一種基于Windows服務(wù)的智能家居定時(shí)控制系統(tǒng)

周祥，徐永安，戴萍

（揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

一種基于Windows服務(wù)的智能家居定時(shí)控制系統(tǒng)

周祥，徐永安，戴萍

（揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

對(duì)于完整的智能家居系統(tǒng)來說，無需人們親自動(dòng)手，家居設(shè)備自動(dòng)按要求工作是必不可少的功能。將典型智能家居系統(tǒng)結(jié)合云端服務(wù)器的Windows服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種根據(jù)用戶需要，自動(dòng)定時(shí)執(zhí)行控制任務(wù)的系統(tǒng)。介紹智能家居和Windows服務(wù)技術(shù)的概念，進(jìn)而介紹系統(tǒng)的組成、定時(shí)控制的流程、數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)以及定時(shí)任務(wù)程序的設(shè)計(jì)，給出部分關(guān)鍵代碼，給出Windows服務(wù)的安裝部署方法,手機(jī)終端軟件的設(shè)計(jì)以及成果展示。

智能家居；Windows服務(wù)；定時(shí)控制；云端服務(wù)

0 引言

隨著生活和科技水平的提高，大家對(duì)家居智能化的需求越來越高，市面上有很多智能控制網(wǎng)關(guān)開發(fā)套件，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)或PC端在內(nèi)外網(wǎng)模式下通過無線網(wǎng)絡(luò)與家中智能家居控制網(wǎng)關(guān)相通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家居開關(guān)的作用，但是僅僅遠(yuǎn)程控制家中設(shè)備的開關(guān)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足人們的需求的，人們需要一種可以云端存儲(chǔ)用戶需求、自動(dòng)執(zhí)行控制任務(wù)的系統(tǒng)。本文以一種目前市面上典型智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)方式為基礎(chǔ)，開發(fā)了一種基于Windows服務(wù)的智能家居云端定時(shí)控制系統(tǒng)，讓用戶可以通過上傳任務(wù)清單到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器自動(dòng)按照要求實(shí)現(xiàn)控制功能。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 智能家居

智能家居是在目前互聯(lián)網(wǎng)的影響下物聯(lián)化的體現(xiàn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中各種設(shè)備連接到一起，提供家電控制、室內(nèi)外遙控、燈光控制、防盜報(bào)警燈一系列人與家居信息化交流的功能。智能家居與普通家居相比，就是把原來被動(dòng)的靜止的家居結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成能動(dòng)的智慧的智能家居結(jié)構(gòu)，通過把綜合布線技術(shù)、安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、視頻音頻技術(shù)運(yùn)用到住宅平臺(tái)，集成家居生活相關(guān)設(shè)施，構(gòu)造安全、高效、舒適、便利、節(jié)能、環(huán)保、和諧的居住環(huán)境。

本文利用帶Wi-Fi調(diào)制解調(diào)功能的通信模塊設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的智能家居組網(wǎng)方式。

1.2 Windows服務(wù)

服務(wù)是一種常駐內(nèi)存的、特殊的應(yīng)用程序，是一種不要求用戶交互、后臺(tái)長(zhǎng)期運(yùn)行的程序。Windows服務(wù)程序是在Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)下后臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行的服務(wù)程序，在Windows系統(tǒng)啟動(dòng)或重啟之后用戶登錄之前就開始執(zhí)行，Windows系統(tǒng)關(guān)閉才最后停止。像SQL Server、IIS和殺毒軟件等都是采用Windows服務(wù)這種方式獨(dú)立于某一用戶，服務(wù)于所有進(jìn)程，持續(xù)地監(jiān)控著計(jì)算機(jī)上發(fā)生的每一件事件或執(zhí)行計(jì)算機(jī)上每一個(gè)任務(wù)。

本文利用Windows服務(wù)長(zhǎng)時(shí)間后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行的特性，創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)行在云端服務(wù)器上的Windows服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)的自動(dòng)執(zhí)行功能。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示為本系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)可以分為客戶端、智能家居控制網(wǎng)關(guān)、云端服務(wù)器和智能家居四個(gè)模塊。

