java软件开发毕业设计范文--校园语音通信软件设计的开发

摘要

　　随着通信技术的进步，利用网络进行语音通信已经日趋成熟和普及。网络的语音通信通信成本低廉，又具有较高的通信质量，在很多场景下，已经替代了传统的语音通信手段。目前，软件市场上的网络语音通信的软件种类繁多，不同的语音通信软件往往针对不同的应用场景设计，有的针对陌生人之间的通信场景，有的应用于熟人交际圈，有的基于学术讨论等。

　　本文深入分析了现有语音通信软件的特点，目标是设计一款基于Java的校园语音通信软件，为学校教师和职工提供适用、稳定的语音通信服务。并针对校园语音通信这一应用场景，专门为校园活动、管理而设计，具有如下特点：

　　（1）满足教职工日常办公语音通信的需要。

　　（2）针对校园大型师生活动时的高噪声环境，本文的语音通信软件有较强的抗噪声能力，满足组织人员之间语音通信的需要。

　　（3）针对校园语音信息发布、校园应急指挥的需求，能够结合学校广播系统，提供分区域语音信息发布，分区域喊话的功能。

　　本论文对本项目的研究背景与意义进行了详细分析，同时介绍了本软件所涉及到或直接适用的相关技术及理论，包括Java语言、Android平台、语音采集和输出技术、噪声与回音消除、编码方式、服务器技术等。绘制了用例图帮助分析软件需求，使用用例表描述了系统的需求。从系统架构、语音通信实现方案、编解码方案、降噪方案、数据库架构、UI等方面来逐渐形成系统的整体设计。并进一步细化设计，实现系统设计要求。之后，本文总结了项目完成后的优势和不足，针对不足之处提出了修改方法。同时，通过分析提出了本软件可改进和发展的方向。

　　关键词：Java,Android,XMPP、语音通信，噪声抑制

ABSTRACT

　　With the progress of technology, network voice communication technology has become more and more mature. The use of voice communication network with low communication cost, high communication quality, in many situations, has replaced the traditional voice communication means. At present, there are many kinds of network voice communication software in the software market. Different voice communication software is often designed for different application scenarios, some for communication scenarios between strangers, some for acquaintance communication circles, some based on academic discussions.

　　Through the deeply analyses the characteristics of the existing voice communication software, designing a Java-based campus voice communication software to provide free and stable voice communication services for campus users. In view of the application scenario of campus voice communication, it is specially designed for campus activities and management. It has the following characteristics:

　　（1） Satisfy the needs of office voice communication for teachers.

　　（2） In view of the high noise environment of campus teachers, the voice communication software has strong anti-noise ability, which meets the needs of voice communication among the organizers.

　　（3） To meet the needs of campus voice information publishing and emergency command, it can provide the function of voice information publishing and shouting in different regions in combination with the school broadcasting system.

　　The research background and significance of this project are analyzed in this paper.And the related technologies and theories related to or directly applicable to this software are introduced. Including Java language, Android platform, voice acquisition and output technology, noise and echo cancellation, coding method, server technology, etc.Use case diagrams are drawn to help analyze software requirements, and use case tables are used to describe the requirements of the system. From the system architecture, voice communication implementation scheme, coding and decoding scheme, noise reduction scheme, database architecture, UI and other aspects to gradually form the overall design of the system. After that, summarizes the advantages and disadvantages of the project after completion, and proposes modification methods for the shortcomings. At the same time, the direction of improvement and development of this software is put forward through analysis.

　　Keywords: Java,Android,XMPP, voice communication,noise reduction

　　目 录

　　第一章 绪 论

　　本章主要介绍了本课题研究背景，介绍了国内外研究现状，分析了基于 Java 的校园语音通信软件的研究价值、研究意义和需要解决的问题。最后介绍了本文 的整体组织结构。

　　1.1 课题的研究背景与意义

　　随着通信技术的不断进步， 5G 时代即将来临，4G 等移动通信技术已经十分 成熟，无线移动通信的传输速率和传输质量都有了很大的提高，音频、视频等多 媒体数据的通讯一变得容易实现。高速率和高质量的通信改变了移动互联网的应 用场景和使用体验。 Apple 公司的 IOS 和 Google 公司的 Android 操作系统不断推出新版本，性能 和功能不断提高和完备。另一方面，以智能手机为代表的智能终端的硬件技术也 不断进步，性能不断提升，已经可以充分处理音频、视频等复杂的多媒体数据。 智能手机已经成为人们日常生活中的必需品，成为人们连接互联网，享受各种服 务的主要途径。

