基于iOS的智能可視化指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖列法，張幸平

(江西理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引 言

數(shù)字化時(shí)代的到來在很大程度上改變了人們傳統(tǒng)的生活生產(chǎn)方式，在各行業(yè)領(lǐng)域中基于iOS移動(dòng)端的應(yīng)用越來越多，同時(shí)隨著智能設(shè)備的逐漸普遍，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已然成為未來高新技術(shù)發(fā)展的重要方向。與此同時(shí)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，各個(gè)行業(yè)的改革也都朝著智能、智慧化方向發(fā)展。例如國(guó)家電網(wǎng)、各大高校、醫(yī)院、制造業(yè)，家居業(yè)等眾多領(lǐng)域都紛紛提出建設(shè)智能電網(wǎng)[1]、”互聯(lián)網(wǎng)+”課堂[2]、智慧醫(yī)療[3]、智能制造[4]、智能家居[5]。因此傳統(tǒng)指揮系統(tǒng)的升級(jí)也成為迫切需要解決的問題。

目前，傳統(tǒng)的指揮系統(tǒng)要求特定設(shè)備，功能較為單一，沒有良好的交互界面。比如樓宇對(duì)講系統(tǒng)[6]、基于Linux對(duì)講系統(tǒng)[7]分別使用對(duì)講機(jī)、Linux終端作為對(duì)講設(shè)備，同時(shí)也沒有可視化界面，難以滿足互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代用戶的需求。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，如何利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)指揮系統(tǒng)的升級(jí)成了智能化發(fā)展的一個(gè)方向。比如以目前主流的iOS系統(tǒng)設(shè)備替換原有的舊型專用設(shè)備，增加地圖上實(shí)時(shí)顯示用戶位置，通過耳機(jī)控制對(duì)講，增加狀態(tài)類消息實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前狀態(tài)，設(shè)計(jì)更加人性化的UI提升用戶體驗(yàn)效果等都是用戶提出的真實(shí)需求。因此開發(fā)基于iOS的智能可視化指揮系統(tǒng)[8]對(duì)傳統(tǒng)指揮系統(tǒng)的升級(jí)具有非常重要的意義以及應(yīng)用價(jià)值。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用主流的C/S架構(gòu)，通過TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶端與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。首先，云服務(wù)器作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，主要負(fù)責(zé)用戶驗(yàn)證，語音流數(shù)據(jù)，上下線、位置、控制類、狀態(tài)類等消息的解析與轉(zhuǎn)發(fā)，以及提供可靠的數(shù)據(jù)高速訪問和存儲(chǔ)服務(wù)，同時(shí)采用Ngnix[9]，Redis[10]，Nodejs[11]，Mysql[12]作為技術(shù)框架，支持分布式集群化部署滿足多用戶、高并發(fā)需求，實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器的高性能，高可用。其中，Nginx為負(fù)載均衡反向代理服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)分離，將所有客戶端的請(qǐng)求依據(jù)權(quán)重隨機(jī)的分配到相應(yīng)的Nodje服務(wù)器，避免單臺(tái)Nodejs服務(wù)器負(fù)載過大的問題。Nodejs為應(yīng)用服務(wù)器，負(fù)責(zé)與客戶端之間的數(shù)據(jù)分析與轉(zhuǎn)發(fā)，是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)中心。Redis為高速緩存服務(wù)器，建立主從的集群方案，作為mysql的緩存服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)讀寫分離，保證數(shù)據(jù)的持續(xù)高速訪問。Mysql為多臺(tái)Nodejs的共享數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)的整體框架如1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 功能設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)對(duì)講功能外，客戶端以地圖作為基礎(chǔ)元素，利用網(wǎng)絡(luò)定位[13]、GPS定位[14]、離線定位[15]技術(shù)監(jiān)聽位置變化信息并實(shí)時(shí)通過云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)都所有在線的用戶，另外除了基本位置消息外，擴(kuò)展了個(gè)人信息(包括頭像，真實(shí)姓名等)、搶麥消息、麥閑與麥忙消息、上下線消息等，結(jié)合這些消息，在地圖上可以非常直觀看出用戶上下線變化、位置變化、麥狀態(tài)變化等，其主要特點(diǎn)如下：

