孟 欣，游 彬，陳科明

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江 杭州 310018)

基于分布式存儲的照明系統(tǒng)實時同步機制

孟 欣，游 彬，陳科明

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江 杭州 310018)

以服務器為中心的集中式信息同步機制已無法滿足現(xiàn)代智能照明系統(tǒng)多用戶、內(nèi)外網(wǎng)同時操作的需求，提出了一種基于分布式存儲的照明系統(tǒng)實時信息同步機制，實現(xiàn)了多用戶之間信息的實時同步，同時也實現(xiàn)了多用戶局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的同時操控.實際應用測試表明,系統(tǒng)的同步良好.

分布式；信息同步；智能照明系統(tǒng)

0 引 言

近年來，智能技術與LED照明技術的結合創(chuàng)造了嶄新的照明文化.智能照明系統(tǒng)向多平臺、多用戶、多網(wǎng)絡的方向發(fā)展.目前典型的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)中，照明燈具通過WiFi、ZigBee、私有協(xié)議等與網(wǎng)關互聯(lián)互通[1-2]，網(wǎng)關統(tǒng)一接入互聯(lián)網(wǎng)，與服務器、手機等進行通信[3].基于此架構，系統(tǒng)滿足多終端(微信、蘋果、安卓)對照明燈具的操作，并實現(xiàn)了多用戶局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的同時操控[4].但是，系統(tǒng)的機制無法實現(xiàn)信息的實時同步.

智能系統(tǒng)的實時信息同步機制已經(jīng)有大量的研究成果，文獻[5-6]結合云計算和消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport, MQTT)技術，訂閱者通過訂閱特定話題，得到話題的所有消息，從而實現(xiàn)了信息的實時同步.文獻[7]采用HTTP協(xié)議，客戶端通過對云端數(shù)據(jù)庫的查詢獲得系統(tǒng)的實時信息.以上機制都是將系統(tǒng)信息存儲于服務器，用戶所需信息必須通過互聯(lián)網(wǎng)從服務器獲取，不能在局域網(wǎng)內(nèi)運行，無法滿足用戶內(nèi)外網(wǎng)同時操作的需求.為此，本文提出了基于分布式存儲的照明系統(tǒng)，實現(xiàn)了多用戶之間的信息實時同步，在沒有互聯(lián)網(wǎng)的情況下，系統(tǒng)也能正常工作.

1 基于分布式存儲的信息實時同步機制

目前，在家庭智能照明系統(tǒng)中，用戶主要通過手機APP來控制燈具的狀態(tài).系統(tǒng)的信息同步主要指手機APP上的用戶信息和系統(tǒng)實際狀態(tài)的同步.在系統(tǒng)運行中，信息同步主要包括兩個方面：APP在開啟時，通過查詢方式獲得系統(tǒng)的實時狀態(tài)，實現(xiàn)信息同步；燈具狀態(tài)變化時，系統(tǒng)主動向多個用戶通知狀態(tài)的改變，從而實現(xiàn)信息同步.

1.1 信息的分布式存儲方案

傳統(tǒng)的集中式信息存儲如圖1所示，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)從服務器獲得系統(tǒng)信息.本文提出的分布式信息存儲如圖2所示.在用戶家庭中，手機與網(wǎng)關處于同一個局域網(wǎng)內(nèi)，不需要服務器和互聯(lián)網(wǎng)的參與就能直接進行信息的交互，交互速度更快，運行成本更低.本文將用戶控制所需的系統(tǒng)信息分成3部分：服務器存儲燈具與房間的邏輯關系；網(wǎng)關保存無線網(wǎng)絡的狀態(tài)信息；智能燈具保留燈具的狀態(tài).燈具與房間的邏輯關系可由用戶設置，用戶APP通過互聯(lián)網(wǎng)與服務器進行同步.當用戶無法連接互聯(lián)網(wǎng)時，用戶先在本地保存相關信息，等待下次互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡質(zhì)量良好時再進行信息的同步.無線網(wǎng)絡的狀態(tài)信息包括集中器地址、節(jié)點地址等，可直接通過局域網(wǎng)獲得.由于受到多個用戶的操控，用戶通過局域網(wǎng)訪問網(wǎng)關得到燈具狀態(tài)的實時信息，燈具的狀態(tài)包括開關、亮度、顏色等.

圖1 集中式信息存儲

圖2 分布式信息存儲

1.2 信息同步的實現(xiàn)

用戶信息的同步實現(xiàn)主要包括兩個方面.一方面，在APP開啟時，進行網(wǎng)絡檢測，同步燈具與房間的邏輯關系，向網(wǎng)關查詢無線網(wǎng)絡的狀態(tài)信息后，向智能燈具讀取燈具的最新狀態(tài)，實現(xiàn)用戶開啟APP時的系統(tǒng)信息的實時同步；另一方面，當APP對智能燈具進行操作時，發(fā)送命令幀到燈具，燈具進行反饋，網(wǎng)關主動廣播給同一網(wǎng)關的其他用戶，從而實現(xiàn)多用戶的信息實時同步.

1.2.1 APP開啟時信息的同步

當APP被用戶打開后，整個系統(tǒng)信息同步的流程圖如圖3所示.

1)通過與服務器的信息交互，完成燈具與房間的邏輯關系更新.用戶完成登錄后，軟件后臺判斷是否能夠連入互聯(lián)網(wǎng)，若不能，使用本地數(shù)據(jù)庫的信息，直接跳到步驟2.若可以連接，發(fā)送當前網(wǎng)關的版本號請求，請求成功后，與本地數(shù)據(jù)庫版本號進行比較，若版本號一致，則本地數(shù)據(jù)庫的邏輯關系為最新信息，直接跳到步驟2.否則將發(fā)送網(wǎng)關信息請求，將云端返回的JSON數(shù)據(jù)進行解析，覆蓋本地數(shù)據(jù)庫信息，如圖4所示.

