基于UPnP协议家庭娱乐共享系统的设计与实现.docx
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基于UPnP协议家庭娱乐共享系统的设计与实现.docx
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基于UPnP协议家庭娱乐共享系统的设计与实现
硕士专业学位论文
基于UPnP协议家庭娱乐共享系统的设计与实现
DesignandImplementationofHomeMediaLinkSystem
BaseonUPnP
作者:
XXX
导师:
XXX
北京交通大学
2018年9月
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。
特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
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签字日期:
年月日签字日期:
年月日
学校代码:
10004
密级:
北京交通大学
硕士专业学位论文
基于UPnP协议家庭娱乐共享系统的设计与实现
DesignandImplementationofHomeMediaLinkSystem
BaseonUPnP
作者姓名:
XXX学号:
XXXXXXXX
导师姓名:
XXX职称:
XX
工程硕士专业领域:
软件工程学位级别:
硕士
北京交通大学
2018年9月
致谢
经过交大的工程硕士学习生活,让我对软件工程有了更深的理解和认识,两年的学习生活虽说是短暂的,但势必对我以后的工作生活产生巨大的影响。
首先我要感谢的是我的导师XXX老师,她博学的知识、实事求是严谨的工作作风让我受益匪浅,论文从开题到最后论文的定稿,正是在她耐心的指导下,我才能顺利的完成这篇论文,而她对我的帮助又不仅限于论文,她缜密的思考方式、对待细节的认真态度,在我在以后的学习生活中影响深远,再一次向我的导师XXX老师以最诚挚的谢意和崇高的敬意。
诚挚的感谢我的单位领导及同事,在项目开发和论文撰写过程中给我极大的支持和帮助,当碰到疑难问题的时候,是他们帮我出谋划策,当有其他项目工作干扰本课题的研发进度的时候,也是他们协调人力资源,避免本课题的延期。
衷心感谢我的家人朋友在我艰辛的学习工作中给我的关心、鼓励和支持。
最后我要感谢我的母校—北京交通大学,祝愿她明日更加辉煌!
摘要
随着互联网及数字机顶盒的不断发展,机顶盒的功能不断推陈出新,在日益激烈的市场竞争中,要求机顶盒厂商开发出更实用、新颖的功能。
本文设计并实现了利用Android手机和机顶盒作为终端设备的家庭娱乐共享系统,用户在Android手机上可以与机顶盒搭配完成智能遥控、媒体共享、体感控制、卡拉ok点歌等功能,同时机顶盒可以支持DLNA规范,优化了机顶盒用户的使用体验,提升了产品竞争力。
本系统分为Android手机端软件与机顶盒端软件,两端软件搭配使用,采用Android系统为开发平台,开发利用Android平台特性进行分层与模块化设计方案,对系统的功能性需求和非功能性需求进行分析,按照功能模块划分为:
设备交互模块、智能遥控模块、媒体共享模块、卡拉ok控制模块,本人独立设计并实现了如下模块:
设备交互模块:
该模块提供Android手机端软件搜索机顶盒设备(已安装了机顶盒端软件),建立连接并进行数据交互的功能。
智能遥控模块:
为用户提供手机端软件模拟遥控器、鼠标、键盘和体感控制器,将模拟数据发送到机顶盒端软件进行处理,实现手机控制机顶盒的功能。
媒体共享模块:
该模块提供将保存在手机中的音乐、视频、图片的媒体文件,投放到机顶盒端,在机顶盒上进行展示的功能。
卡拉ok控制模块:
机顶盒上安装卡拉ok应用软件,手机端软件实现卡拉ok点歌台功能,与机顶盒端软件进行数据交互,控制机顶盒端卡拉ok应用,完成查找歌曲,点歌,切换歌曲等操作,实现手机端软件作为机顶盒上卡拉ok应用的控制台功能。
经过开发后,Android手机端应用可以控制机顶盒的一切操作,智能遥控功能、媒体共享功能、卡拉ok点歌功能,经过测试,这些功能都可以实现,在家庭普遍普及Android手机的情况下,利用家庭普及的wifi路由器,没有给用户增加额外的成本,也让操作机顶盒的体验更为有趣和实用。
关键词:
机顶盒;媒体共享;DLNA;UPNP
ABSTRACT
WiththecontinuousdevelopmentoftheInternetanddigitalset-topboxes,set-topboxfunctionupgradesconstantly.Withtheincreasinglyfiercemarketcompetition,theset-topboxmanufacturersmorepractical,innovativefunctionsfortheircustomers.Inthisthesis,asharedhomeentertainmentsystemhasbeendesignedandimplementedusingAndroidphonesandset-topboxesasterminals.UsersonAndroidphonesandset-topboxcanconductremotecontrol,mediasharing,voicecontrol,karaokeoksongandotherfunctions,whileset-topboxessupportsDLNAstandardizewhichoptimizestheset-topboxuserexperience,enhancesthecompetitivenessofproducts.
