結(jié)合Redis與WebSocket的智能空調(diào)移動(dòng)環(huán)境實(shí)時(shí)控制技術(shù)

桂成杰 曾獻(xiàn)輝

摘 要：為了解決目前空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不高、數(shù)據(jù)庫讀取效率低的問題，設(shè)計(jì)一種基于WebSocket與Redis技術(shù)并在Web端遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)。通過WebSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端和Web應(yīng)用程序之間的長連接，提升兩者之間信息傳輸過程的實(shí)時(shí)性，通過Redis技術(shù)提升數(shù)據(jù)庫讀取效率，以及Web應(yīng)用程序和采集控制程序?qū)Υ鎯?chǔ)數(shù)據(jù)操作的實(shí)時(shí)性。實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)，該方法可提升控制系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性，提升現(xiàn)場空調(diào)設(shè)備的控制效率，使用戶決策及時(shí)得到執(zhí)行。

關(guān)鍵詞：智能空調(diào);遠(yuǎn)程控制;移動(dòng)環(huán)境;實(shí)時(shí)控制;內(nèi)存數(shù)據(jù)庫

DOI： 10. 11907/rjdk.191187

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1672-7800（2020）001-0190-05

0 引言

21世紀(jì)是信息化時(shí)代，其最大特征是智能。智能化已成為多個(gè)行業(yè)發(fā)展趨勢，既提高了生產(chǎn)效率，也改善了用戶體驗(yàn)。其中電器行業(yè)智能化尤為顯著，智能空調(diào)是其中代表性產(chǎn)品。

傳統(tǒng)空調(diào)控制依靠控制面板或者紅外遙控器對空調(diào)實(shí)施控制，但該方法局限于一個(gè)空間內(nèi)，用戶無法遠(yuǎn)程控制空調(diào)…。隨著物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)不斷發(fā)展，用戶對遠(yuǎn)程控制的需求越發(fā)迫切。研究人員陸續(xù)設(shè)計(jì)出一些遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，如王耀青等[2]針對移動(dòng)端設(shè)計(jì)了基于ZigBee和安卓的控制系統(tǒng);趙宏林等[3]設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)和IOS的系統(tǒng);張娟榮[4]針對PC端研發(fā)了基于ARM嵌入式技術(shù)的系統(tǒng);文獻(xiàn)[5]針對紡織行業(yè)空調(diào)系統(tǒng)存在的自動(dòng)化程度不高、誤差大等問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)控制系統(tǒng)[5];文獻(xiàn)[6]提出基于NB-IoT的空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[6]。上述系統(tǒng)雖實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，但也存在實(shí)時(shí)性不高、移植性能差、開發(fā)成本高等缺點(diǎn)。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于WebSocket與Redis的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在Web環(huán)境運(yùn)行，利用WebSocket長連接與Redis讀寫效率高的特點(diǎn)提升控制實(shí)時(shí)性，同時(shí)Web環(huán)境適用于多樣化終端，只要可連接網(wǎng)絡(luò)，便可完成控制任務(wù)，提升系統(tǒng)執(zhí)行效率，減少開發(fā)成本。

1 Web環(huán)境下智能空調(diào)實(shí)時(shí)控制總體架構(gòu)

現(xiàn)有智能空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、遠(yuǎn)程控制服務(wù)器和智能終端3部分組成?，F(xiàn)場設(shè)備由被控空調(diào)和通信控制模塊組成，該模塊可以通過WIFI、4G網(wǎng)絡(luò)直接與服務(wù)器通信，也可接RS-485總線，經(jīng)工控機(jī)與服務(wù)器通信;服務(wù)器由采集控制程序與Web應(yīng)用程序組成;智能終端包括一切可以瀏覽網(wǎng)頁的設(shè)備，例如手機(jī)、平板等。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)介紹

系統(tǒng)整體工作流程從客戶端開始，到客戶端結(jié)束。用戶通過終端打開瀏覽器，訪問服務(wù)器中的Web應(yīng)用程序，Web程序?qū)⒂脩舻目刂泼顚懭霐?shù)據(jù)庫中，采集控制程序并從數(shù)據(jù)庫中讀取命令，然后傳輸至空調(diào)控制模塊，模塊完成控制后將控制結(jié)果回送給采集控制程序，程序?qū)⒔Y(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫，Web程序讀取數(shù)據(jù)庫中的結(jié)果并顯示在頁面上，最終用戶可在終端看見結(jié)果。

