智能家居通用管理平台-软件架构设计

Posted 2022-10-21 ionfox

    智能家居通用管理平台，以后简称平台SHP。
    SHP的任务之一：怎样管理不同厂家设备系统；任务二，不同设备系统中的物理设备如何交互？这两个核心功能如何设计，才能减少管理程序对具体设备的依赖？自然想到了操作系统对硬件设备的管理方式。您设想对了，那就是使用设备驱动程序。通过驱动程序抽象设备的操作、数据和功能。只要按照统一的接口标准来编写设备驱动程序，所有符合该接口标准的设备，都可以被SHP操作。
    那么第二个任务如何设计？不同厂家的设备之间是相互不认识的。目前流行的UPnP协议(通用即插即用)，是各种各样的智能设备、无线设备和个人电脑等实现遍布全球的对等网络连接（P2P）的结构。通过网关的地址转换，设备暴露自己的IP地址，从而实现TCP/IP通信交互。但对非智能设备，或者是使用RS232通信的设备，这种方式行不通。所以我们设计通用的监控机制，使用该机制来实现设备间的交互。先来看一个具体的例子，我们希望在冰箱的门半分钟未关时，SHP能及时发邮件到主人邮箱，并开启家里的音乐系统，使用语音提示来告知家人该情况的出现。
   首先我们下载并安装SHP，按说明书的操作配置好系统。运行界面如下：

    前三个设备的驱动，已经安装好了。智能冰箱模拟程序，在其他电脑上运行，清除上次配置后，会通过PNP机制自动连接上SHP。SHP包括两个核心程序，服务器程序SHS和设备监控程序SHM。对每个不同厂家的设备，SHS启动一个监控程序SHM。图中启动了四个监控程序。分别是：邮件发送监控程序，智能家居音乐系统监控程序，智能门锁、智能冰箱监控程序。接下来，我们设计“任务”，即当某些事件发生时，期望SHP来如何操作这些家庭设备，因为只有它知道所有的设备功能。

    下图是我们设计的一个叫“冰箱门打开了”的任务。

     可以按“手动执行”来测试一下结果。任务编号后，设置监控事件，即当检查到冰箱门未关报警信息时，SHP执行“冰箱门打开了”的任务。下图是该监控设置。

    我们在模拟冰箱程序中打开冰箱门，30秒后，SHP收到报警信号，您会在音乐系统的第一个播放器（共有12个播放器）里提到语音提示“冰箱门打开了，谁在家里？去关一下冰箱的门”，再检查您的邮箱，邮件也收到了。简单吧，任务机制的监控模式，实现了不同设备间的交互。
   下图是各子系统之间的通信示意图。

抽象后的软件通信结构图如下：

    这种通信方式，无需电商改变自己设备内部的工作方式，只需编写设备驱动程序即可，增加一些通信接口转换代码。
    SHS知晓设备驱动程序，通知SHM加载设备驱动程序去监控设备，SHS并不直接操控设备系统。设备驱动程序是关键，如何设计?先看一下系统解决方案，见下图。

    其中有个HomeLibrary的项目，定义了设备驱动开发的规范。展开后，在Device目录下看到有个叫ISmartHome.cs的文档，里面定义了设备的抽象接口，包括属性、方法、事件。见下图。

    ISmartHome.cs文档包含多个抽象接口，它们之间的关系见下图。

    说复杂也不复杂，但也不简单。ISmartHome接口定义了一个厂家的设备系统，其中可以包含多种不同的设备IHomeDevice，而IHomeDevice由六类不同的设备组成。目前看来，六类设备能很好的抽象家居设备系统。它们是数值量输入输出设备IDeviceDI, IDeviceDO；模拟量输入输出设备IDeviceAI, IDeviceAO；流输入输出设备IDeviceSI, IDeviceSO。理论上，这六类设备的组合可以描述任意复杂的设备。
    本节就介绍到此。下节介绍设备的通信方式和数据结构。下面是ISmartHome.cs文档的全部内容，免费开放。有兴趣的同行可以转载，但请注明来源。

namespace HomeLibrary.Devices

/// <summary>
/// 智能家居接口声明
/// copyright by 吴志辉
/// writted on 2014-04-13
/// </summary>
public interface ISmartHome // 智能家居接口，实现此接口的智能家居程序，必须为SmartHome类，不要改成其他类名！