　　即时通讯这种通讯手段也随着终端和高速网络的普及，与人们的生活的关系 已经越来越密切。近年来即时通讯软件蓬勃发展，QQ、微信等移动即时通讯软件 日益普及，功能也越来越完备。即时通讯软件的通讯手段，已经从最基础的文本 通信，发展到现在可以发送图片、音频、视频等多媒体信息。特别在语音通信方 面，利用高速网络、智能终端和即时通讯软件实现的的即时语音通信以其低廉的 通信成本，较高的通信质量，在很多场景下，已经逐渐代替了传统语音通信手段。

　　虽然目前市面上的语音即时通信的软件种类繁多，且不同的语音通信软件往 往针对不同的应用场景设计，有的针对陌生人之间的通信场景，有的应用于熟人 交际圈，有的基于学术讨论等。

　　本文所设计的基于 Java 的校园语音通信软件，设计目的是为了满足校园这一 特殊使用环境的需求。针对校园中的办公、管理等应用场景而设计。能够满足教 职工日常办公语音通信的需要，能够应对校园大型师生活动时的高噪声环境，能 够实现校园语音广播发布、校园应急指挥的需求。

　　1.2 国内外研究现状

　　在即时通讯范畴内，国内和国外都有成熟的软件，这些即时通讯软件几乎都能够支持即时语音通信。在国内有，腾讯公司的微信、QQ,陌陌科技公司的陌陌， 小米公司的米聊等。在国外有 Gtalk、Skype、Kakao Talk 等。这些即时通讯软件既 非常成功，也支持即时语音通信功能。 QQ:QQ 是腾讯公司开发的一款基于互联网得即时通信软件，覆盖 Windows、 OS X、Android、iOS、Windows Phone 等多种主流平台，其标志是一只戴着红色围 巾的小企鹅。腾讯 QQ 支持文本聊天、语音聊天、视频聊天、群聊、文件传输、 群文件、网络硬盘、QQ 空间、邮箱等多种功能。 微信：微信是腾讯公司开发的多功能信息、社交媒体和移动支付应用程序。 它于 2011 年首次发布，到 2018 年，它已成为全球最大的独立移动应用程序之一， 每月活跃用户超过 10 亿（每天活跃用户 9.02 亿）。

　　微信被福布斯称为世界上最强 大的应用程序之一，也被称为中国的"一切应用程序"和"超级应用程序"使用 其广泛的功能和平台除了中国，它还是丹最受欢迎的消息应用程序 陌陌：陌陌是一款免费的社交搜索和即时通讯移动应用程序。该应用允许用 户与附近的朋友和陌生人聊天。MOMO 通过 WiFi、3G 和 4G 为用户提供免费的即 时通讯服务。客户端软件可用于 Android、iOS、和 Windows Phone.它可以根据手 机定位，通过视频、文字、语音等向附近的人展示自己，或开放附近直播。 米聊：米聊是小米科技推出出品的一款即时通信移动应用，主要应用于熟人 即时通讯。它支持主流手机操作系统，可以与联系人进行实时语音通信、文本通 信或收发图片。

　　Gtalk:Gtalk 是 Google 公司推出的即时聊天工具，它基于 Jingle 协议开发， 能够实现点对点的语音通信。同时，Gtalk 集成了 Gmail 功能，可以与 Gmail 上的 好友进行通信。 Skype:Skype 是一款即时通讯软件，它在提供 PC、电话和移动设备之间提供 语音、视频通讯服务。同时，Skype 也提供即时通信服务，可以传输文本、视频、 音频和图像，或进行视频电话会议。 Kakao Talk:kakao talk 是一款免费的移动即时通讯应用程序，适用于具有免 费文本和免费通话功能的智能手机，由 kakao 公司运营。它于 2010 年 3 月 18 日发 布，目前在 iOS、Android、Bada OS、BlackBerry、Windows Phone、Nokia Asha、 Windows 和 MacOS 上提供。截至 2017 年 5 月，Kakao talk 拥有 2.2 亿注册用户和 4900 万每月活跃用户。它有 15 种语言可供使用。在韩国，93%的智能手机用户也 使用该应用程序，在那里它是头号信息应用程序。

