基于JAVA語(yǔ)言的智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)當(dāng)前智能家居設(shè)備缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議，部分設(shè)備存在數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)速度慢、數(shù)據(jù)延遲發(fā)生等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于JAVA 語(yǔ)言的智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)。首先，進(jìn)行了智能家居電子設(shè)備交互分析，闡述了智能家居環(huán)境架構(gòu)和設(shè)備數(shù)據(jù)交互問(wèn)題。其次，提出了基于JAVA 語(yǔ)言的智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)總體方案，總結(jié)了系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)方案，建立了智能家居電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。最后，建立了智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和IP 地址分配，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)軟件。該數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)多種智能家居設(shè)備的數(shù)據(jù)互聯(lián)，大幅降低設(shè)備之間的數(shù)據(jù)延遲，從而使傳輸效率得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：JAVA 語(yǔ)言；智能家居；電子設(shè)備；數(shù)據(jù)交互；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TN929.5；TP309.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及，智能家居逐漸成為現(xiàn)代生活中一個(gè)重要組成部分。智能家居系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳統(tǒng)家居設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，對(duì)其實(shí)現(xiàn)智能化管理與控制。雖然各類智能設(shè)備的數(shù)量不斷增加且功能日益豐富，但在實(shí)際應(yīng)用中，智能設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題依然突出。當(dāng)前市場(chǎng)上的大多數(shù)智能家居設(shè)備采用的是各自獨(dú)立的通信協(xié)議，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。此外，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，部分設(shè)備的響應(yīng)速度較慢，數(shù)據(jù)延遲時(shí)有發(fā)生，這在一定程度上影響了實(shí)時(shí)控制的效果。因此，本文結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與JAVA 語(yǔ)言的跨平臺(tái)特性，致力于設(shè)計(jì)一個(gè)能夠促進(jìn)智能家居電子設(shè)備間信息共享與互動(dòng)的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)思路，確保系統(tǒng)在快速變化的智能家居市場(chǎng)中具有足夠的適應(yīng)性，這既能幫助用戶享受智能家居帶來(lái)的便利，也能提升設(shè)備之間的協(xié)同工作能力。

1 智能家居電子設(shè)備交互分析

1.1 智能家居環(huán)境架構(gòu)

智能家居是以住宅為中心，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接家中的智能家居設(shè)備，如智能電視、智能窗簾、智能攝像頭等，這些設(shè)備可以提供不同類型的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能、便捷和舒適的家居生活。在智能家居環(huán)境中，用戶可以通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦遠(yuǎn)程訪問(wèn)智能家居設(shè)備，隨時(shí)隨地對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行控制和管理。智能家居設(shè)備具備自動(dòng)化控制的功能，如自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、開(kāi)關(guān)燈光等，提高了家居的舒適性和安全性。智能家居環(huán)境架構(gòu)包括用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)和設(shè)備聯(lián)動(dòng)兩大應(yīng)用場(chǎng)景[1]（圖1）。

在用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)場(chǎng)景中，用戶可以通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦訪問(wèn)智能家居設(shè)備。用戶需要先將家居設(shè)備連接到家庭內(nèi)部的網(wǎng)關(guān)中，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將家居設(shè)備和用戶設(shè)備相連接，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能。用戶可以通過(guò)智能家居APP 或者語(yǔ)音助手來(lái)控制家居設(shè)備，如調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、開(kāi)關(guān)燈光、調(diào)整窗簾開(kāi)合度以及播放音樂(lè)等。用戶可以隨時(shí)隨地通過(guò)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，方便快捷。在設(shè)備聯(lián)動(dòng)場(chǎng)景中，不同的智能家居設(shè)備可以進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能化控制和場(chǎng)景切換[2]。

智能家居設(shè)備能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接與通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化聯(lián)動(dòng)控制。目前，許多廠商推出的智能家居設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)服務(wù)。例如，小米科技有限責(zé)任公司推出的智能貓眼可以聯(lián)動(dòng)小愛(ài)同學(xué)顯示門外畫(huà)面，當(dāng)門口有人來(lái)訪時(shí)，可以直接查看門外情況；海爾集團(tuán)控股有限公司打造的智慧客廳，可以在用戶回家后，實(shí)現(xiàn)門鎖聯(lián)動(dòng)空調(diào)自動(dòng)開(kāi)啟，并讓電視自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到上次沒(méi)看完的節(jié)目。智能家居設(shè)備聯(lián)動(dòng)可以提高家居生活的智能化程度，為用戶帶來(lái)更加便捷、舒適和安全的生活體驗(yàn)[3]。

1.2 智能家居設(shè)備數(shù)據(jù)交互問(wèn)題

（1）在用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)場(chǎng)景中，由于智能家居設(shè)備需要連接到互聯(lián)網(wǎng)，黑客可以通過(guò)攔截傳輸在公開(kāi)信道上的信息，竊取用戶的個(gè)人信息、家庭生活習(xí)慣等隱私數(shù)據(jù)，因此存在數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)；黑客也可以通過(guò)攻擊智能家居設(shè)備劫持用戶的遠(yuǎn)程控制權(quán)，繼而惡意操作家居設(shè)備，如打開(kāi)門鎖、關(guān)閉安防等，威脅用戶的家庭安全。

（2）在設(shè)備聯(lián)動(dòng)場(chǎng)景中，由于智能家居設(shè)備的計(jì)算、存儲(chǔ)能力有限，黑客可能通過(guò)提取智能家居設(shè)備存儲(chǔ)的信息來(lái)獲取用戶的隱私數(shù)據(jù)，造成信息泄露；設(shè)備間的通信在公開(kāi)信道進(jìn)行，黑客會(huì)攔截公開(kāi)信道的消息，通過(guò)假冒通信設(shè)備對(duì)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行干擾和破壞，同樣威脅家庭安全[4]。