1.1.1 Web應(yīng)用程序

Web應(yīng)用程序是通過Web訪問的一類程序，遵循瀏覽器/服務(wù)器（B/S）的架構(gòu)模式，用戶通過瀏覽器即可訪問。應(yīng)用程序由3部分組成，分別對應(yīng)B/S模式表示層、邏輯層和存儲(chǔ)層的3層結(jié)構(gòu)[7]。用戶通過終端訪問瀏覽器，瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送HTTP請求，得到服務(wù)器響應(yīng)后，兩者建立連接，Web服務(wù)器便可將應(yīng)用程序處理后的數(shù)據(jù)傳送、解析并顯示在終端頁面上.整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1.2 采集控制程序

采集控制程序是實(shí)現(xiàn)控制需求的核心，有兩大功能：一是采集功能，利用現(xiàn)場采集設(shè)備采集空調(diào)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù);二是控制功能，控制命令由程序傳送至現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，控制結(jié)果也由程序傳送至Web程序供用戶查看。采集控制程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

服務(wù)器控制采集程序與Web應(yīng)用程序各有分工，兩者通過操作同一個(gè)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能。

1.2 系統(tǒng)存在的問題

現(xiàn)有控制系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)智能空調(diào)遠(yuǎn)程控制，但隨著技術(shù)不斷發(fā)展，用戶對控制系統(tǒng)的需求增多，現(xiàn)有控制系統(tǒng)暴露出諸多問題，其中最主要問題包括：

（1）實(shí)時(shí)性，主要指終端和Web程序之間傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，由于HTTP協(xié)議基于TCP協(xié)議，使用HTTP協(xié)議時(shí)需要連接瀏覽器和服務(wù)器[8]，但兩者之間連接步驟繁瑣，且每次通信時(shí)都需重新連接，嚴(yán)重影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

（2）數(shù)據(jù)庫讀寫效率低。實(shí)時(shí)性另一方面體現(xiàn)在Web應(yīng)用程序和采集控制程序之間傳輸上。兩者之間通過讀寫數(shù)據(jù)庫傳輸控制命令，由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在讀寫效率上沒有優(yōu)勢，且整個(gè)過程需完成讀寫操作各兩次，讀寫操作耗時(shí)巨大，同樣降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

因此，現(xiàn)有遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需作出調(diào)整和改進(jìn)才能滿足控制需求。

2 基于WebSocket技術(shù)的實(shí)時(shí)連接遠(yuǎn)程控制

現(xiàn)有控制系統(tǒng)使用HTTP協(xié)議和Web應(yīng)用程序連接，但HTTP連接步驟復(fù)雜且只提供短鏈接，因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響傳輸實(shí)時(shí)性。另外HTTP協(xié)議只能由客戶端發(fā)起連接請求，客戶端不斷輪詢確定傳輸時(shí)機(jī)，既降低效率也增加負(fù)擔(dān)[9]。若服務(wù)器可及時(shí)推送數(shù)據(jù)庫變更信息，讓客戶端減少請求次數(shù)，既可提高效率，又可提升實(shí)時(shí)性。

2.1 WebSocket技術(shù)

WebSocket協(xié)議是HTML5中提出的一種基于TCP的新通信協(xié)議[10]，區(qū)別于傳統(tǒng)TCP連接“三次握手、四次揮手”的步驟，協(xié)議采用長連接方式，即瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送連接請求且服務(wù)器同意之后，兩者之間便建立連接[11]。其后瀏覽器和服務(wù)器雙方不存在主從關(guān)系，均可主動(dòng)向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)[10]，從而避免客戶端輪詢操作，可直接等待服務(wù)器推送最新控制結(jié)果。WebSocket協(xié)議建立連接的過程如圖4所示。

WebSocket協(xié)議通常應(yīng)用于B/S模式，在該模式下瀏覽器和服務(wù)器通過HTTP協(xié)議建立連接，由于WebSocket協(xié)議“一次握手”建立連接，因此連接建立后，后續(xù)數(shù)據(jù)交換無需傳輸HTTP報(bào)文頭，加之WebSocket協(xié)議具有更簡潔的數(shù)據(jù)幀格式，進(jìn)而降低了數(shù)據(jù)傳輸量，減少了大量交互信息和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，可節(jié)省帶寬，提高通信效率[10]。