　　除了软件市场中的即时语音通讯软件，一些学者设计和实现了针对特定场景 的即时语音通讯软件：赖建评的学者为了高校管理中小学在校学生、家长、教师信息，实现家校互通管理，设计了一个基于 Android 的家校通系统。此系统客户端 采用了 C/S 架构，在 Android 平台上使用 Java 进行开发，使用了基于 XMPP 协议 的融云平台实现了基于 XMPP 协议的语音通信[1].郭倩利用 Openfire 作为 XMPP 服务器，并对对 XMPP 协议进行了认真的分析。同时，为了实现实时语音通信， 使用了 RTP/RTCP 协议进行传输并保证传输质量[2]. 孟贺实现了使用 XMPP 协议 在局域网内的即时通信软件[3]. 在实现技术的研究方面，XMPP 协议已成为即时通讯软件最常用的通信协议。 基于 XMPP 协议的通信技术已经日趋成熟和稳定[4],并在实现基本的文本即时通 讯的基础上，通过 XML 的强扩展能力，已经能够较好的解决图片、语音信息在 XMPP 协议框架下的通信问题。

　　1.3 要解决的问题

　　本课题所要解决的问题包括四个部分：

　　1、网络连接和服务器端的搭建。

　　2、语音编码和降噪。

　　3、联系人的管理。

　　4、与原有校园广播系统的连接。

　　1.4 本文的主要工作

　　论文主要工作是在分析了校园语音通信这一场景下需求的基础上，采用 C/S （客户端/服务器）的软件架构，搭建即时通讯服务器，基于面对对象的 Java 编程 语言，在 Android 操作系统上设计实现一个校园语音通信软件系统。 从功能需求和非功能需求两个方面，对软件系统进行需求分析。在功能需求 分析中，以教职工日常办公、校园活动组织者、广播播报者三类用户作为分析对 象，绘制了用例图，进行了用例描述。在非功能需求分析中，从语音质量、运行 环境等方面进行了分析。 根据需求分析，对软件系统的主要模块进行了设计。进行了系统架构设计、 及系统功能设计、语音通信方案设计、编解码、降噪方案设计、数据库设计、界 面设计，完成了对软件所使用的技术实现方案的设计。

　　在系统的整体架构设计上，根据软件的需求可知，P2P 通信方式难以满足软件 通信的需要，选择采用一般通讯系统常用的 C/S 架构。 在服务器方面，选择 XMPP 协议作为软件的主要通信协议。

　　在 Windows Server 操作系统上安装和配置了开源的 Openfire 服务器，作为 XMPP 协议服务器。为了方面数据操作，安装和配置了 MySQL 数据库，并将数据库与 Openfire 服务器成功 连接。使用 Java 语言在 Android 平台上开发客户端软件。在开发中，使用 Android Studio 和 Android SDK 作为基本的集成开发环境，使用 smack 库作为客户端的 XMPP 实现库。通过 Smack 库完成了用户登录、一对一文本通信、群组文本通信 等即时通讯的基本功能。客户端设计可以有不同的登录形态，可以安装于嵌入式 安卓平台，使得使得本软件系统能够方便的连接校园广播，实现语音广播与播放 控制。在编解码、降噪方面，首先研究了常用的语音降噪和编码方法，选择使用较 为有效的 CELP 算法进行编码，STSA-MMSE 算法进行降噪、语音增强。选择了 Speex 库作为语音降噪和编码的实现库，实现了对语音的录制、降噪、编码和解码。 克服了 XMPP 协议不直接支持语音通信的困难，使用数据封装的办法，将语 音文件封装为 XMPP 协议支持的 XML 数据。实现了 Openfire 服务器、XMPP 协 议框架下的语音通信。

