“互联网+”iOS智能家居系统设计与实现

郑贵林，桂初晴

(武汉大学　动力与机械学院，湖北　武汉　430072)



“互联网+”iOS智能家居系统设计与实现

郑贵林，桂初晴

(武汉大学动力与机械学院，湖北武汉430072)

摘要:智能家居是未来家居发展的方向，是“互联网+”的新兴应用领域之一。设计了一种基于iOS平台的智能家居系统，采用iOS移动设备作为智能家居控制终端，以智能负荷控制器作为智能家居控制网关，以.NET平台建立主站管理软件，减少了用户构建智能家居系统所需的成本。系统已经成功应用于住宅小区，结果表明，系统运行稳定，实时性好，结合分时、分区、分类的控制实现了对家居用电的智能化在线管控，增强了人们的节能意识，降低了家居能源的消耗。

关键词:智能家居； 互联网“+”；智能负荷控制器；iOS

1智能家居系统

随着计算机和因特网的发展，智能家居得到发展并成为物联网的新兴应用领域之一。而且科学和技术的发展也让智能家居由概念慢慢变成现实[1-2]。但是目前的智能家居系统主要用在一些高档社区并没有进入普通家庭。而制约智能家居系统推广的主要因素是现有系统的构建成本高，系统复杂度大。当前，智能家居领域迫切需求建立一个成本低、稳定性好且方便易用的智能家居解决方案。本文提出了一种基于iOS智能手机的智能家居实时管控系统，以iOS手机作为智能家居控制终端，以智能负荷控制器作为智能家居控制网关，以.NET平台建立主站管理软件，能最大限度地降低用户构建智能家居使用成本。只要用户的智能手机能够接入网络便可以随时随地查看家庭的实时状态并进行操控管理，实现了对家居用电的随时随地在线管控，减少了家居能源的消耗。

其中，NET服务器运行的是核心的后台管理程序，负责处理iOS客户端和智能负荷控制器发送过来的连接请求以及信息和控制命令。智能负荷控制器是基于交流过零点技术的专利产品，具有无电弧、长寿命、低功耗等特点，是集测量、保护、控制、通信为一体的多通道智能负荷控制器，能够对用电设备和用电过程进行在线动态同步检测与管理，其通信方式有WiFi、ZigBee、RS-485，在本系统中使用WiFi方式进行通信[3]。用户通过iOS客户端软件连接上网络之后通过SOAP向.NET服务器发送用户认证信息，获得许可后，可以查询到智能负荷控制器收集到的电器信息，在判断和智能负荷控制器是否处与同一局域网环境后可以通过.NET服务器转发或者直接发出控制命令。

本文研究的基于iOS的智能家居系统主要由.NET服务器，智能负荷控制器，iOS客户端3部分组成。系统的结构图如图1所示。

图1　系统结构图

2软件设计

2.1NET服务器软件

NET服务器管理软件采用微软的ASP.NET 4.0和WPF 4.0作为底层开发框架，充分利用了Framework 4.0提供的各种特性(如WCF，WF，WPF等)保证了整个构架的稳定性，同时也保证了系统构架未来的可扩展性。

NET服务器管理软件主要由数据采集通信软件和终端接口软件构成。其中数据采集通信软件通过Socket建立TCP Server监听来自智能负荷控制器接入的TCP Client客户端并进行通信与控制。而终端接口软件则通过提供Web Service接口让iOS客户端软件调用相应的Web Service接口实现对智能负荷控制器的控制与信息获取等功能。服务器管理软件的工作流程图如图2所示。

图2　服务器管理软件工作流程图

2.2智能负荷控制器软件

智能负荷控制器的微控制器采用的是瑞萨的78/FC2系列工业级单片机，型号为uPD78F0881，软件实现的主要功能包括：控制、通信、测量保护三个部分。

智能负荷控制器软件的工作流程如图3所示。

图3　智能负荷控制器程序流程图

2.3iOS客户端软件

iOS客户端软件开发使用Objective-C语言在Xcode开发平台下开发[4]。iOS客户端软件允许用户查看、控制和进行个性化设置等多项任务。iOS客户端软件设计主要包括如下4个部分：1)客户端与.NET服务器之间基于SOAP协议的通信；2)客户端与智能负荷控制器之间基于Socket的通信；3)电器设备的配置；4)界面交互的设计。客户端软件的主要工作流程为：客户端软件启动后，输入用户名密码通过SOAP协议和服务器通信进行身份验证，验证成功后可以查看当前管理的家居电器设备信息，并可以对电器进行控制，或者进入场景模式。具体的程序流程图如图4所示。

图4　iOS客户端软件流程图

2.3.1通信部分程序设计

iOS客户端软件通过SOAP协议调用Web Service接口与.NET服务器来进行通信交换数据，当iOS客户端软件要直接控制智能负荷控制器则使用Socket发送命令直接控制智能负荷控制器。

