“互聯網+”iOS智能家居系統設計與實現

鄭貴林，桂初晴

(武漢大學　動力與機械學院，湖北　武漢　430072)

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“互聯網+”iOS智能家居系統設計與實現

鄭貴林，桂初晴

(武漢大學動力與機械學院，湖北武漢430072)

摘要:智能家居是未來家居發展的方向，是“互聯網+”的新興應用領域之一。設計了一種基于iOS平臺的智能家居系統，采用iOS移動設備作為智能家居控制終端，以智能負荷控制器作為智能家居控制網關，以.NET平臺建立主站管理軟件，減少了用戶構建智能家居系統所需的成本。系統已經成功應用于住宅小區，結果表明，系統運行穩定，實時性好，結合分時、分區、分類的控制實現了對家居用電的智能化在線管控，增強了人們的節能意識，降低了家居能源的消耗。

關鍵詞:智能家居； 互聯網“+”；智能負荷控制器；iOS

1智能家居系統

隨著計算機和因特網的發展，智能家居得到發展并成為物聯網的新興應用領域之一。而且科學和技術的發展也讓智能家居由概念慢慢變成現實[1-2]。但是目前的智能家居系統主要用在一些高檔社區并沒有進入普通家庭。而制約智能家居系統推廣的主要因素是現有系統的構建成本高，系統復雜度大。當前，智能家居領域迫切需求建立一個成本低、穩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智能手機的智能家居實時管控系統，以iOS手機作為智能家居控制終端，以智能負荷控制器作為智能家居控制網關，以.NET平臺建立主站管理軟件，能最大限度地降低用戶構建智能家居使用成本。只要用戶的智能手機能夠接入網絡便可以隨時隨地查看家庭的實時狀態并進行操控管理，實現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服務器運行的是核心的后臺管理程序，負責處理iOS客戶端和智能負荷控制器發送過來的連接請求以及信息和控制命令。智能負荷控制器是基于交流過零點技術的專利產品，具有無電弧、長壽命、低功耗等特點，是集測量、保護、控制、通信為一體的多通道智能負荷控制器，能夠對用電設備和用電過程進行在線動態同步檢測與管理，其通信方式有WiFi、ZigBee、RS-485，在本系統中使用WiFi方式進行通信[3]。用戶通過iOS客戶端軟件連接上網絡之后通過SOAP向.NET服務器發送用戶認證信息，獲得許可后，可以查詢到智能負荷控制器收集到的電器信息，在判斷和智能負荷控制器是否處與同一局域網環境后可以通過.NET服務器轉發或者直接發出控制命令。

本文研究的基于iOS的智能家居系統主要由.NET服務器，智能負荷控制器，iOS客戶端3部分組成。系統的結構圖如圖1所示。

圖1　系統結構圖

2軟件設計

2.1NET服務器軟件

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

NET服務器管理軟件主要由數據采集通信軟件和終端接口軟件構成。其中數據采集通信軟件通過Socket建立TCP Server監聽來自智能負荷控制器接入的TCP Client客戶端并進行通信與控制。而終端接口軟件則通過提供Web Service接口讓iOS客戶端軟件調用相應的Web Service接口實現對智能負荷控制器的控制與信息獲取等功能。服務器管理軟件的工作流程圖如圖2所示。

圖2　服務器管理軟件工作流程圖

2.2智能負荷控制器軟件

智能負荷控制器的微控制器采用的是瑞薩的78/FC2系列工業級單片機，型號為uPD78F0881，軟件實現的主要功能包括：控制、通信、測量保護三個部分。

智能負荷控制器軟件的工作流程如圖3所示。

圖3　智能負荷控制器程序流程圖

2.3iOS客戶端軟件

iOS客戶端軟件開發使用Objective-C語言在Xcode開發平臺下開發[4]。iOS客戶端軟件允許用戶查看、控制和進行個性化設置等多項任務。iOS客戶端軟件設計主要包括如下4個部分：1)客戶端與.NET服務器之間基于SOAP協議的通信；2)客戶端與智能負荷控制器之間基于Socket的通信；3)電器設備的配置；4)界面交互的設計。客戶端軟件的主要工作流程為：客戶端軟件啟動后，輸入用戶名密碼通過SOAP協議和服務器通信進行身份驗證，驗證成功后可以查看當前管理的家居電器設備信息，并可以對電器進行控制，或者進入場景模式。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通信部分程序設計

iOS客戶端軟件通過SOAP協議調用Web Service接口與.NET服務器來進行通信交換數據，當iOS客戶端軟件要直接控制智能負荷控制器則使用Socket發送命令直接控制智能負荷控制器。