圖1 智能家居系統(tǒng)組成圖

（1）智能家居控制網(wǎng)關(guān)模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，主要由低功耗的Wi-Fi模塊構(gòu)成，用來接收客戶端App發(fā)來的無線控制命令，將該命令轉(zhuǎn)發(fā)向被控端智能家居設(shè)備。該控制網(wǎng)關(guān)內(nèi)的Wi-Fi芯片與戶內(nèi)連接Internet的無線路由相連，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與Internet的互聯(lián)互通，讓用戶在世界任何有互聯(lián)網(wǎng)的地方都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該網(wǎng)關(guān)的控制。該模塊中內(nèi)置有Wi-Fi轉(zhuǎn)紅外、Wi-Fi轉(zhuǎn)ZigBee及Wi-Fi轉(zhuǎn)電力線載波等通信接口，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi信號(hào)與目前市面上存在的智能家居設(shè)備通信接口的兼容性與相互轉(zhuǎn)化性。

（2）終端設(shè)備是具有連接Wi-Fi功能的智能終端，包括智能手機(jī)、筆記本電腦、iPad等，是本系統(tǒng)中的控制設(shè)備，通過該設(shè)備遠(yuǎn)程或內(nèi)網(wǎng)發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能家居的控制。

（3）智能家居是具有接收被控命令、執(zhí)行相應(yīng)操作功能的被控設(shè)備，包括智能開關(guān)、智能插座、智能空調(diào)，智能水表、氣表、電表等，該模塊中內(nèi)置有自己的通信接口，方便智能家居控制網(wǎng)關(guān)與其通信，發(fā)送和接收交互時(shí)的消息。用戶通過終端設(shè)備遠(yuǎn)程發(fā)送某一智能家居設(shè)備的控制信號(hào)，控制其相應(yīng)狀態(tài)的改變。

（4）云端服務(wù)器是在公網(wǎng)中運(yùn)行的云服務(wù)器，是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制任務(wù)的核心，客戶端通過Web Service與其交互，添加新的定時(shí)任務(wù)設(shè)置或獲取定時(shí)控制任務(wù)執(zhí)行狀況。通過該服務(wù)器上長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)后臺(tái)運(yùn)行的Windows服務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控著數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶設(shè)置的定時(shí)任務(wù)信息，自動(dòng)按照任務(wù)信息執(zhí)行所設(shè)定的任務(wù)，從而達(dá)到智能家居自動(dòng)定時(shí)控制。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

該表是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)執(zhí)行用戶設(shè)定的相關(guān)任務(wù)的核心，用戶使用客戶端通過Web Service等技術(shù)將其所需的定時(shí)任務(wù)信息上送到云端，由云端Web Service進(jìn)行處理解析并保存到云端數(shù)據(jù)庫(kù)的該表中。

表1 定時(shí)任務(wù)信息表

云端定時(shí)任務(wù)Windows服務(wù)通過不斷地輪詢?cè)摫恚@得當(dāng)前時(shí)段所需執(zhí)行的控制任務(wù)，并且通過表中字段isRuned中的值判斷是否執(zhí)行完成。為了防止該表的無限擴(kuò)張，本表的管理還加入了一種“覆蓋或新增”的方法，每次有新數(shù)據(jù)需要添加時(shí)，首先選擇isRuned字段為True的行進(jìn)行更新覆蓋，當(dāng)無這行記錄時(shí)才進(jìn)行添加數(shù)據(jù)操作，這樣讓存在于該表中的無用數(shù)據(jù)都會(huì)最終被覆蓋，減少數(shù)據(jù)表的冗余。

2.3 智能家居定時(shí)控制流程

如圖2所示為本系統(tǒng)的定時(shí)控制執(zhí)行流程圖，通過運(yùn)行云端服務(wù)器上的Windows服務(wù)初始化一個(gè)定時(shí)為60s的定時(shí)器組件，開啟兩個(gè)獨(dú)立線程分別用于數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理。定時(shí)器回調(diào)方法讓程序每60s執(zhí)行循環(huán)任務(wù)，獲取數(shù)據(jù)庫(kù)表中當(dāng)前時(shí)段需要執(zhí)行的控制任務(wù)列表并依次發(fā)送相應(yīng)控制指令，循環(huán)任務(wù)執(zhí)行的周期設(shè)定為5s，用于等待接收和處理線程根據(jù)設(shè)備端的回復(fù)消息更新數(shù)據(jù)庫(kù)表。接收線程在服務(wù)開始運(yùn)行時(shí)便監(jiān)聽著本云端服務(wù)器指定的UDP消息接收端口，等待接收設(shè)備端傳回的數(shù)據(jù)并將其放入消息隊(duì)列。數(shù)據(jù)處理線程通過輪詢?cè)撓㈥?duì)列解析接收到的數(shù)據(jù)并給數(shù)據(jù)庫(kù)表中字段“isRuned”賦值，當(dāng)接收和處理周期時(shí)間到后，定時(shí)器回調(diào)函數(shù)繼續(xù)從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取未完成的任務(wù)列表并執(zhí)行控制命令的下發(fā)，直到數(shù)據(jù)庫(kù)表中當(dāng)前時(shí)段未執(zhí)行成功的定時(shí)任務(wù)列表為空時(shí)結(jié)束本次定時(shí)器事件，保證所有設(shè)備都可以被控制完成。