SOAP协议是一种轻量的、简单的、基于XML的协议，采用HTTP作为底层通信协议，RPC作为一致性的调用途径，XML作为数据传送格式[5-6]。因为基于HTTP所以使用SOAP协议进行通信可以穿越防火墙从而使iOS客户端软件与服务器之间的通信更加稳定快速。客户端和服务器交换数据需要根据.NET服务器提供的Web Service接口把接口参数按照XML进行格式化处理之后用HTTP协议向.NET服务器发出请求，并等待回应。

iOS客户端软件和智能负荷控制器之间的通信是通过对嵌入式系统支持度较好的的Socket协议实现。iOS客户端软件与智能负荷控制器之间的Socket通信分为TCP和UDP两种方式。当客户端需要搜索局域网环境下的智能负荷控制器是否在线时或者对智能负荷控制器进行参数配置时使用UDP广播模式发出命令并等待智能负荷控制器的反馈并解析数据，当客户端需要对搜索到的局域网内的智能负荷控制器进行控制时则使用TCP Client模式连接并发送控制命令。

iOS客户端软件通信的具体流程为：当用户需要查询个人账户信息，身份验证，查询电器历史数据时，客户端选择与.NET服务器通信并交换数据；当用户需要对查询电器设备的实时信息和对电器设备进行控制时，客户端先通过UDP Socket扫描控制的设备是否在局域网内，如果在局域网内则通过TCP Socket直接连接设备进行控制，如果设备不在局域网内，则通过与.NET服务器通信，由.NET服务器去连接智能负荷控制器进行查询和控制，并把信息反馈回iOS客户端[7]。

2.3.2界面设计

考虑到移动设备的屏幕尺寸有限，设计智能家居iOS客户端软件时需要考虑到易用性和用户的使用习惯，保持界面风格简单、突出，使没有经过专业培训的用户也可以很快熟悉界面和客户端的运作。用户部分界面如图5所示。

图5　iOS客户端界面图(截图)

2.3.3性能测试

本文设计的智能家居系统完成以后，通过实验对系统的稳定性进行测试。采用1个智能负荷控制器，5个照明灯管，和iOS系统的智能手机，分别在局域网和3G网络环境下测试1 000次控制操作。测试结果如表1、表2所示，从实验结果看，控制的失败率不高于5‰，局域网内控制的延时平均值不超过200 ms，3G网络下控制的延时平均值不超过1 s，系统运行稳定且延时低。达到了对家居用电设备的远程监控的预期目标。

表2　系统性能3G网测试表

3系统应用

本智能家居系统已成功应用于武汉大学新建的教工小区，成功实现了对各种家居用电设备的“无明开关”控制。本智能家居系统采用分布式布线方法进行电气布线设计与规划，并且采用改进的迪杰斯特拉最短路径算法对布线路径进行优化，节约了50%的电缆敷设[8]。系统自2015年2月顺利实施以来运行情况良好，iOS客户端软件的设计与应用使用户摆脱了传统智能开关的局限，使得用户无论身处何地只要智能手机连接上网络便能随时实现对家庭用电系统的管控，通过历史用电情况和家居能耗的消费情况增强了人们的节能意识。

4结束语

本文设计的基于iOS的智能家居系统能够有效地实现对家居用电的监测和控制。系统实现了交流过零点投入和分断技术，有效地提升了家用电器的使用寿命和安全性。智能负荷控制器与.NET服务器之间的连通使得用户能够随时随地使用iOS客户端软件查看当前家庭用电的情况并实现实时控制，实现了对家居用电情况和信息资讯的透明化掌控，提升了人们的节能意识，降低了家居能源的消耗。

参考文献：

[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]郑贵林.智能三相电动机控制器：中国，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]董思乔，赵荣建，孙通.基于WiFi构建的智能家居控制系统的设计[J].电视技术，2015，39(4)：89-91.

[8]郑贵林，张丽.基于智能负荷控制器的建筑电气优化布线研究[J].武汉大学学报(工学版)，2014，8(3)：417-423.

责任编辑：时雯

控制：控制机械开关在指定的时刻合闸与分闸，实现机械开关主触头的电压过零合闸和电流过零电弧分闸。

通信：智能负荷控制器通过WiFi接入网络与其他设备之间收发数据并进行数据的解析，实现各功能模块之间的通信，以及与服务器和控制设备之间的通信，实现遥测、遥控等功能。

测量保护：对负载线路电压、电流、相位夹角等进行高速采样，并计算功率因数、有功功率，同时检测电压电流状态，能判别并识别故障电压电流。识别到故障电压电流后，能进行速断保护。实现反时限保护，过载保护，欠压过压保护等。

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

中图分类号：T919.5

文献标志码:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.007

基金项目：国家自然科学基金项目( 61272114)；国家海洋局“海洋可再生能源专项”项目( GHME2013JS01)

作者简介：

郑贵林(1963— )，教授，博士，博士生导师，IEEE武汉分会主席，IEEE高级会员，主要从事智慧建筑、智能电网、海洋波浪能发电技术和传感器技术等方向研究；

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

收稿日期：2015-11-03

文献引用格式：郑贵林，桂初晴.“互联网+”iOS智能家居系统设计与实现[J].电视技术，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.