2.2 WebSocket實(shí)現(xiàn)方法

WebSocket協(xié)議實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和終端間的數(shù)據(jù)通信，在HTTP協(xié)議基礎(chǔ)上使用該協(xié)議進(jìn)行通信，提升傳輸實(shí)時(shí)性。

瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)出HTTP請求時(shí)，在請求頭部加入以下代碼：

Upgrade： websocket

Connection： Upgrade

Sec-WebSocket-Key： x3JJHMbDLIEzLkh9C BhXDw==

Sec-WebSocket-Protocol： chat， superchat

Sec-WebSocket-Version： 13

該段代碼是WebSocket通信的核心，旨在告訴服務(wù)器瀏覽器發(fā)起WebSocket協(xié)議，需按照WebSocket協(xié)議處理，連接之后可長時(shí)間通信，提升傳輸實(shí)時(shí)性。

相比HTTP協(xié)議，WebSocket長連接的特點(diǎn)是可降低傳輸時(shí)延，但數(shù)據(jù)庫讀寫操作效率低，系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性依舊不突出。內(nèi)存作為計(jì)算機(jī)的組成部分，存儲(chǔ)著計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)。為保證計(jì)算機(jī)處理速度，內(nèi)存讀寫被設(shè)計(jì)成一項(xiàng)高效的操作，其速度是讀寫數(shù)據(jù)庫的數(shù)倍，因此選擇內(nèi)存緩存代替數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

3 基于Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制技術(shù)改進(jìn)

內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是一種建立在用戶共享內(nèi)存或者反射內(nèi)存之上的一種數(shù)據(jù)庫，所有進(jìn)程均可訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)可以在不同進(jìn)程間共享[12]。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫提供多種接口，同時(shí)還提供打包、解包、結(jié)構(gòu)與變量映射轉(zhuǎn)換等功能，可以實(shí)現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)直接交互。在眾多內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中，最常用的是Redis。

3.1 Redis技術(shù)

Redis技術(shù)遵守BSD協(xié)議，是一個(gè)開源的、基于內(nèi)存和Key-Value鍵值對、支持?jǐn)?shù)據(jù)持久化的網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)系統(tǒng)。Redis采用Key-Value模型，用哈希表表示兩者間的映射關(guān)系，可用Key值迅速查詢對應(yīng)的Value值[13]。同時(shí)Redis支持主從同步與讀寫分記，可以有效地提高系統(tǒng)性能和可靠性。

3.2 Redis特點(diǎn)

Redis是為了解決大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求而產(chǎn)生的，隨著用戶訪問量和需求不斷增加，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫無法滿足存儲(chǔ)需求;Redis讀寫速度快，可分別達(dá)到110 000次/秒和81 000次/秒，遠(yuǎn)優(yōu)于數(shù)據(jù)庫讀寫速度[14]，采集控制程序和Web程序讀寫時(shí)可進(jìn)一步提升效率，提升實(shí)時(shí)性;此外Redis去除了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的關(guān)系型特征，可方便再進(jìn)行擴(kuò)展;Redis支持監(jiān)聽功能，客戶端可以升級為監(jiān)視器，監(jiān)聽服務(wù)器操作信息，及時(shí)掌握Redis動(dòng)態(tài)[15]。

綜上所述，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相比，Redis具有明顯優(yōu)勢，因此將存儲(chǔ)系統(tǒng)改成Redis，并將工控機(jī)和客戶端設(shè)置為監(jiān)視器，監(jiān)聽并接收服務(wù)器當(dāng)前處理的指令信息。

4 智能空調(diào)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證改進(jìn)系統(tǒng)可行性，完成服務(wù)器設(shè)計(jì)，并利用Web實(shí)現(xiàn)空調(diào)遠(yuǎn)程控制，改進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)與圖1類似，終端使用WebSocket協(xié)議訪問Web程序，同時(shí)將控制命令存入Redis中。

4.1 控制命令結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Redis提供5種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型：String、Hash、Set、List和2set[6]。Hash類型可以看成具有String Key和String Value的map容器，將多個(gè)鍵值對存儲(chǔ)在一個(gè)鍵值對中，適合打包存儲(chǔ)一些屬性信息。

一條控制命令包括控制設(shè)備編號、控制參數(shù)、控制量、控制前后的參數(shù)值和控制結(jié)果。利用Redis存儲(chǔ)一條控制指令時(shí)可以將Instruction作為key，并用Hash結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)指令的具體信息[17]，詳見表1。