2 基于JAVA語(yǔ)言的智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)需求分析

智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)對(duì)于提高家居設(shè)備數(shù)據(jù)交互的運(yùn)維效率和可靠性具有重要作用。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，基于JAVA 語(yǔ)言的智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)能夠確保電子設(shè)備的交互通信順利進(jìn)行，這就需要系統(tǒng)滿足以下要求[5]。

（1）部署方便。系統(tǒng)需要在常用通信方式無(wú)法正常工作時(shí)，迅速建立網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證通信正常。本系統(tǒng)采用若干通信節(jié)點(diǎn)與通信網(wǎng)關(guān)即可完成基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，且通信設(shè)備小巧靈活、移動(dòng)方便，無(wú)須建立基站等大型設(shè)施。

（2）遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。本系統(tǒng)支持信息交流無(wú)線傳輸，并且網(wǎng)絡(luò)充分覆蓋智能家居面積，實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)間一定范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離通信[6]。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示，由LoRa 硬件模塊、LoRa 網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端和通信協(xié)議棧等組成。通信節(jié)點(diǎn)部署在智能家居內(nèi)，可以移動(dòng)位置，坐標(biāo)由衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

（1）LoRa 硬件模塊。主要包括無(wú)數(shù)個(gè)LoRa 節(jié)點(diǎn)與設(shè)備終端接口。二者總體設(shè)計(jì)并無(wú)太大區(qū)別，都選擇了STM32 單片機(jī)作為控制器，并結(jié)合LoRa通信模塊進(jìn)行信息傳遞，結(jié)合北斗定位模塊進(jìn)行定位。

（2）通信協(xié)議棧。本系統(tǒng)采用的通信協(xié)議?？傮w分為4 層。協(xié)議棧描述了節(jié)點(diǎn)正常工作、有序加入自組網(wǎng)絡(luò)、建立路由表、規(guī)劃最優(yōu)傳輸路徑的過(guò)程，同時(shí)規(guī)定了節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的通信規(guī)則。

2.3 智能家居電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

智能家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中基本信息的傳輸與接收，是組網(wǎng)系統(tǒng)的根基。節(jié)點(diǎn)以 STM32 單片機(jī)為主控，搭載了LoRa 通信模塊與北斗定位模塊，并可用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，電源電路為其供電，LED 燈顯示其工作狀態(tài)。LoRa 節(jié)點(diǎn)可分布在智能家居區(qū)域的任何位置，由北斗定位模塊為其定位經(jīng)緯度，而后LoRa 硬件模塊將電量、經(jīng)緯度和路由表等節(jié)點(diǎn)信息傳遞到 LoRa 網(wǎng)關(guān)。

3 智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

虛擬層是組網(wǎng)協(xié)議棧的核心層，既要處理硬件抽象層與應(yīng)用支持層傳來(lái)的數(shù)據(jù)，又要維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基本功能。虛擬層的主要任務(wù)包括節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)與IP 地址分配、心跳包數(shù)據(jù)采集與傳輸、路由節(jié)點(diǎn)維護(hù)以及報(bào)文發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)等內(nèi)容。

3.1 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)與IP 地址分配

節(jié)點(diǎn)在收到源地址發(fā)來(lái)的入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文之后，按照規(guī)定的步驟進(jìn)行報(bào)文處理。規(guī)則如下：如果接收節(jié)點(diǎn)在最近的請(qǐng)求列表中發(fā)現(xiàn)了此入網(wǎng)報(bào)文的源節(jié)點(diǎn)地址，說(shuō)明已經(jīng)接收過(guò)此請(qǐng)求報(bào)文，則丟棄該入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文，不做進(jìn)一步處理；如果接收節(jié)點(diǎn)的地址已經(jīng)在入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文的路由記錄中列出，說(shuō)明已經(jīng)處理過(guò)此請(qǐng)求報(bào)文，同樣丟棄該請(qǐng)求報(bào)文，不做進(jìn)一步處理。

3.2 數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

組網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件基于Qt 應(yīng)用程序，利用其圖形應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息顯示、節(jié)點(diǎn)控制和路徑規(guī)劃等功能。Qt 應(yīng)用程序用 C++ 語(yǔ)言編寫(xiě)，能夠?qū)崿F(xiàn)界面設(shè)計(jì)與人機(jī)交互。在設(shè)計(jì)界面時(shí)，只需要將對(duì)應(yīng)窗口文件拉入顯示界面，然后設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)即可。當(dāng)然，用戶也可以直接使用Qt 應(yīng)用程序進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于JAVA 語(yǔ)言的智能家居電子設(shè)備數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，不僅解決了當(dāng)前智能家居系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)交互效率低下和操作復(fù)雜難題，也為智能家居的未來(lái)發(fā)展指明了方向，展示了其在提升生活質(zhì)量和構(gòu)建智能化環(huán)境方面的重要作用。希望本文能夠?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)提供有價(jià)值的參考，并推動(dòng)智能家居技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 靳志超，崔琦. 基于B/S 的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 信息記錄材料， 2024，25（9）：95-97，101.

[2] 呂烈尉. 新一代信息技術(shù)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 家電維修， 2024（9）： 68-70.

[3] 劉奇超. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安全加密算法分析[J]. 集成電路應(yīng)用， 2024，41（9）：150-151.

[4] 張玥. 智能家居系統(tǒng)集成與室內(nèi)設(shè)計(jì)研究[J]. 科技資訊，2024， 22（18）：60-62.

[5] 王洪麗. 基于無(wú)線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 信息記錄材料，2024，25（10）：121-123.

[6] 曹杰. 基于人工智能的智能家居傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與隱私保護(hù)[J]. 模具制造， 2024，24（10）：181-183.