(1)設(shè)備多型化，支持當(dāng)前主流的iOS移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備作為客戶端，不再需要專用設(shè)備，隨身攜帶的iOS手機(jī)，iPAD就是一臺(tái)指揮設(shè)備。

(2)可視化指揮，在地圖上實(shí)時(shí)顯示用戶上下線、位置的變化，可以非常直觀反應(yīng)出每個(gè)用戶的位置信息以及運(yùn)動(dòng)軌跡。

(3)特色功能，增加管理員優(yōu)先搶麥功能，耳麥控制對(duì)講功能，人性化的狀態(tài)提功能等，增強(qiáng)了指揮系統(tǒng)的功能和提升了客戶端的體驗(yàn)效果。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

云服務(wù)器作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的解析與轉(zhuǎn)發(fā)，控制著整個(gè)數(shù)據(jù)的流向，其數(shù)據(jù)流程如圖2所示。當(dāng)收到用戶上下線、語音流、麥狀態(tài)等消息時(shí)透?jìng)鹘o所有在線的用戶，再更新用戶列表、對(duì)語音流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼和播放以及顯示當(dāng)前麥的狀態(tài)。當(dāng)收到搶麥消息時(shí)，如果用戶具有管理員權(quán)限，都以管理員優(yōu)先的規(guī)則保證搶麥的成功。如果用戶是普通用戶權(quán)限，此時(shí)若麥處于空閑狀態(tài)則搶麥成功，反之，則搶麥?zhǔn)?。如果搶麥成功，用戶可以開始說話，同時(shí)采集語音流數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和實(shí)時(shí)發(fā)送到云服務(wù)器，再由云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給所有在線用戶。

圖2 服務(wù)器數(shù)據(jù)流程

客戶端主要分為登錄與對(duì)講兩個(gè)模塊。首先，用戶在登錄模塊填寫用戶名、密碼、房間名、服務(wù)器地址信息后與云服務(wù)器建立連接。其次，進(jìn)入對(duì)講模塊后，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)類型做出不同的響應(yīng)，比如位置消息在地圖上標(biāo)注位置，上下線消息更新用戶列表并在地圖上增加或刪除用戶，狀態(tài)類消息在界面上顯示提醒信息，語音流消息進(jìn)行解碼與播放。同時(shí)建立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，當(dāng)位置、上下線發(fā)送變化時(shí)實(shí)時(shí)發(fā)送到云服務(wù)器。當(dāng)需要說話時(shí)，發(fā)送搶麥消，如果搶麥成功，則進(jìn)入對(duì)講流程，實(shí)時(shí)的采集語音流數(shù)據(jù)，并將編碼后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到云服務(wù)器，其功能流程如圖3所示。

圖3 客戶端功能流程

3 功能實(shí)現(xiàn)

利用Object-C層實(shí)現(xiàn)音頻的錄制、播放、事件回調(diào)的接口封裝(AudioStream)，C層實(shí)現(xiàn)音頻的錄制、播放、網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3.1 錄音與播放

(1)錄音

通過原生組件AudioUnit錄制原始PCM格式的音頻流，經(jīng)Speex[8]編碼后再發(fā)送到服務(wù)器。

(2)播放

從網(wǎng)絡(luò)接收到音頻數(shù)據(jù)流，經(jīng)Speex解碼轉(zhuǎn)換為采樣位數(shù)為16 bit的PCM格式音頻數(shù)據(jù)，再通過AudioUnit進(jìn)行播放。

3.2 對(duì)講功能API

(1)配置音頻流[[AudioStream singleStream] setupStream:(NSDictionary *)info];

Info參數(shù)參考表1。

表1 視頻流Info中的鍵值對(duì)

(2)連接

[[AudioStream singleStream] connect];

(3)斷開連接

[[AudioStream singleStream] disconnect];

(4)請(qǐng)求麥

[[AudioStream singleStream] reqMic];

(5)釋放麥

[[AudioStream singleStream] freeMic];

(6)錄音

[[AudioStream singleStream] record];

(7)停止錄音

[[AudioStream singleStream] stopRecord];

(8)注冊(cè)音頻流的事件回調(diào)