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

iOS客戶端軟件和智能負荷控制器之間的通信是通過對嵌入式系統支持度較好的的Socket協議實現。iOS客戶端軟件與智能負荷控制器之間的Socket通信分為TCP和UDP兩種方式。當客戶端需要搜索局域網環境下的智能負荷控制器是否在線時或者對智能負荷控制器進行參數配置時使用UDP廣播模式發出命令并等待智能負荷控制器的反饋并解析數據，當客戶端需要對搜索到的局域網內的智能負荷控制器進行控制時則使用TCP Client模式連接并發送控制命令。

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

2.3.2界面設計

考慮到移動設備的屏幕尺寸有限，設計智能家居iOS客戶端軟件時需要考慮到易用性和用戶的使用習慣，保持界面風格簡單、突出，使沒有經過專業培訓的用戶也可以很快熟悉界面和客戶端的運作。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

本文設計的智能家居系統完成以后，通過實驗對系統的穩定性進行測試。采用1個智能負荷控制器，5個照明燈管，和iOS系統的智能手機，分別在局域網和3G網絡環境下測試1 000次控制操作。測試結果如表1、表2所示，從實驗結果看，控制的失敗率不高于5‰，局域網內控制的延時平均值不超過200 ms，3G網絡下控制的延時平均值不超過1 s，系統運行穩定且延時低。達到了對家居用電設備的遠程監控的預期目標。

表2　系統性能3G網測試表

3系統應用

本智能家居系統已成功應用于武漢大學新建的教工小區，成功實現了對各種家居用電設備的“無明開關”控制。本智能家居系統采用分布式布線方法進行電氣布線設計與規劃，并且采用改進的迪杰斯特拉最短路徑算法對布線路徑進行優化，節約了50%的電纜敷設[8]。系統自2015年2月順利實施以來運行情況良好，iOS客戶端軟件的設計與應用使用戶擺脫了傳統智能開關的局限，使得用戶無論身處何地只要智能手機連接上網絡便能隨時實現對家庭用電系統的管控，通過歷史用電情況和家居能耗的消費情況增強了人們的節能意識。

4結束語

本文設計的基于iOS的智能家居系統能夠有效地實現對家居用電的監測和控制。系統實現了交流過零點投入和分斷技術，有效地提升了家用電器的使用壽命和安全性。智能負荷控制器與.NET服務器之間的連通使得用戶能夠隨時隨地使用iOS客戶端軟件查看當前家庭用電的情況并實現實時控制，實現了對家居用電情況和信息資訊的透明化掌控，提升了人們的節能意識，降低了家居能源的消耗。

參考文獻：

[1]YE X， HUANG J. A framework for cloud-based smart home[C]//Proc. International Conference on Computer Science and Network Technology. Harbin：IEEE， 2011：894-897.

[2]GU H， DIAO Y， LIU W，et al. The design of smart home platform based on cloud computing[C]//Proc. International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology. Harbin：IEEE， 2011： 3919-3922.

[3]鄭貴林.智能三相電動機控制器：中國，10184066.2[P]. 2011-11-30.

[4]MARK D，NUTTING J，LAMARCHE J，et al. Beginning iPhone 4 development： exploring the iOS SDK[M]. CA，USA：Berkely， 2014.

[5]DAMIANI E， MARRARA S. Using XML similarity to enhance SOAP messages security[C]//Proc. International Conference on Internet Computing.[S.l.]：IEEE，2008：260-265.

[6]TEKLI J， DAMIANI E， CHBEIR R. Using XML-based multicasting to improve web service scalability[J]. International journal of web services research，2012，9(1)：1-29.

[7]董思喬，趙榮建，孫通.基于WiFi構建的智能家居控制系統的設計[J].電視技術，2015，39(4)：89-91.

[8]鄭貴林，張麗.基于智能負荷控制器的建筑電氣優化布線研究[J].武漢大學學報(工學版)，2014，8(3)：417-423.

責任編輯：時雯

控制：控制機械開關在指定的時刻合閘與分閘，實現機械開關主觸頭的電壓過零合閘和電流過零電弧分閘。

通信：智能負荷控制器通過WiFi接入網絡與其他設備之間收發數據并進行數據的解析，實現各功能模塊之間的通信，以及與服務器和控制設備之間的通信，實現遙測、遙控等功能。

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

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

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.007

基金項目：國家自然科學基金項目( 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、海洋波浪能發電技術和傳感器技術等方向研究；

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

文獻引用格式：鄭貴林，桂初晴.“互聯網+”iOS智能家居系統設計與實現[J].電視技術，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.