android应用程序的开发中，开放性的特征有利于人气的堆聚，这里的受欢迎程度不仅包括消费者，同样也包含生产者，对于消费者来说，它是从丰富的软件资源中获益。
开放平台同样带来了更大的竞争，因此，消费者可以以更低的价格购买想要的手机。
2.2通讯协议
2.2.1HTTP协议
超文本传输协议HTTP（UniformResourceLocators）提供服务器和网页扫瞄器之间的网络协议，传输规范信息。
1990年，HTTP协议就已经提供支持，如网络传输协议网络。
七层参考模型是由IOS/OSIHTTP定义的，而超媒体信息系统协议HTTP则在这模型传输层的上一层[6]。
HTTP的工作流程是客户/服务器模式，详细来说，客户就是扫瞄器，而服务器就是WWW服务器。
在HTTP的工作过程中，使用的方式是握手方式，即恳求/应答方式：
客户端连接的过程中，双方建立一个TCP连接，客户端向恳求处理服务器发送一个恳求，服务器收到恳求后进行处理，并将处理发挥到客户端，完成应答，在此之后，服务器关闭连接。
2.2.2MQTT协议
对于此次设计的智能门窗系统来说，消息推送是一个必不可少的地方，智能门窗是实时获得环境参数，将对外界环境感知处理后的结果推送到App上，若没有推送消息，会使此App失去时限性。
相比较推送方式，拉取方式是比较繁琐的，如果用户需要知道新更新的信息，就需要被动的检查信息是否更新，然后用户或者应用程序才向服务器发出恳求来得到想要的新信息，这样耗时耗力，对于智能门窗APP的用户来说是不便捷的，也不是智能的，环境随时都在改变，若需要用户实时拉取数据，这与智能门窗APP便捷优质生活的核心是相违背的。
服务器主动的、直接的向用户发送更新信息，减少数量和交互负载，缩短反应时间，提高效率，最重要的是它不需要用户的参加，这样用户可以在最初的一段时间内实时猎取他们需要的信息和内容。
在1999年，IBM和Eurotech开发制造了MQTT协议，MQTT协议是消息传输协议，其基于公布/订阅[7]。
有些设备具有一定的缺陷，如低宽带，网络不稳定、计算处理能力受限等，而MQTT就是为这些设备设计的，MQTT协议具有很强的优势，低功耗的传输协议可以减少网络流量，最大限度地减少数据包并有效安排和传输，这些特点对于移动系统的应用程序来说是十分得当的。
固定头、可变头、有效载荷是MQTT消息体的主要组成部分[7]。
无论是那种类型的消息体，固定头是一定包含在内的。
MQTT的消息可以按功能分类，分别为连接类、消息订阅/公布类、保活类，主要的消息类型及其对应数值如下表2.1所示。
表2.1MQTT主要消息类型和对应数值
Mnemonic
Value
Mnemonics
Value
CONNECT
1
UNSUBSCRIBE
10
PUBLISH
3
PINGREQ
12
SUBSCRIBE
8
DISCONNECT
14
服务器分为三个层次。
第一层是MQTT中间消息推送，这是一种发送和接收网络通信机制的机制，负责实现下层协议和不同类型的消息;第二层通过认证模块，控制模块，自动ACL订阅模块，主题统计模块和状态监控模块组成，基于改进的各种功能的通信机制是整个系统的必要应用;第三层是数据存储层，并为第二层的每个模块提供支持数据以与统计数据交互。
系统框架如下图2.2所示。
图2.2系统框架
MQTT拥有以下几个特点，首先，MQTT协议框架简洁，有利于开发者实现想要的功能，第二，它的通讯花费开销很小，第三，在非正常的网络客户端连接状态下，并在断开连接后，可以根据客户端的意愿设置机制，以公布通知的形式通知其他客户端用户，而这些用户是对该用户状态感兴趣的用户。
2.2.3RTMP协议
Adobe公司首先提出RTMP协议。
RTMP是实时传输消息协议，在客户端和服务器端之间传递信息，可用于执行实时数据通信，这是专为视频数据，音频，数据传输协议而设计的，是Flash/AIR平台和支持协议的服务器之间通信的桥梁[8]，与TCP/UDPRTPM传统的多媒体传输协议相比，它支持多种语音、图像、脚本从服务器数据到客户端和客户端到服务器等多条线路动态传输，RTMP协议支持分开处理视频中的视频、音频，视频数据与声音不是同样处理方式，会被分开缓存到服务器中。
系统中利用此协议，从服务器端传送视频流到客户端，从而实现用户可以在客户端实时监控门窗配置的摄像头功能。
在RTMP视频系统的基础上，该系统主要由客户端，应用服务器，RTMP服务器，基于数据库应用和其他服务构成，其基本结构如下图2.3所示。
图2.4基于RTMP协议的视频体统的基本结构
使用RTMP协议的系统具有这些特点：
RTMP协议可以有效保证多媒体传输的质量，让用户可以观看高质量的视频。