#region 属性
string HomeName get; set; //某家智能家居家庭名称:神龙城99-2902
string Password get; set;     //访问某智能家居需要的密码
string FileName get; set;     //某家智能家居信息存储文件
List<IHomeDevice> HomeDevices get; set;   //所有设备列表：最主要属性，管理所有设备
#endregion

void SaveToFile();   //保存所有属性到文件
void ReadFromFile(string filename);     //从文件读取数据
void InitComm(object[] commObjects); //用于初始化通信对象：传递多个通信对象，如串口，Tcpsocket等

int GetDeviceCount();   //返回SH中登记的设备数量
IHomeDevice MakeNewHomeDevice();//建立新设备
void GetAllDeviceInfo();//获取所有设备的方法，空实现，则需要人工登记设备。

//---------以下为数据更新方法，无某类设备的，空实现即可---------------//
#region
bool GetDOState(int deviceID);//获取该设备DO输出电源状态的方法:厂家必须提供，如果有代码处理，返回true
bool GetDIState(int deviceID); //获取本设备DI输入状态的方法:厂家必须要实现
bool GetAOState(int deviceID);//获取本设备AO输出数据的方法:厂家提供，可能无用
bool GetAIState(int deviceID); //获取本设备AI输入状态的方法:厂家必须提供
bool GetSOState(int deviceID);//获取子设备SO输出数据的方法:厂家提供，可能无用
bool GetSIState(int deviceID); //获取子设备SI输入状态的方法:厂家必须提供
#endregion
//---------以下为输出控制方法，无某类设备的，空实现即可---------------//
#region
/// <summary>
/// 接通或断开某个子设备的方法
/// </summary>
/// <param name="deviceID">设备号</param>
/// <param name="subID">子设备号</param>
/// <param name="On">on=true表示接通，false表示断开</param>
void SendDO(int deviceID, ushort subID, bool On); //对DO输出设备，必须实现输出控制

/// <summary>
/// 往子设备发送数据，脉冲输出设备，也看作是AO设备
/// </summary>
/// <param name="deviceID">设备号</param>
/// <param name="subID">子设备号</param>
/// <param name="value">发送的参数，一般约定：value=0表示停止工作，value>0:正向工作， value小于0：反方向工作
/// value的意义由具体设备定义，如对调光开关，50表示亮度百分比：半亮。 对步进电机，-20，表示反转20转;允许使用
/// 多个参数，便于满足各类设备工作，如调节脉冲宽度和速度，可能需要多个参数 </param>
void SendAO(int deviceID, ushort subID, float[] value);  //对AO输出设备，必须实现输出控制

/// <summary>
/// 往子设备发送字节流，特定应用软件可视为SO设备：如语音朗读器，短信发送程序
/// </summary>
/// <param name="deviceID">设备号</param>
/// <param name="subID">子设备号</param>
/// <param name="value">发送的字节流，具体意义由设备解释 </param>
void SendSO(int deviceID, ushort subID, byte[] value);  //对SO输出设备，必须实现输出控制
#endregion
void ProcessDeviceStateData(byte[] states);   //厂家实现的通用处理接收数据的方法

public enum DeviceType : byte   //智能家居设备类型定义:只有6种设备

  Unknow = 0, DO = 1, AO = 2, DI = 3, AI = 4, SO = 5, SI = 6   //数值量输入输出设备，模拟量输入输出设备

public enum StreamType : byte //字节流的类型,对流设备SO，SI需要定义

  Unknow, TEXT,IMAGE,AUDIO,FILE,STRINGJSON

/// <summary>
/// 说明：一种设备，只能包含6类设备中的一类，但该类设备可以包含多个同类子设备
/// 比如一个DO开关设备，可以包含10个子开关，每个子设备可以被独立操作；如果一个
/// 设备在物理上包含了几类设备，如一个传感器设备，包含了二个温度传感器和一个湿
/// 度传感器，则应该被登记为两个设备，但设备编号DeviceID是一样的，方便物理设备
/// 的嵌入式程序编写
/// </summary>
public interface IHomeDevice : IWriteReadInterface//某智能家居的设备定义接口,抽象设备公用属性描述

   int DeviceID get; set; //同一公司的设备唯一识别码：必须唯一， 一般公同一设备生产不了21亿台，
   //所谓同一设备或系统，是指采用同一“智能家居驱动程序”的设备或系统
   bool Used get; set; //设备能否被使用或禁止，被禁用的设备可以不受监控
   // DeviceType DeviceType get; set;     //设备类型：只能包含6类设备中的一类 ：移到子设备中了：2014-05-21，吴志辉修改
string DeviceName get; set;                   //设备名称文本描述，如：调光开关
string PositionDescription get; set;         //设备位置信息描述：如客厅
string GetState(DeviceType DeviceType);//某子设备所有数据的文字描述，便于显示