[[AudioStream singleStream] setAudioStreamEventHandler:

fe_audio_event_handle_t*audio_event_handle_callback];

參數(shù)為事件回調(diào)函數(shù)，回調(diào)事件說明參考表2。

表2 回調(diào)的事件說明

JSON消息

{′code′:′0′,′cmd′:′xxx′,′msg′:′xxx′}

消息說明參考表3。

表3 JSON消息格式說明

cmd說明參考表4。

表4 消息類型說明

msg說明參考表5。

表5 消息狀態(tài)說明

(9)自定義消息

[[AudioStream singleStream]sendCustom Event:(id)

msg];

參數(shù)為自定義的消息類型。

(10)位置變化消息

通過自定義消息方式發(fā)送位置變化消息，具體消息格式如下：

{

"type":"location",

"data":{

"userName":"zxp",

"latitude":"23.171999",

"longitude":"113.462033"

}

}

消息說明參考表6。

表6 消息說明

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試中，采用單機(jī)部署方案，將系統(tǒng)部署在一臺(tái)騰訊云服務(wù)器，其服務(wù)器配置信息為：CentOS 7.2 64位、雙核CPU、2 G內(nèi)存、5 M帶寬、1 T磁盤。以iOS手機(jī)，iPAD平板電腦作為測(cè)試客戶端，同時(shí)為了提升客戶端在不同機(jī)型下的適配性，分別在iPad系列，iPhone 5 s、6 s、7、8、X等不同設(shè)備上測(cè)試，所有的UI界面都能在這些主流機(jī)型正常的顯示。另外，分別在WiFi和4 G，3 G和2 G，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等3種情況下進(jìn)行測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果來看，在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)穩(wěn)定的情況下應(yīng)用非常穩(wěn)定順暢，在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)一般但可用的情況下基本可用，不影響正常功能的使用，在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、時(shí)不時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷開的情況下，應(yīng)用會(huì)斷開，但一旦網(wǎng)絡(luò)可用則會(huì)自動(dòng)重新與云服務(wù)器建立連接，恢復(fù)對(duì)講的所有功能。同時(shí)采用自動(dòng)化測(cè)試工具，對(duì)服務(wù)器性能進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)結(jié)果見表7。

表7 服務(wù)器測(cè)試結(jié)果

從表7中可以看出，并發(fā)量從100增加到1000時(shí)，CPU利用率的變化為0.2%，0.3%，0.5%，說明服務(wù)器端為輕量型應(yīng)用服務(wù)器，具有良好的性能。另外，消息數(shù)量從100增加到1000時(shí)，服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間都在毫秒之間且時(shí)間差為0.02 s，0.04 s，0.07 s，說明服務(wù)端具有較好消息處理能力，能夠達(dá)到指揮系統(tǒng)中對(duì)消息實(shí)時(shí)性的要求。

圖4登錄界面中，輸入賬號(hào)，密碼，房間名，服務(wù)器地址點(diǎn)擊登錄與服務(wù)器連接完成登錄操作。

圖4 登錄界面

圖5、圖6對(duì)講界面中，以地圖為基礎(chǔ)元素，在頂部顯示所有在線的用戶，同時(shí)在地圖上標(biāo)注所有在線用戶的位置。

圖5 對(duì)講界面-搶麥成功

圖6 對(duì)講界面-其它人正在說話

5 結(jié)束語

隨著人工智能與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在移動(dòng)端的應(yīng)用越來越廣泛，針對(duì)主流的iOS設(shè)備實(shí)現(xiàn)一套可視化指揮系統(tǒng)，既能增強(qiáng)指揮系統(tǒng)的功能，又能提供多元化的界面交互。另外，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)均來自真實(shí)項(xiàng)目中用戶的實(shí)際需求，同時(shí)在用戶環(huán)境下進(jìn)行分布式集群化部署，當(dāng)前系統(tǒng)仍在健壯的運(yùn)行中，評(píng)價(jià)較好，未收到用戶反饋的功能性問題。因此本文為傳統(tǒng)指揮系統(tǒng)的升級(jí)提供了一套非常實(shí)用有效的解決方案。下一步將在另一主流的Android系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指揮系統(tǒng)。