　　1.5 各章节安排

　　本文共分为六章，每个章节的主要内容如下：

　　第一章为绪论。对课题研究的背景及意义进行介绍，引出本文主题，分析了 国内外相关研究的现状和设计基于 Java 的校园语音通信软件所要解决的问题，简 述了本文的主要工作，描述了论文的篇章结构。 第二章为本软件相关技术简介。简要介绍了与本系统相关的 Android 系统、 Android 软件架构、即时通讯模式和协议、语音即时通讯音频处理技术等。 第三章为基于 Java 的校园语音通信软件的需求分析。从功能需求和非功能需 求两个方面进行需求分析。以教职工日常办公、校园活动组织者、广播播报者三 类用户为分析对象进行功能需求分析。从语音质量的需求、运行环境的需求和其 他非功能需求三个方面分析了熊的非功能需求。经过分析，得出用例图等分析结 果，为基于 Java 的校园语音通信软件的系统的设计做好准备。 第四章为基于 Java 的校园语音通信软件系统的设计。根据第三章的需求分析， 首先进行了系统的架构设计，以 XMPP 为主要通信协议，Openfire 为服务器。根 据系统用例分析结果，形成了系统功能设计。接着根据 XMPP 协议的数据结构和 软系统对语音通信质量的需求，形成了语音通信方案，并选择用 AudioRecord 实现 录音，用 Speex 实现降噪和编解码。然后，根据软件系统所需的数据结构，分别 设计登录服务器端和客户端的数据库结构。最后，根据功能设计并参考了主流即时通信软件的界面，进行了软件主要界面的设计。 第五章为软件系统的实现与测试，详细描述了开发环境准备、服务器部署、 登录模块、文本通信、录音、编码、降噪、校园广播连接等模块的实现方法，并 进行了软件系统的测试。 第六章为总结，总结本人在课题中所作的工作和软件达到的效果，分析目前 研究尚存在的不足之处和对课题未来发展的期望。

　　校园语音通信软件设计的开发历程：

　　第二章 软件相关技术简介
　　2.1 Java 语言
　　2.1.1 Java 语言概述
　　2.1.2 Java 的移植性
　　2.1.3 Java 与 Android 系统
　　2.2 Android 系统概述
　　2.2.1 Android 系统简介
　　2.2.2 Android 系统架构

　　2.3 即时通信的通讯模式
　　2.3.1 C/S
　　2.3.2 P2P
　　2.3.3 B/S

　　2.4 即时通信的传输协议
　　2.4.1 IMPP 协议
　　2.4.2 SIMPLE 协议
　　2.4.3 XMPP 协议

　　2.5 语音即时通信的音频处理技术
　　2.5.1 常用语音编码简介
　　2.5.2 语音处理简介
　　2.6 语音处理算法简介
　　2.7 本章小结

　　第三章 基于 JAVA 的校园语音通信软件的需求分析
　　3.1 系统概述
　　3.2 教职工日常办公中的需求
　　3.2.1 功能描述
　　3.2.2 用例图
　　3.2.3 用例描述

　　3.3 校园活动组织者的需求
　　3.3.1 功能描述
　　3.3.2 用例图
　　3.3.3 用例描述

　　3.4 广播播报者的需求
　　3.4.1 功能描述
　　3.4.2 用例图
　　3.4.3 用例描述

　　3.5 系统总体用例图
　　3.6 非功能需求
　　3.6.1 对语音通信质量的需求
　　3.6.2 运行环境需求
　　3.6.3 其他非功能需求
　　3.7 本章小结

　　第四章 基于 JAVA 的校园语音通信软件系统的设计
　　4.1 系统架构
　　4.2 系统功能设计
　　4.3 语音通信方案设计
　　4.3.1 录音方案设计
　　4.3.2 编解码、降噪方案设计

　　4.4 数据库设计
　　4.4.1 服务器端的数据库设计
　　4.4.2 客户端的数据库设计
　　4.5 软件主要界面设计
　　4.6本章小结

　　第五章 基于 JAVA 的校园语音通信软件系统的实现与测试
　　5.1 系统开发准备
　　5.1.1 软件开发环境的准备
　　5.1.2 服务器的部署与测试

　　5.2 登录模块的实现
　　5.2.1 登录界面的创建
　　5.2.2 登录功能的实现
　　5.3 文本通信的实现
　　5.3.1 显示通信窗口
　　5.3.2 文本消息的发送

　　5.4 录音、编码与降噪的实现
　　5.4.1 录音
　　5.4.2 降噪与编码
　　5.5 语音通信的实现
　　5.5.1 文件格式的转换
　　5.5.2 语音文件的发送

　　5.6 与校园广播连接的实现
　　5.7 软件系统的测试
　　5.7.1 功能测试
　　5.7.2 非功能测试
　　5.8 本章小结

第六章全文总结

　　本章主要对课题的研究意义、软件系统的设计和实现方法以及本文所完成的工作做了总结。总结了课题的优势和不足之处，针对不足之处提出了修改方法。分析了本软件可改进和发展的方向，得出了后续研究的主要方向。