ThesystemiscomposedofAndroidmobileclientsoftwareandset-topboxclientsoftwareusingtheAndroidsystemasdevelopmentplatform,developingandutilizingofAndroidplatformfeaturesforlayeredandmodulardesign,thesystemfunctionalrequirementsandnon-functionalanalyzedemand.Accordingtothefunction,Theauthorindependentlycompletedthefollowingmodulesasfollowing:
Deviceinteractivemodule:
ThemoduleprovidestheAndroidmobileterminalsoftwaretosearchandconnecttheset-topboxdevice,andsenddatatowhichconnecteddevice.
Intelligentremotemodule:
usesusercommands,theremotecontrol,mouse,keyboardasinputdatatransmittedtotheSTBsideprocessing.OnlythemobileterminalsoftwarealreadyconnectedwithSTBterminal,thesystemcanachieveotherinteractivefunction.
MediaSharingModule:
parsesphonemediainformation,mediainformationandtransferdatatoset-topboxterminalondisplay.
Karaokemodule:
Mobiledevicesachievesongordering,switching,editingsonglistsandothercontrolcommandswhicharetothesettopboxside(Karaokeapplicationisinstalled)forresponds.
Afterdevelopment,Androidmobileclientapplicationcancontroltheset-topboxwithalloperationssuchasintelligentremotecontrol,mediasharing,Karaoksongsordering.Aftertesting,thosefunctionsarefeasibleandachievable.AspopularityofAndroidphones,withtheusageofWIFIrouters,thereisnoadditionalcosttousers,whilebringcustomersentertainmentalandconvenientexperience.
KEYWORDS:
STB;mediasharing;DLNA;UPNP
1引言
本论文设计并实现了家庭娱乐共享中的设备交互模块、智能遥控模块、媒体共享模块和卡拉ok控制模块。
本章主要介绍课题研究背景及意义,简述家庭娱乐共享系统的发展现状和发展趋势,最后总结论文结构框架。
1.1课题研究背景及意义
机顶盒的全称-数字机顶盒,英文缩写“STB”(Set-TopBox),顾名思义,是指电视机顶上的盒子,是扩展电视机功能的一种家电。
传统的数字机顶盒是一种将数字信号转换为模拟信号的变换设备,数字电视机顶盒能够接收MPEG-2数字电视传输流和各种数据信息,通过解调、解复用、解码和视音频编码,在模拟彩色电视机上观看数字电视节目和各种数据信息[1]。
随着数字电视和网络技术的发展,数字电视机顶盒的功能更加完善,尤其是安卓(Android)操作系统的飞速发展,让搭载了安卓(Android)操作系统的机顶盒也实现了智能化,Android机顶盒可以像平板电脑一样,让电视具有上网、玩游戏、使用智能软件等功能[2]。