2)與網(wǎng)關進行通信，完成無線網(wǎng)絡的狀態(tài)信息更新.APP后臺發(fā)送查詢命令到網(wǎng)關，網(wǎng)關返回無線網(wǎng)絡信息.返回的信息包括入網(wǎng)燈具的IP和MAC地址，是否在線等信息.

3)與燈具進行信息交互，完成燈具的狀態(tài)查詢更新.依次將步驟2讀取到地址的全部燈具按照查詢幀的格式發(fā)送給網(wǎng)關，網(wǎng)關得到數(shù)據(jù)后，輪詢發(fā)送給該網(wǎng)關的燈具，燈具將數(shù)據(jù)打包返回給網(wǎng)關，網(wǎng)關將數(shù)據(jù)返回到客戶端.APP進行數(shù)據(jù)處理后，將用戶界面進行更新.此時完成APP開啟時的系統(tǒng)信息同步.

圖3 APP開啟時信息更新流程圖

圖4 更新燈具與房間的邏輯關系流程圖

1.2.2 APP對智能燈具操作時的信息同步

圖5 多用戶燈具的狀態(tài)同步

當客戶端處于內(nèi)(外)網(wǎng)模式時，客戶端通過局域網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))發(fā)送燈具的命令幀到網(wǎng)關，網(wǎng)關解析命令幀中的目標地址，通過射頻信號發(fā)送到特定的智能燈具.智能燈具執(zhí)行命令后，回復狀態(tài)幀到網(wǎng)關，網(wǎng)關將此狀態(tài)幀主動廣播給其余客戶端，客戶端接收到狀態(tài)幀后，解析處理，完成多用戶數(shù)據(jù)信息的同步.因此，單用戶使用APP對燈具進行操作時，該網(wǎng)關的所有在線用戶均可得到該智能燈具狀態(tài)的實時信息.

多用戶同步如圖5所示，假設用戶A對智能燈具1進行操控，同一局域網(wǎng)的用戶B，C，F(xiàn)將接收到網(wǎng)關主動廣播的燈具1的狀態(tài)回復幀，用戶D，E也將收到由互聯(lián)網(wǎng)轉發(fā)過來的狀態(tài)幀.此時若網(wǎng)關不能連入互聯(lián)網(wǎng)，用戶A，B，C，F(xiàn)也能實現(xiàn)多用戶對系統(tǒng)的準確操作.

2 分布式存儲機制的測試及其應用

本文提出的機制已成功應用于某科技有限公司的智能照明系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了多用戶、多終端同時操控，支持內(nèi)網(wǎng)(局域網(wǎng))模式和外網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))模式.搭建小型測試系統(tǒng)，系統(tǒng)包括6盞智能燈具、3只手機客戶端、1個智能網(wǎng)關，分別進行服務器集中式存儲和分布式存儲的信息同步時間的測試.

2.1 APP開啟時的信息同步時間

本文進行了1 000次APP開啟時系統(tǒng)信息更新的平均時間的測量.用戶打開APP獲取系統(tǒng)信息的實時時間如表1所示.

表1 APP開啟時的信息同步時間 ms/次

從表1中可以看出，采用服務器集中式存儲比分布式存儲平均多消耗近1 000 ms.

2.2 APP對燈操作時的信息同步時間

本文進行了1 000次的單用戶對智能燈具操作，多用戶燈具信息同步的平均時間測量，如表2所示.

表2 APP對燈操作時的信息同步時間 ms/次

從表2中可以看出，采用服務器集中式存儲是分布式存儲對燈操作信息同步時間的近3倍.通過以上分析可知，采用分布式存儲信息的照明系統(tǒng)同步速度快.在實際使用中，用戶可以同時操控100盞照明燈具，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好.

3 結束語

在照明系統(tǒng)應用中，本文采用基于分布式存儲的實時信息同步機制，實現(xiàn)了系統(tǒng)信息的實時同步，滿足了內(nèi)外網(wǎng)、多用戶、多平臺同時操作的需求，符合現(xiàn)在智能家居的發(fā)展方向，具有較高的市場應用價值.

[1]喬季軍,王德宇,李玉琳,等.融合ZigBee與WiFi無線技術智能家居系統(tǒng)的設計[J].自動化儀表,2015,36(12):48-51.

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[3]BANNAMAS S, JIRAPONG P. An intelligent lighting energy management system for commercial and residential buildings[C]//Smart Grid Technologies-Asia (ISGT ASIA), 2015 IEEE Innovative. IEEE, 2015: 1-6.

[4]邵鵬飛,王喆,張寶儒.面向移動互聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究[J].計算機測量與控制,2012,20(2):474-476.

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A Mechanism of Real-time Synchronization Based on Distributed Storage in Lighting System

MENG Xin, YOU Bin, CHEN Keming

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The centralized synchronization based on a central server mode can’t meet the requirement of the intelligent lighting system, in which more than one user simultaneously operates between the internal and external networks. A real-time information synchronization mechanism for lighting system based on distributed storage is proposed, which not only can realize the real-time synchronization of information among multiple users, but also can allow multi-users to control through local area network or the internet at the same time. The practical application test shows that the synchronization of the system is pretty good.

distributed; information synchronization; intelligent lighting system

10.13954/j.cnki.hdu.2017.01.007

2016-09-14

孟欣(1991-)，女，江蘇徐州人，碩士研究生，物聯(lián)網(wǎng)技術.通信作者:游彬副教授，E-mail:youbin@hdu.edu.cn.

TP273+.5

A

1001-9146(2017)01-0029-03