摘 要:目前家居用电设备多采用红外遥控或开关按钮的控制方式,由于这两种控制方式在很大程度上受到控制范围的限制,在远程控制方面存在很大的不足。针对这一现象提出了以jQuery技术为基础,结合Ajax技术来设计控制系统的人机交互系统。采用用户数据报协议(UDP)搭建局域网,达到实时快速通信的控制效果,通过控制器、总线和互联网将家具用电设备与计算机相连接。相对于多局限于控制距离的传统控制方式,该监控系统可在任何联网电脑上通过登录指定网址进入,具有多用户并发使用的功能,满足了用户远程控制的需求,界面操作简单易懂,并具有能耗分析功能,为节能降耗提供参考依据。
关键词：用电设备；远程控制；人机交互界面；用户数据报协议；并发；能耗分析
0 引言
智能家居(Smart Home)是以物联网(Internet of Things,IoT)为理论基础,以建筑物为平台,综合了计算机技术、通信技术以及控制技术的现代智慧家居解决方案[1]。
传统的家居解决方案是侧重于在用户家中使用遥控器等红外控制终端、触摸屏控制终端或者简单的PC系统来操作各种电气设备。这样在一定程度上是方便了用户对电气设备的控制,但是随着人们对电气设备功能需求的增多,简单的控制设备无法满足对电气系统的控制需要,而且人们更多地希望能够实现对家中和办公室的电气设备进行远程实时监控[2]。因此,本文结合jQuery和Ajax等技术,设计了基于Web的智能建筑用电设备节能监控系统。
基于Web的智能建筑用电设备节能监控系统具有如下优点：远程监控现场设备,使得系统管理不再受到时间和地点的限制；用户可以通过浏览器登录进入管理平台进行访问和操作,操作界面简单明了；提高了对现场设备运行的监控能力,特别将能耗以报表的方式展示出来,使得能源控制更加精确化,从而可以为用户节能提供参考依据；提供跨平台支持,无论是任何操作系统的任何浏览器,只要进入指定的网站登录账号和密码都能对管理平台进行操作,为用户在信息管理领域的全面集成提供了良好的软件环境[3]。
1 智能建筑节能监控系统框架
智能建筑节能监控系统通常由部署远程Web管理平台的服务器,串口服务器,现场设备(包括灯、风扇、空调等)三部分组成,整体框架如图1所示。
图1 智能建筑节能监控系统整体框架
现场设备的数据(灯的亮暗、风扇的转速、空调的温度)由控制器采集,并且通过总线RS485传送到RJ45接口网络服务器,然后通过局域网传送到服务器,用户可以通过Internet登录网页来查看现场设备的运行状况,并且可以通过对界面控制按钮的点击来实现对现场设备的远程控制,还可以在用户界面中导出能耗分析的图表,为智能建筑的节能控制提供参考依据。
2 监控系统的功能和技术特点
智能建筑用电设备节能监控系统是一个网站软件,其主要功能有：
1)服务器和客户端是通过局域网(或者互联网)连接起来,使用网站部署的方法可以在PC端或者移动智能终端上以网页形式方便地显示集成在服务器上的监测设备数据。
2)实时可查看和操作的数据包括电灯的亮灭状态、风扇的转速、空调的温度等信息。
3)通过趋势图和报表查询来进行能耗统计和分析。
为了实现上述功能,智能建筑用电设备节能监控系统的主要技术特点有：
1)jQuery和Ajax技术。
jQuery是辅助Javascript开发的库,其作用是使用户能更方便地处理HTML、events、实现动画效果,并且方便地为网站提供Ajax交互[4]。Ajax技术的应用,促进了页面表现和数据的分离,使Web应用的交互性、反应速度、柔性提高到新的层次[5]。
2)双向通信技术。
后端控制器的数据通过总线和服务器在Web界面显示出来,而Web界面上按钮的点击指令也可以通过前后端的数据交互传递到控制器实现对现场设备的控制。
3)网页格式使用aspx格式动态刷新。
aspx是文件后缀名称,其把页面设计和程序设计以不同的文件形式分离开,方便后期维护,是目前比较流行的动态网页格式之一。动态网页的显著特点是信息交互容易、更新及时、页面文件少、开发速度比较快[6]。
4)对局部控件的刷新技术。
传统的网页更新模式是请求——等待服务器响应——重新加载(屏幕刷新),为全局刷新,对网页全局刷新会增加服务器资源的消耗从而造成网页界面短暂的白屏、闪烁、迟滞等不良现象[7]。而对控件的局部刷新技术只对界面中的特定控件中的内容进行更新,不会占用服务器太多资源[8]。同时它的请求是由Javascript在后台发出,并且是异步发送,不会打断用户当前的操作,所以使用起来感觉更加流畅[9]。文中对控件的局部刷新采用＄.ajax方法,代码如下：
＄.ajax({
type: “POST”,
//提交的类型
