鄭貴林，桂初晴

(武漢大學(xué)　動力與機(jī)械學(xué)院，湖北　武漢　430072)

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“互聯(lián)網(wǎng)+”iOS智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄭貴林，桂初晴

(武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，湖北武漢430072)

摘要:智能家居是未來家居發(fā)展的方向，是“互聯(lián)網(wǎng)+”的新興應(yīng)用領(lǐng)域之一。設(shè)計了一種基于iOS平臺的智能家居系統(tǒng)，采用iOS移動設(shè)備作為智能家居控制終端，以智能負(fù)荷控制器作為智能家居控制網(wǎng)關(guān)，以.NET平臺建立主站管理軟件，減少了用戶構(gòu)建智能家居系統(tǒng)所需的成本。系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于住宅小區(qū)，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實時性好，結(jié)合分時、分區(qū)、分類的控制實現(xiàn)了對家居用電的智能化在線管控，增強(qiáng)了人們的節(jié)能意識，降低了家居能源的消耗。

關(guān)鍵詞:智能家居； 互聯(lián)網(wǎng)“+”；智能負(fù)荷控制器；iOS

1智能家居系統(tǒng)

隨著計算機(jī)和因特網(wǎng)的發(fā)展，智能家居得到發(fā)展并成為物聯(lián)網(wǎng)的新興應(yīng)用領(lǐng)域之一。而且科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展也讓智能家居由概念慢慢變成現(xiàn)實[1-2]。但是目前的智能家居系統(tǒng)主要用在一些高檔社區(qū)并沒有進(jìn)入普通家庭。而制約智能家居系統(tǒng)推廣的主要因素是現(xiàn)有系統(tǒng)的構(gòu)建成本高，系統(tǒng)復(fù)雜度大。當(dāng)前，智能家居領(lǐng)域迫切需求建立一個成本低、穩(wěn)定性好且方便易用的智能家居解決方案。本文提出了一種基于iOS智能手機(jī)的智能家居實時管控系統(tǒng)，以iOS手機(jī)作為智能家居控制終端，以智能負(fù)荷控制器作為智能家居控制網(wǎng)關(guān)，以.NET平臺建立主站管理軟件，能最大限度地降低用戶構(gòu)建智能家居使用成本。只要用戶的智能手機(jī)能夠接入網(wǎng)絡(luò)便可以隨時隨地查看家庭的實時狀態(tài)并進(jìn)行操控管理，實現(xiàn)了對家居用電的隨時隨地在線管控，減少了家居能源的消耗。

其中，NET服務(wù)器運(yùn)行的是核心的后臺管理程序，負(fù)責(zé)處理iOS客戶端和智能負(fù)荷控制器發(fā)送過來的連接請求以及信息和控制命令。智能負(fù)荷控制器是基于交流過零點(diǎn)技術(shù)的專利產(chǎn)品，具有無電弧、長壽命、低功耗等特點(diǎn)，是集測量、保護(hù)、控制、通信為一體的多通道智能負(fù)荷控制器，能夠?qū)τ秒娫O(shè)備和用電過程進(jìn)行在線動態(tài)同步檢測與管理，其通信方式有WiFi、ZigBee、RS-485，在本系統(tǒng)中使用WiFi方式進(jìn)行通信[3]。用戶通過iOS客戶端軟件連接上網(wǎng)絡(luò)之后通過SOAP向.NET服務(wù)器發(fā)送用戶認(rèn)證信息，獲得許可后，可以查詢到智能負(fù)荷控制器收集到的電器信息，在判斷和智能負(fù)荷控制器是否處與同一局域網(wǎng)環(huán)境后可以通過.NET服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)或者直接發(fā)出控制命令。

本文研究的基于iOS的智能家居系統(tǒng)主要由.NET服務(wù)器，智能負(fù)荷控制器，iOS客戶端3部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2軟件設(shè)計

2.1NET服務(wù)器軟件

NET服務(wù)器管理軟件采用微軟的ASP.NET 4.0和WPF 4.0作為底層開發(fā)框架，充分利用了Framework 4.0提供的各種特性(如WCF，WF，WPF等)保證了整個構(gòu)架的穩(wěn)定性，同時也保證了系統(tǒng)構(gòu)架未來的可擴(kuò)展性。

NET服務(wù)器管理軟件主要由數(shù)據(jù)采集通信軟件和終端接口軟件構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集通信軟件通過Socket建立TCP Server監(jiān)聽來自智能負(fù)荷控制器接入的TCP Client客戶端并進(jìn)行通信與控制。而終端接口軟件則通過提供Web Service接口讓iOS客戶端軟件調(diào)用相應(yīng)的Web Service接口實現(xiàn)對智能負(fù)荷控制器的控制與信息獲取等功能。服務(wù)器管理軟件的工作流程圖如圖2所示。