4.2 Web應(yīng)用程序

Web應(yīng)用程序一般使用Java完成后臺(tái)程序編寫，后臺(tái)程序的功能包括允許建立WebSocket連接、通信及讀寫Redis。Web程序?qū)⒖刂泼顚懭隦edis，并將結(jié)果傳送至終端。Web應(yīng)用程序流程如圖5所示。

后臺(tái)使用WebSocket協(xié)議建立連接的流程[18]為：

步驟1瀏覽器發(fā)出連接請求。

步驟2創(chuàng)建WebSocket實(shí)例。

步驟3 websocket.onopen= function（）//建立連接

websocket.send（ message） ll發(fā)送消息。

步驟4 websocket.onmessage= function（ event）//接受信息。

步驟5 websocket.onclose= function（）//關(guān)閉連接。

步驟6 websocket.close（）//斷開連接。

后臺(tái)服務(wù)器使用Redis操作流程[19]為：

步驟1采用后端模式啟動(dòng)Redis，默認(rèn)端口號6379。

步驟2通過創(chuàng)建Jedis類的對象連接Redis服務(wù)器，代碼如下：

private Jedis jedis;

private JedisPool jedisPool;//創(chuàng)建Jedis連接池對象

JedisPoolConfig config;//創(chuàng)建配置對象

jedisPool= new JedisPool（config， IP， 6379）;//配置Je-dis連接池

步驟3使用Jedis類中hset方法操作Redis中hash結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，具體如下：

jedis.hset（ key，field，value）;//將表一中hash結(jié)構(gòu)的控制命令key值對應(yīng)的每一對field-value值寫入Redis中。

步驟4讀取控制結(jié)果，操作代碼如下：

Jedis.hmget（“Instruction”，“Result”）;

4.3 采集控制程序

采集控制程序一般由C++編寫，采集控制程序的作用包括數(shù)據(jù)采集、控制命令和結(jié)果傳輸。從Redis讀取命令送至現(xiàn)場控制模塊，再將結(jié)果寫入Redis中供Web程序讀取。采集控制程序的流程如圖6所示。

采集控制程序使用Redis操作，步驟如下：

（1） redisContext* redisConnect （const char* ip， intport）;//連接Redis。

（2） void* redisCommand（ redisContext*c， const char*format--）;//執(zhí)行Redis命令，第一個(gè)參數(shù)是連接Redis時(shí)的返回值，后一個(gè)是需要的Redis語句，代碼如下：

HCETALL“key”;//獲取Redis中的命令

HMSET“key" -‘field" -‘value”[“field" -‘value”…]/，將命令和結(jié)果存入Redis

4.4 界面介紹

整體系統(tǒng)包括服務(wù)監(jiān)控程序與Web頁面。服務(wù)監(jiān)控程序用來監(jiān)控程序運(yùn)行狀況，Web頁面實(shí)現(xiàn)空調(diào)數(shù)據(jù)查看以及空調(diào)運(yùn)行控制，具體運(yùn)行界面如圖7所示。

5 結(jié)語

本文主要介紹了智能空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，針對現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不佳的問題，從通信傳輸和數(shù)據(jù)庫讀寫兩方面人手，提出一種結(jié)合WebSocket與Redis技術(shù)的控制系統(tǒng)，WebSocket解決終端傳輸實(shí)時(shí)性的問題，減少通信連接開銷，使控制命令可以同步傳輸;Redis令讀取存儲(chǔ)系統(tǒng)更高效，采集控制程序和Web程序能更快讀取存儲(chǔ)的控制命令。用戶可在多種瀏覽器設(shè)備上利用該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，大幅提升了系統(tǒng)智能性和便捷性，也降低了系統(tǒng)開發(fā)和移植成本。本文系統(tǒng)還有待進(jìn)一步改進(jìn)空間，下一步可從數(shù)據(jù)傳輸安全性進(jìn)行深入研究，提高數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性，也可從控制智能化人手，探究如何更加智能地控制空調(diào)，使空調(diào)運(yùn)行參數(shù)符合用戶邏輯。

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（責(zé)任編輯：江艷）

作者簡介：桂成杰（1994-），男，東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c優(yōu)化;曾獻(xiàn)輝（1974-），男，博士，東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c優(yōu)化。本文通訊作者：曾獻(xiàn)輝。