当前Android智能机顶盒的功能日益增多,而控制机顶盒的设备还是传统的红外遥控器,起初对于收看数字电视的机顶盒来说,只有收看数字电视的功能,收看数字电视只需要简单的换台,切换状态,输入数字或简单的字符,使用红外遥控器完全可以胜任,但现在的Android智能机顶盒功能不仅是单一的收看数字电视功能,就拿用遥控器浏览网页来说,遥控器只有选择功能,若是网页上的控件或是标题很多,上下左右移动光标是一件非常繁琐的事情。
若是用遥控器输入一段文字,一般的流程是机顶盒界面上模拟出一个软键盘,使用遥控器在字母和字符之间进行选择、切换再输入,对于用户来说很不喜欢这种输入方式。
Android机顶盒普遍也留有USB接口,可以插入鼠标、键盘或是手写板等输入设备,这样虽然可以解决问题但操作比较繁琐而且会给用户带来额外的成本,现阶段大多数用户宁愿放弃Android机顶盒的一些智能化功能,只用来收看数字电视,这让功能强大的Android机顶盒无用武之地,造成一定的资源浪费,如何利用用户的现有资源来更人性化更好的体验Android智能机顶盒的多媒体功能,是迫切需要解决的问题。
随着Android系统的迅速发展,它已经成为全球范围内具有广泛影响力的操作系统[3]。
Android系统已经不仅仅是在手机上使用,它越来越广泛的用在了平板电脑、数码设备或者电视机顶盒上。
Android对于所有的开发商和爱好者都是开放的,不需要付费就可以获取相当丰富和强大的开发资源,节约了开发商的开发成本和开发时间,不过这对于开发者来说是一把双刃剑,开放意味着所有的开发商都处于相同地位,每个人都可以相对容易的获取开发资源,降低了开发的难度,Android数字机顶盒的进入门槛比较低,市场发展前景非常广阔,导致目前涉足Android开发的企业日益增加,竞争日益激烈。
格兰研究数据显示,截止到2014年9月,中国数字机顶盒用户近2.8亿户,全民数字机顶盒普及率近70%,全民数字化程度近60%,中国整体数字化显现成果[4]。
导致目前涉足Android开发的企业日益增加,竞争日益激烈,新产品层出不穷,功能不断推陈出新,谁能抓住市场的需求,开发出用户真正需要的产品,才会在这个市场中处于不被淘汰的地位。
2012年8月,据国外媒体报道,Android设备的普及速度超过历史上任何一种消费类技术。
与最近的技术相比,智能设备的普及速度是1980年代的PC的10倍,美国和中国是Android设备数量最多的两个国家[5]。
在我国,Android手机及其他Android智能终端已经非常普及,而使用这些智能设备的用户一般都配有家庭WIFI路由器。
如果能够开发出一套软件,安装在Android智能设备(比如手机、平板电脑)上,利用手机或平板电脑的触摸屏来模拟遥控器、触摸板、键盘、鼠标,来当作Android数字机顶盒的输入设备,利用家庭WIFI路由器的局域网传输命令,Android数字机顶盒上再开发出与之相匹配进行操作响应的软件,这样既不会给用户带来额外的成本,也不会让Android数字机顶盒添加任何的外围设备,让Android数字机顶盒在实用性上有质的飞跃。
另外,使用手机或者平板电脑给家人展示照片、影片、音乐,虽说现在的移动终端屏幕已经做得足够大,但还是不太方便,若是能将这些媒体文件共享到Android数字机顶盒上,用电视浏览的话,是一件很惬意的事情。
因此开发一套家庭娱乐共享系统,既可以提升机顶盒的产品竞争力,又具有十分重要的应用意义。
1.2家庭多媒体共享系统发展现状
随着家庭WIFI路由器的普及,局域网共享数据变得越来越普遍,相比大家使用手机或智能设备,大家更愿意坐在电视机前与他人欣赏影视、音乐等多媒体资料。
DLNA规范的出现,让这一切变得可以实现。
DLNA(DigitalLivingNetworkAlliance,即数字生活网络联盟),是一个由主导消费电子行业、计算机行业、移动设备行业的多家公司组成的跨产业组织[6]。
目标是通过有线或无线网络共享室内和户外的可以互联的消费电子、个人电脑及移动设备。
促进数字多媒体和服务的共享,使得数字媒体和内容服务的无限制的共享和增长成为可能,目前成员公司已达280多家[7]。
最初,DLNA推出的时候,支持的媒体格式有限,应用前景不被看好。
并且以前的很多设备,比如电视机还未实现智能化,不具备网络接入能力,需要额外配置PC服务端才能让电视支持DLNA功能。