圖2　服務(wù)器管理軟件工作流程圖

2.2智能負(fù)荷控制器軟件

智能負(fù)荷控制器的微控制器采用的是瑞薩的78/FC2系列工業(yè)級單片機(jī)，型號為uPD78F0881，軟件實現(xiàn)的主要功能包括：控制、通信、測量保護(hù)三個部分。

智能負(fù)荷控制器軟件的工作流程如圖3所示。

圖3　智能負(fù)荷控制器程序流程圖

2.3iOS客戶端軟件

iOS客戶端軟件開發(fā)使用Objective-C語言在Xcode開發(fā)平臺下開發(fā)[4]。iOS客戶端軟件允許用戶查看、控制和進(jìn)行個性化設(shè)置等多項任務(wù)。iOS客戶端軟件設(shè)計主要包括如下4個部分：1)客戶端與.NET服務(wù)器之間基于SOAP協(xié)議的通信；2)客戶端與智能負(fù)荷控制器之間基于Socket的通信；3)電器設(shè)備的配置；4)界面交互的設(shè)計?？蛻舳塑浖闹饕ぷ髁鞒虨椋嚎蛻舳塑浖雍?，輸入用戶名密碼通過SOAP協(xié)議和服務(wù)器通信進(jìn)行身份驗證，驗證成功后可以查看當(dāng)前管理的家居電器設(shè)備信息，并可以對電器進(jìn)行控制，或者進(jìn)入場景模式。具體的程序流程圖如圖4所示。

圖4　iOS客戶端軟件流程圖

2.3.1通信部分程序設(shè)計

iOS客戶端軟件通過SOAP協(xié)議調(diào)用Web Service接口與.NET服務(wù)器來進(jìn)行通信交換數(shù)據(jù)，當(dāng)iOS客戶端軟件要直接控制智能負(fù)荷控制器則使用Socket發(fā)送命令直接控制智能負(fù)荷控制器。

SOAP協(xié)議是一種輕量的、簡單的、基于XML的協(xié)議，采用HTTP作為底層通信協(xié)議，RPC作為一致性的調(diào)用途徑，XML作為數(shù)據(jù)傳送格式[5-6]。因為基于HTTP所以使用SOAP協(xié)議進(jìn)行通信可以穿越防火墻從而使iOS客戶端軟件與服務(wù)器之間的通信更加穩(wěn)定快速。客戶端和服務(wù)器交換數(shù)據(jù)需要根據(jù).NET服務(wù)器提供的Web Service接口把接口參數(shù)按照XML進(jìn)行格式化處理之后用HTTP協(xié)議向.NET服務(wù)器發(fā)出請求，并等待回應(yīng)。

iOS客戶端軟件和智能負(fù)荷控制器之間的通信是通過對嵌入式系統(tǒng)支持度較好的的Socket協(xié)議實現(xiàn)。iOS客戶端軟件與智能負(fù)荷控制器之間的Socket通信分為TCP和UDP兩種方式。當(dāng)客戶端需要搜索局域網(wǎng)環(huán)境下的智能負(fù)荷控制器是否在線時或者對智能負(fù)荷控制器進(jìn)行參數(shù)配置時使用UDP廣播模式發(fā)出命令并等待智能負(fù)荷控制器的反饋并解析數(shù)據(jù)，當(dāng)客戶端需要對搜索到的局域網(wǎng)內(nèi)的智能負(fù)荷控制器進(jìn)行控制時則使用TCP Client模式連接并發(fā)送控制命令。

iOS客戶端軟件通信的具體流程為：當(dāng)用戶需要查詢個人賬戶信息，身份驗證，查詢電器歷史數(shù)據(jù)時，客戶端選擇與.NET服務(wù)器通信并交換數(shù)據(jù)；當(dāng)用戶需要對查詢電器設(shè)備的實時信息和對電器設(shè)備進(jìn)行控制時，客戶端先通過UDP Socket掃描控制的設(shè)備是否在局域網(wǎng)內(nèi)，如果在局域網(wǎng)內(nèi)則通過TCP Socket直接連接設(shè)備進(jìn)行控制，如果設(shè)備不在局域網(wǎng)內(nèi)，則通過與.NET服務(wù)器通信，由.NET服務(wù)器去連接智能負(fù)荷控制器進(jìn)行查詢和控制，并把信息反饋回iOS客戶端[7]。

2.3.2界面設(shè)計

考慮到移動設(shè)備的屏幕尺寸有限，設(shè)計智能家居iOS客戶端軟件時需要考慮到易用性和用戶的使用習(xí)慣，保持界面風(fēng)格簡單、突出，使沒有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的用戶也可以很快熟悉界面和客戶端的運(yùn)作。用戶部分界面如圖5所示。

圖5　iOS客戶端界面圖(截圖)