无需安装客户端程序，大大简化了难度的操作客户端。
2.3SpringBoot
SpringBoot是由Pivotal团队提供的全新框架，其设计目的是用来简化Spring应用的初始搭建以及开发过程。
该框架使用了特定的方式来进行配置，从而使开发人员不再需要定义样板化的配置。
它默认配置了很多框架的使用方式，就像Maven整合了所有的jar包，SpringBoot整合了所有的框架。
SpringBoot通常需要使用集成开发框架，例如容器（matou，Jettty，Undertow），jms，持久化框架，日志框架流行的NOSQL数据（Cassandra，MongoDB）[9]，缓存帧等。
传统的开发Spring框架中，用户需要自己编写一个XML文件，并在Gradle
、Maven中添加相应的依赖包，添加一个函数代码，以响应之前的代码使用。
引入多个依赖包是会出现一个难题，就是包与包之间具有版本的区别，这些版本之间往往有冲突，因此需要对此进行集中处理。
这个冲突需要花费很多的时间和精力。
如果开发使用SpringBoot，只有在Gradle、Maven的配置文件中，添加少量配置，就可以运用想要使用的框架，以便简化配置，XML配置代码为零，并且SpringBoot对包版本的依赖问题很简单解决。
SpringBoot的基础结构共三个文件：
程序开发以及主程序入口、配置文件、测试程序。
2.4MYSQL数据库
MYSQL是一种开源代码的关系型数据库治理系统，YSQL拥有的特点对于个人或者中小企业来说是最好的选择。
它拥有多种优势，对硬件要求较低，因为存储着适中的数据量，运行时不会占用大量内存；支持多种操作系统，并为多种编程语言提供了API；支持多线路，能够充分利用CPU资源。
这些优点使得MYSQL十分受到开发者的欢迎。
2.5本章小结
本章是对课题系统运用到的基本知识和技术进行了简洁介绍。
首先介绍了Android系统，分析了其架构、特点和优势，其次介绍了相关的协议与框架，包括HTTP协议、MQTT协议、RTMP协议和SpringBoot框架。
最终概述了MYSQL的概念与优势。
第三章、需求分析
3.1可行性分析
可行性分析是推断一个系统是否可以开发的基础，通过对多方面进行可行性分析，充分全面的进行衡量，幸免一有想法就盲目的进行系统开发，而造成不必要的经济和人力损失。
通常在系统开发的初期阶段、从技术角度、经济角度、操作角度等进行分析，保证系统能够高效的开发。
（1）技术可行性
从软件角度看，本系统采纳java语言进行编写，运行IntellijIDEA环境进行构建，将数据通过MYSQL数据库进行存储治理，整体的技术难度、代码编写量较为适中。
从硬件角度看，系统基于Android平台，如今Android系统已十分普及，拥有开发使用的硬件是很便利的。
（2）经济可行性
系统的经济可行性的分析主要估算三种费用，即开发成本、运行成本和后期维护费用。
现在电脑的应用已经得到了普及，是基础的信息化设施，系统开发过程中使用的编程软件可以免费从网络途径下载安装，系统的开发使用计算机进行，开发环境和开发软件设备可以满足实现系统。
同时，系统所需要的硬件设备即Android手机是当前社会普遍使用的智能手机，很简单获得。
用标准化、智能化的方式帮助用户解决生活问题，从而提高工作效率，从长远来看，智能化的生活方式是人们逐渐追求的高品质的生活方式，因此，其使用人数在未来是呈上升趋势的。
（3）运行可行性
系统的客户端采纳图形界面方式，简洁、清楚的页面和操作步骤，使用户可以清楚的了解每个页面的功能，并根据相应关键字来进行相关操作。
对于绝大多数用户来说是可以自主操作的。
3.2系统完成目标
智能门窗APP以家庭住宅为平台，主要使用者是房屋住户，以为用户提供舒适、安全、便利和高效率的生活环境为目标，通过该APP来实现对门和窗户的远程智能控制。
该系统由服务器端、客户端、模拟门窗的网页三部分组成。
每部分需实现的目标如下：
服务器端：
猎取客户端开/关门窗恳求，将恳求传输给门窗即模拟门窗开/关的网页，并反馈给客户端。
从门窗即模拟门窗的网页猎取环境参数，计算得出门窗适宜开/关程度，主动推送此信息流给客户端。
从推流软件猎取视频流，并可以传输视频流到客户端，是智能门窗的中心治理平台。
客户端：
为用户提供便捷、易懂的操作工具，有了其存在，使得门窗设备的控制行为不仅能在家中实现，扩大了人们控制门窗的范围，是智能门窗系统的重要组成部分。
模拟门窗的网页：
网页前端模拟
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