　　6.1全文总结

　　本论文主要介绍了基于Java的校园语音通信软件的设计。本校园语音通信软件实用C/S的软件结构。采用XMPP协议作为基本的即时通讯协议，语音通信实用数据打包转换的方法完成。服务器端采用在WindowServer操作系统上的开源Openfire服务器，数据库实用MySQL.客户端基于Android操作系统开发，实用smack作为XMPP协议的实现库。为了适应噪声环境下的语音通信实用Speex对录制的语音进行噪声抑制等语音增强处理。软件系统可以安装于嵌入式Android平台，从而能够方便的连接校园广播系统，实现用客户端进行校园语音广播。总体上，论文完成了以下工作：

　　1、阐述了即时语音通讯的常用协议、语音处理的相关技术。

　　2、分析了基于Java的校园语音通信软件的功能需求和非功能需求。

　　3、使用C/S模型建立软件系统的架构。选择XMPP协议、开源Openfire服务器与MySQL数据库构成服务器端。客户端则基于Android平台。

　　4、完成Openfire服务器的搭建和配置，并成功连接了MySQL数据库。

　　5、设计和实现了Android客户端的界面和功能。在客户端上完成了用户登录、通讯录、个人管理、一对一语音/文本通信，群组语音/文本通信、单独广播、群组广播等功能模块。

　　6、针对校园语音环境的特点，设计和实现了语音通信方案。其中包括语音的降噪、编解码和在XMPP协议框架下封装语音。

　　7、完成客户端在嵌入式Android设备上的安装与配置，实现与校园广播的连接。

　　本文设计并实现了基于Java的校园语音通信软件的主要功能需求，但由于个人能力有限，本软件距离成熟稳定的软件系统还有一定的差距。目前，本软件存在的不足之处，主要包括如下几个方面：

　　1、软件的用户界面不够人性化和个性化。目前软件的界面只是借鉴和模仿常见即时通信软件，没有根据软件自身的功能进行人性化和个性化设计。
　　2、软件完成了即时语音通信和文本通信，而没有实现实时语音通信。在某些情况下，类似实时语音通信可以更加便捷的进行沟通。

　　3、功能不够丰富，集成度不够。只能完成以语音通信为主的通信功能和校园广播，不能继承校园中需要的其他办公功能。

　　4、针对用户群体比较单一。目前，本软件只适用于教职工使用，而校园的另一大群体--学生则不适用。

　　6.2后续工作展望

　　作为一款针对校园场景的即时通信软件，该软件在功能和设计上可以向以下几个方向扩展

　　1、在交互和界面设计上进一步借鉴软件市场上优秀的应用，还可以借助设计方面的专业人员的帮助，进一步改进交互和界面设计，让软件的使用更加便捷，界面更有校园特色。

　　2、本软件涉及到用户的隐私和学校信息，软件系统应当对这些数据给予有效的保护。如对传输的数据进行有效的加密处理，对软件系统的维护工作进行有效的权限管理和监控。在保护数据的同时，也应当在合法合规的基础上利用数据，辅助学校的管理工作和科研工作。

　　3、在功能方面，与其他办公辅助系统连接或继承更多的校园办公功能，如通知发布功能、教务管理、学生请假管理等功能。成为集成化程度更高，使用更为方便的办公平台。

　　4、4G移动通信技术已经成熟，5G移动通信的时代已经来临。随着移动互联网的进一步普及，移动互联网的通信速率和质量的不段提高，即时通信软件也会随着技术的进步不断发展。这些发展的方向将十分多元化，其创新程度将难以在当下想象。如果本文的校园语音通信软件能成为开放平台，则可以集众多开发者的力量，完成更快速丰富的创新。

致 谢

　　在完成论文的期间，很感谢导师们对我的淳淳教诲。本文的研究工作是在老师 的悉心指导下完成的从论文的选题、研究计划的制定、技术路线的选择到系统的 开发研制各个方面都离不开老师热情耐心的帮助和教导。老师认真的工作态度诚 信宽厚的为人处世态度都给我留下了难以磨灭的印象，也为我今后的工作树立了 优秀的榜样。导师不仅为我指点理论知识，还教会了我们勤奋学习诚实做人踏 实做事以宽容之心面对生活。指引着我们沿着正确方向前进。在点滴汇聚中使我 逐渐形成正确、成熟的人生观、价值观。衷心感谢我的导师给予我的巨大帮助。

　　同时感谢我的家人对我学业的支持和帮助，他们是我永远的支持者，正是在 你们殷切目光的注视下我才一步步的完成了求学生涯。没有你们就不会有今天的 我。感谢你们让我拥有一个如此温馨的家庭，让我所做的一切都可以在你们这里 得到理解与支持得到谅解和分担。你们的支持和鼓励是我前进的动力。

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