2.4 定時(shí)任務(wù)服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)

.NET Framework對(duì)Windows服務(wù)提供了強(qiáng)大的支持，通過VS 2010可以很容易地完成Windows服務(wù)程序的創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)過程。

圖2 智能家居定時(shí)控制執(zhí)行流程圖

創(chuàng)建的服務(wù)框架主要用到命名空間為System.ServiceProcess。包括如下五個(gè)主要類：

①ServiceBase所有Windows服務(wù)的基類；

②ServiceController該類的一個(gè)實(shí)例代表一個(gè)具體的Windows服務(wù)；

③ServiceControllerPermission用于控制Service-Controller的使用權(quán)限；

④ServiceInstaller用于執(zhí)行對(duì)Windows服務(wù)的安裝；

⑤ServiceProcessInstaller用于執(zhí)行對(duì)Windows服務(wù)的安裝，與前面幾個(gè)類不同的是，該類可以代表一個(gè)可以執(zhí)行的Windows服務(wù)的進(jìn)程。

另外由于需要做定時(shí)執(zhí)行，本程序還添加了System.Threading.Timer類，該類用于提供指定相同的時(shí)間間隔執(zhí)行定時(shí)任務(wù)回調(diào)方法。

啟動(dòng)服務(wù)主要由ServiceBase類中的OnStart（ ）方法提供，在OnStart（ ）方法中啟動(dòng)定時(shí)器組件，設(shè)定定時(shí)器定時(shí)執(zhí)行時(shí)間，同時(shí)采用多線程編程方式，開啟接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)兩個(gè)獨(dú)立的線程。具體的執(zhí)行代碼如下：

定時(shí)執(zhí)行的Timer類主要通過設(shè)定間隔時(shí)間，使用TimerCallback委托指定回調(diào)方法，采用定時(shí)執(zhí)行該方法的形式完成定時(shí)任務(wù)的執(zhí)行，為了使本設(shè)計(jì)中定時(shí)器組件盡可能準(zhǔn)確，此處采用一種自動(dòng)校正方案，即當(dāng)定時(shí)回調(diào)方法執(zhí)行時(shí)通過獲取服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)間調(diào)整定時(shí)間隔，保證每次定時(shí)回調(diào)都在準(zhǔn)確的分鐘內(nèi)，定時(shí)回調(diào)方法的代碼如下：

2.5 Windows服務(wù)的安裝與部署

Windows服務(wù)與普通應(yīng)用程序不同。不能通過簡(jiǎn)單地點(diǎn)擊一個(gè)EXE文件就來啟動(dòng)服務(wù)。Windows服務(wù)的安裝需要通過.NET Framework提供的InstallUtil.exe來完成，或者通過創(chuàng)建一個(gè)Microsoft Installer（MSI）這樣的文件部署項(xiàng)目完成。

本系統(tǒng)采用InstallUtil的方式完成服務(wù)的安裝工作，具體步驟如下：

①打開運(yùn)行,輸入CMD進(jìn)入命令行窗口；

②改變路徑到項(xiàng)目生成文件所在文件夾位置；

③輸入“InstallUtil.exe AutoOrderInface.exe”（Auto-OrderInface為本系統(tǒng)所用Windows服務(wù)名）執(zhí)行注冊(cè)服務(wù)命令，使它建立一個(gè)合適的注冊(cè)項(xiàng)；

④完成注冊(cè)操作后就可以右擊桌面上“我的電腦”，選擇“管理”,在“服務(wù)和應(yīng)用程序”里面的“服務(wù)”部分里找到本系統(tǒng)所用的Windows服務(wù)程序已經(jīng)被包含在服務(wù)列表當(dāng)中了；