url: “Default.ashx”,
//提交地址
data: “ajaxdata”,
//参数
success: function(data){
//回调方法
alert( “Data Saved: ” + data );
//这里是方法内容,和上面的get方法一样
}
});
3 监控系统的设计与工作流程
智能建筑用电设备节能监控系统主要分成三个部分：现场设备部分、中央管理部分部分和远程监控部分。现场设备部分包括电器以及其控制器,中央管理部分包括网络服务器和数据库,现场设备部分和中央管理部分通过总线RS485连接,中央管理部分和远程监控部分通过局域网连接。本文主要讨论的是远程控制部分的工作流程,智能建筑用电设备节能监控系统架构如图2所示。
图2 控制平台系统架构
3.1 软件的刷新和控制
软件的刷新过程如图3所示。用户进入指定网址后输入正确的账号和密码即可进入控制平台的界面,然后开始加载网页,接着判断定时刷新是否到达,未到达则继续等待,若触发了定时刷新,则Ajax接口触发程序读取现场设备数据,然后Ajax接口返回数据到前端缓存,接着局部控件刷新显示最新内容。刷新结束后程序继续等待定时的到来,重复上述步骤。
图3 软件的定时刷新过程
软件的控制流程如图4所示。用户进入指定网址后输入正确的账号密码即可进入控制平台的界面,然后开始加载网页,接着判断是否有点击控件触发事件。没有点击则继续等待,若有点击控件触发,则Ajax接口与后台程序联动控制现场设备从而得到现场设备控制结果,Ajax接口返回数据到前端缓存,进而局部控件刷新显示最新内容,然后结束当次程序运行。
3.2 UDP通信
用户数据包协议(User Datagram Protocol,UDP),是开放式系统互联(Open System Interconnection, OSI)参考模型中一种无连接的传输层协议,提供面向事物的简单不可靠信息传送服务。
远程管理控制平台需要与现场设备的统一控制器进行数据交互,进行网络通信从而达到控制目的,而两者之间网络通信采用的是UDP通信机制。
使用UDP协议主要有三个优点：对握手过程进行简化,减少网络通信的往返次数；对安全传输层协议(Transport Layer Security protocol, TLS)加解密过程进行优化；收发速度快,无阻塞[10]。
UDP通信模式为：数据打包,将数据包发往目的地；接收别人发的数据包,然后读取数据包内容。
UDP协议在传送数据前不需要首先建立连接,对方收到数据后也不会有确认行为,这样不能保证数据传送的可靠性和完整性,但是其通信方式简单有效,它的实时性远远好于传输控制协议/因特网互联协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP)协议,所以在要求实时控制现场设备的前提下,使用UDP通信比较符合设计的要求[11]。
图4 软件的控制流程
4 监控系统的应用效果
控制界面主要包括用户登录、照明控制系统、风扇与空调控制系统、能耗分析系统和能耗报表系统。各部分功能分析如下：
1)照明控制系统。主要实现对灯的远程网络控制,可单独控制一个灯,也可以通过区域总控开关来控制该区域的灯,熄灯的时候颜色为灰色,开灯的时候颜色为黄色。当总控开关处于断开状态时,控制区域相应的灯会弹出警告提示框。
2)风扇与空调控制系统。主要实现对风扇和空调的网络远程控制,可单独控制任何一台风扇或空调,也可以通过区域总控开关来控制该区域的风扇或空调。风扇处于关机状态时为灰色图标并有红色“关闭”按钮提示,风扇处于开机运行状态时为转动的天蓝色图标并有青色按钮“档位”(如1、2、3档)；空调处于关机状态时为灰色图标,空调处于开机状态时为蓝色图标。空调系统具备与实际遥控器一样的使用功能,有“状态”“功能”“温度”“风量”等功能,贴近真实,内容丰富。风扇与空调控制界面如图5所示。
3)能耗分析。能耗分析系统主要以趋势图来展示用电设备的用能统计情况。统计内容包括：总用能、照明用能、风扇用能、空调用能。趋势图可以是：曲线图、折线图、柱状图、条形图、散点图。时间类型可以是：日用能、本周用能、本月用能、本年用能、自定义。能耗分析趋势如图6所示。
图5 风扇与空调控制界面
图6 能耗分析趋势
5 结语
本文以华南某大学一实验室内电气设备为基础,构造一个远程控制平台,实现了对实验室设备的远程控制。基于Web方式的实现大大提高了控制的便利性,另外控制平台提供了能耗分析图可以为节能减排提供参考依据。不足之处在于目前只是局限于实验室环境的应用,系统规模小,下一步的研究方向应该是将系统扩展为大系统,数据库进一步完善,扩大该平台的应用范围。