但随着计算设备的发展,DLNA随着改进和扩展,支持的媒体格式逐渐丰富,更加完善。
伴随着移动终端运算能力的提高,网络接入能力普遍增强,为搭建DLNA提供了可能性。
而网络电视机顶盒、平板电脑、手机、智能电视等设备的热销,给局域网多媒体应用带来了爆炸式的增长,支持DLNA的设备如雨后春笋一般接连不断的出现。
目前,DLNA已经是现有家庭网络标准化组织中成员最多的一个。
其覆盖的设备类型也是丰富多样,从PC、播放机、机顶盒、游戏机、手机、平板,到投影机、电视、NAS等,DLNA几乎能将家庭应用环境中所有能上网的设备都连接起来[8]。
实际上,也只有覆盖足够多种类的设备,才能发挥出DLNA便于分享的优势和足够出色的适应性特点。
举个例子,以往我们想在电视上播放图像或者视频,大家通常的做法是将电视接上PC,才能实现收看内容的目的。
但若你采用的是支持DLNA技术的机顶盒,那么你不需要将它与播放机或者PC用视频线互联,可以用无线网络访问当前网络环境中所有DLNA设备中的多媒体内容并播放,这样的方式无论是便利性还是数据共享的广泛性都比老方法更加优秀。
1.3家庭多媒体共享系统发展趋势
今后,家庭多媒体共享的应用终端绝不仅仅是PC,只要能接入网络,无论是你的手机、播放机、机顶盒、游戏机、手机、平板,它们中的任何一个设备都可以是数据的提供者,也能是数据的接收、展示者。
它们能将自己存储空间中的数据分享给其他设备,也能从其他设备中获取自己想要的数据。
DLNA将众多家庭计算设备的存储空间整合到了一起,实际上从应用形式上看,DLNA更像是一种远程播放技术,因为它允许一台显示设备直接访问并播放网络中其他DLNA设备中的图像、声音或者视频资源。
DLNA协议目前支持的仅仅是局域网内的多媒体共享,在互联网飞速发展的今天,网络速度已不再是限制媒体文件传输的瓶颈,DLNA推出的时候只支持局域网内网传输而没有采用外网传输,有一定的原因是那时候的网络带宽不够大,还不能保证一些高清视频流的传输速度,今后,可能DLNA会支持外网传输,让远在千里之外的家人欣赏自己刚刚拍摄或录制的媒体文件,也是可以实现的。
在计算机技术飞速发展的今天,DLNA规范目前是家庭多媒体共享技术的一个应用较为广泛的标准,也有可能明天就会被其他的新技术所取代,比如蓝牙4.0技术的,目前在新的电子产品上已经普及,蓝牙4.0在传输速度上虽说与WIFI还存在着一定的差距,但在成本、功耗、匹配速度与易用性方面,相对于WIFI通信也有很大的优势,现在已经流行的智能手环与手机进行数据交互,用的就是蓝牙4.0技术。
今后,DLNA可能在协议上进行扩展,不仅限于局域网或者网络设备,也有可能被其他的共享技术所取代,但家庭媒体共享技术总会向着更广泛、更高效、更易用、更人性化方面发展。
1.4本论文的工作内容和组织结构
通过上述研究可见,家庭娱乐共享系统在我国具有广阔的市场,智能机顶盒在家庭娱乐共享系统中可以发挥重要作用。
本课题采用“Android手机+智能机顶盒”的方式为用户提供家庭娱乐共享系统的功能。
本人完成了Android手机端与智能机顶盒端的软件设计与实现,两端软件同样基于Android平台,采用Java上层与底层C语言实现的UPnP协议栈的方式,实现了设备交互、智能遥控、媒体共享、卡拉ok控制等功能。
本论文各章节主要内容如下:
第一章:
引言,介绍了本课题的项目背景和研究意义,分析相关领域的发展现状和趋势,最后介绍本人关于本课题的主要工作和本文的组织结构。
第二章:
家庭娱乐共享系统相关技术综述,对Android系统及与本课题相关的理论技术进行简要论述,确定本课题的开发方法。
第三章:
家庭娱乐共享系统需求分析,从产品特点和用户特征入手,对本课题的功能性需求和非功能性需求进行分析,确定系统基本功能。
第四章:
家庭娱乐共享系统概要设计,根据需求分析结果,从功能结构和架构的角度进行设计,对数据结构和界面原型进行设计。
第五章:
家庭娱乐共享系统详细设计与实现,依据概要设计,对系统各个功能模块进行详细设计。
第六章:
结论,总结全文工作,提出论文存在的不足之处,并且阐述项目未来的发展方向。
2家庭娱乐共享系统相关技术综述