⑤從服務(wù)列表中可以看到該服務(wù)的運(yùn)行狀態(tài),啟動(dòng)類型等,右擊該服務(wù)名稱選擇啟動(dòng)就可以啟動(dòng)本系統(tǒng)的定時(shí)任務(wù)服務(wù)了。

生成的服務(wù)在云端服務(wù)器后臺(tái)運(yùn)行的情況如圖3所示，AutoOrderInface服務(wù)即為云端服務(wù)器后臺(tái)運(yùn)行的本系統(tǒng)定時(shí)任務(wù)服務(wù)程序。

2.6 手機(jī)終端設(shè)置程序的設(shè)計(jì)

手機(jī)終端是智能家居添加云端定時(shí)任務(wù)的交互設(shè)備。用戶通過手機(jī)終端中的定時(shí)任務(wù)設(shè)置程序可以完成用戶對(duì)智能家居設(shè)備單次或周期性執(zhí)行某項(xiàng)控制的設(shè)定。

本文的終端定時(shí)任務(wù)設(shè)置程序界面設(shè)計(jì)如圖4所示，從設(shè)置界面可以設(shè)置單次、每周、每天或者工作日和周末4種不同周期的定時(shí)控制任務(wù)以及開、關(guān)、置反3種不同控制方式。用戶選擇操作完畢后點(diǎn)擊確定手機(jī)終端程序即通過無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)用云端Web Service接口將此任務(wù)記錄上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)中的定時(shí)任務(wù)信息表中。

圖3 Web Service發(fā)布后的文件結(jié)構(gòu)

圖4 定時(shí)任務(wù)列表界面

2.7 成果展示

用戶通過前文所述終端設(shè)置程序，將設(shè)定好的定時(shí)任務(wù)上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器中的Windows服務(wù)程序便可以在指定時(shí)刻按照用戶要求執(zhí)行對(duì)智能家居設(shè)備的操作。如圖5所示為試驗(yàn)設(shè)備初始狀態(tài)，此時(shí)在終端程序上設(shè)置下一分鐘燈4單次關(guān)的操作并單擊確定，終端彈出設(shè)置成功提示。圖6為一分鐘時(shí)間到后試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)，由圖看出該定時(shí)控制任務(wù)系統(tǒng)很好地完成的用戶設(shè)定的定時(shí)任務(wù)，達(dá)到系統(tǒng)預(yù)期目的。

圖5 試驗(yàn)設(shè)備初始狀態(tài)

圖6 定時(shí)時(shí)間到后試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)

3 結(jié)語

家居的遠(yuǎn)程控制是人們長(zhǎng)久以來迫切想要實(shí)現(xiàn)的智能家居功能，隨著現(xiàn)在通信技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)這樣的功能已經(jīng)不是難題，那么如何更好地提高家居智能化的“智能”特點(diǎn)便成為了大家研究的課題。本文通過在云端服務(wù)器中運(yùn)行后臺(tái)Windows服務(wù)程序的方案，實(shí)現(xiàn)了智能家居的云端定時(shí)控制功能，同時(shí)該設(shè)計(jì)方法還可以進(jìn)一步拓展。利用其持久后臺(tái)運(yùn)行的特點(diǎn)拓展成智能家居設(shè)備與云端服務(wù)器自動(dòng)交互處理程序，通過判斷智能家居設(shè)備發(fā)來的具體信號(hào)做出相應(yīng)控制命令下發(fā)，使智能家居真正做到代替人工的“智能”。

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Smart Home Timing Control System Based on Windows Services

ZHOU Xiang，XU Yong-an，DAI Ping
（College of Information Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127）

For a complete system of smart home,the function which can make smart home device automatically work according to the essential requirements.Uses Windows Services technology and designs an automatic timing control system which is based on user's needs.Introduces the concept of smart home system and Windows Services technology,and then introduces the design of the system components,timing control process,database and the design of timing task program,and gives some key code.Gives the Windows service’s installation,supporting mobile terminal software design and system results.

Smart Home;Windows Services;Timing Control;Cloud Servers

1007-1423（2015）04-0075-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.04.020

周祥（1990-），男，江蘇南京人，碩士，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、圖形圖像

徐永安（1965-），男，江蘇興化人，博士后，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)

2014-12-18

2015-01-05

戴萍（1988-），女，江蘇泗洪人，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字簽名