2.3.3性能測試

本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)完成以后，通過實驗對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試。采用1個智能負(fù)荷控制器，5個照明燈管，和iOS系統(tǒng)的智能手機(jī)，分別在局域網(wǎng)和3G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下測試1 000次控制操作。測試結(jié)果如表1、表2所示，從實驗結(jié)果看，控制的失敗率不高于5‰，局域網(wǎng)內(nèi)控制的延時平均值不超過200 ms，3G網(wǎng)絡(luò)下控制的延時平均值不超過1 s，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且延時低。達(dá)到了對家居用電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控的預(yù)期目標(biāo)。

表2　系統(tǒng)性能3G網(wǎng)測試表

3系統(tǒng)應(yīng)用

本智能家居系統(tǒng)已成功應(yīng)用于武漢大學(xué)新建的教工小區(qū)，成功實現(xiàn)了對各種家居用電設(shè)備的“無明開關(guān)”控制。本智能家居系統(tǒng)采用分布式布線方法進(jìn)行電氣布線設(shè)計與規(guī)劃，并且采用改進(jìn)的迪杰斯特拉最短路徑算法對布線路徑進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約了50%的電纜敷設(shè)[8]。系統(tǒng)自2015年2月順利實施以來運(yùn)行情況良好，iOS客戶端軟件的設(shè)計與應(yīng)用使用戶擺脫了傳統(tǒng)智能開關(guān)的局限，使得用戶無論身處何地只要智能手機(jī)連接上網(wǎng)絡(luò)便能隨時實現(xiàn)對家庭用電系統(tǒng)的管控，通過歷史用電情況和家居能耗的消費(fèi)情況增強(qiáng)了人們的節(jié)能意識。

4結(jié)束語

本文設(shè)計的基于iOS的智能家居系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)對家居用電的監(jiān)測和控制。系統(tǒng)實現(xiàn)了交流過零點(diǎn)投入和分?jǐn)嗉夹g(shù)，有效地提升了家用電器的使用壽命和安全性。智能負(fù)荷控制器與.NET服務(wù)器之間的連通使得用戶能夠隨時隨地使用iOS客戶端軟件查看當(dāng)前家庭用電的情況并實現(xiàn)實時控制，實現(xiàn)了對家居用電情況和信息資訊的透明化掌控，提升了人們的節(jié)能意識，降低了家居能源的消耗。

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責(zé)任編輯：時雯

控制：控制機(jī)械開關(guān)在指定的時刻合閘與分閘，實現(xiàn)機(jī)械開關(guān)主觸頭的電壓過零合閘和電流過零電弧分閘。

通信：智能負(fù)荷控制器通過WiFi接入網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備之間收發(fā)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析，實現(xiàn)各功能模塊之間的通信，以及與服務(wù)器和控制設(shè)備之間的通信，實現(xiàn)遙測、遙控等功能。

測量保護(hù)：對負(fù)載線路電壓、電流、相位夾角等進(jìn)行高速采樣，并計算功率因數(shù)、有功功率，同時檢測電壓電流狀態(tài)，能判別并識別故障電壓電流。識別到故障電壓電流后，能進(jìn)行速斷保護(hù)。實現(xiàn)反時限保護(hù)，過載保護(hù)，欠壓過壓保護(hù)等。

Design and implementation of smart home system based on iOS under Internet plus background

ZHENG Guilin，GUI Chuqing

(SchoolofPowerandMechanicalEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China)

Abstract:Smart Home is one of the emerging application areas of “Internet+” and the developing direction of future home. In this paper，a smart home system based on iOS platform，which is designed to reduce the cost for building it，has been successfully applied in residence community. In the system，iOS mobile devices are used as smart home control terminal， Smart Remote Load Controller(SRLC)is adopted as the home control gateway and the master management software are built based on .NET platform. From the results of running，the system is stable and has a great real-time. Combining with time-sharing，partition and classification，the system not only realizes intelligent on-line control of household electricity，but also raises people’s awareness of energy conservation and reduces the household energy consumption.

Key words:smart home； Internet of thing+； smart remote load controller (SRLC)； iOS

中圖分類號：T919.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.007

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目( 61272114)；國家海洋局“海洋可再生能源專項”項目( GHME2013JS01)

作者簡介：

鄭貴林(1963— )，教授，博士，博士生導(dǎo)師，IEEE武漢分會主席，IEEE高級會員，主要從事智慧建筑、智能電網(wǎng)、海洋波浪能發(fā)電技術(shù)和傳感器技術(shù)等方向研究；

桂初晴(1991— )，碩士研究生，主要從事智慧建筑方向研究，本文通信作者。

收稿日期：2015-11-03

文獻(xiàn)引用格式：鄭貴林，桂初晴.“互聯(lián)網(wǎng)+”iOS智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2016，40(5)：26-29.

ZHENG G L，GUI C Q. Design and implementation of smart home system based on iOS under Internet plus background [J].Video engineering，2016，40(5)：26-29.