本章主要介绍该课题开发及运行的环境,简述本课题交互数据使用的UPnP协议及相关技术,本课题的设计实现都是基于这些理论基础上,并且对其灵活掌握和使用。
1
2.1Android系统介绍
Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统,由AndyRubin于2003年创立的一个手机操作系统,2005年被Google收购。
Android系统一经推出,就给Symbian、WindowsMobile、BlackBerry带来了巨大的冲击,该系统刚一面世就有专家预测Android将会成为最主流的手机操作系统。
Android从诞生至今,已经发布到了5.0(Android5.0Lollipop)版本,正如人们所预见的那样,Android已经将曾经的智能手机系统霸主Symbian挤出了历史舞台,并且蚕食着WindowsMobile、BlackBerry寥寥无几的剩余市场[9]。
据著名互联网流量监测机构NetApplications发布的最新数据显示,从2013年9月到2014年7月,Android市场占有率一直处于稳步攀升状态,从最初的29.42%狂飙至44.62%,如图2-1所示,Android已经成为手机市场上份额最大的操作系统[10]。
图2-12014年7月各大移动平台分布情况
Figure2-1DistributionofmajormobileplatformsinJuly,2014
Android系统这些年的迅猛发展,市场份额逐年递增,这与该系统的平台优势是分不开的,Android平台优势主要体现为以下几点:
平台开放性
Android平台首先的优势就是开放性,Android是基于Linux开发的,Linux能够不断发展壮大一个重要的因素就是其开放性,开放的平台允许任何移动终端厂商甚至一些程序爱好者加入到Android联盟中来,开放性可以让其拥有更多的开发者,Android有着丰富的软件资源,而开发者使用这些是完全免费的,而对于消费者而言,最大的收益正是丰富的软件资源。
开放的平台也会带来激烈的竞争,如此一来,消费者可以从中获利,可以在丰富的市场产品中以更低的价格购买心仪的产品。
丰富的硬件选择
由于Android的开放性,众多的厂商会推出千奇百怪,功能各具特色的产品。
功能上的差异和特色,却不会影响数据的同步和软件的兼容,由于Android的应用程序是运行在操作系统之上的,与底层硬件设备没有关联,所以只要是Android系统,大部分都可以兼容运行。
开发便利性
Android平台提供给第三方开发商一个十分宽泛、自由的环境,不会受到任何约束,可想而知,会有多少新颖便利的软件诞生。
Android开发环境安装十分简便而且免费,SDK(SoftwareDevelopmentKit,软件开发工具包)中有相当丰富的开发资源可以使用。
例如,制作一个视频播放器或是打电话软件,只需要几十行代码,调用几个简单的API就可以完美的实现。
强大的Google技术后盾
Android系统的所有者是Google,Google作为世界上最大的互联网公司,研发实力是毋庸置疑的,每次Android新版本发布的时候,Google的研发团队都不遗余力的将最新的技术发布,另外,作为互联网搜索巨人的Google,已经将自己的产品通过搜索服务渗透到各个方面,Google服务如地图、Gmail等已成为连接用户和互联网的重要纽带,Android平台手机可以无缝结合这些优秀的Google服务。
成本优势
和其它智能操作系统不同的是,Android是一款基于Linux平台的开放操作系统,与Linux免费开源一样,是一款完全免费的智能手机平台。
而与WindowsMobile高达20多美元的单台授权费相比,采用Android系统的终端可以有效的降低产品成本,Android系统对第三方软件开发商也是完全开放和免费的,促使Android产品的价格优势。
2.1.1Android体系架构
Android经过这些年的发展和改进,已经形成了非常完善合理的系统架构。
如图2-2所示,是一张经典的Android体系架构图,总共分为四层,从应用层属于最上层的角度来说,由上至下依次为:
应用程序层、应用程序框架层
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