IDeviceDO MakeNewDeviceDO();//建立新子设备
IDeviceDI MakeNewDeviceDI();//建立新子设备
IDeviceAO MakeNewDeviceAO();//建立新子设备
IDeviceAI MakeNewDeviceAI();//建立新子设备
IDeviceSO MakeNewDeviceSO();//建立新子设备
IDeviceSI MakeNewDeviceSI();//建立新子设备

int GetDODeviceCount();//返回DO子设备的数量
int GetDIDeviceCount();//返回DI子设备的数量
int GetAODeviceCount();//返回AO子设备的数量
int GetAIDeviceCount();//返回AI子设备的数量
int GetSODeviceCount();//返回SO子设备的数量
int GetSIDeviceCount();//返回SI子设备的数量

/// <summary>
/// 一个设备，可能包含几种不同类型的子设备列表，子设备编号的预定规则是：
/// 同类子设备的编号都从0开始。如一个开关设备：有10个DO开关子设备，4个
/// DI信号采集子设备，则DO子设备的编号是0--9， DI子设备的编号0-3.但他们
/// 的设备号是一样的。知道子设备编号和其类型，才能定位到具体的子设备！
/// 共有一下六种类型的子设备
/// </summary>
List<IDeviceDO> DODevices get; set;    //数值量输出子设备
List<IDeviceDI> DIDevices get; set;    //数值量输入子设备
List<IDeviceAO> AODevices get; set;    //模拟量输出子设备
List<IDeviceAI> AIDevices get; set;    //模拟量输入子设备
List<IDeviceSO> SODevices get; set;    //字节流输出子设备
List<IDeviceSI> SIDevices get; set; //字节流输入子设备

public interface IBaseDevice  //基础设备公共接口

DeviceType DeviceType get; set; //设备类型：只能包含6类设备中的一类
int ParentID get; set; //所属父设备的唯一识别码
ushort Id get; set;      //子设备编号：0---65535
int Tag get; set;         //用于特定设备的使用，可存储任何内容的“指针”，由厂家决定其存储内容
string UnitName get; set;   //数据单位的文本描述，如开关的“ON=true”的意思可以是“开”，“启动”，“运行”等
string FunctionDescription get; set;    //子设备功能描述：如客厅顶灯开关 

/// <summary>
/// 常闭开关：上电时断开，断电时接通
/// 常开开关：上电时接通，断电时断开
/// 这里“上电”，是指子设备的工作电源，参见PowerState
/// </summary>
public enum DOType : byte //DO开关类型

   Open, Close   //常开和常闭开关:

/// <summary>
/// DO开关设备的电源工作状态：即控制某子设备通断的工作电源
/// PowerON:子设备接通工作电源(如给继电器上电)；PowerOFF：子设备断开工作电源
/// </summary>
public enum PowerState : byte //开关的电源工作状态

  PowerON, PowerOFF

public class DataChangedEventArgs<T> : EventArgs   //定义数据变化的事件类：包含两个数据：发送者和具体内容（泛型）

public DataChangedEventArgs(object sender, T data)

  Sender = sender;
Data = data;

public Object Sender get; private set;
public T Data get; private set;

public delegate void DigitalDataChanged(DataChangedEventArgs<bool> e);   // 数值量处理方法的代理
public delegate void AnalogDataChanged(DataChangedEventArgs<float> e);   // 模拟量处理方法的代理
public delegate void StreamDataChanged(DataChangedEventArgs<byte[]> e);  // 字节流处理方法的代理

//以下6种设备的定义
#region 数值量输出DO设备接口
public interface IDeviceDO : IBaseDevice, IWriteReadInterface  //设备之一：数值量输出DO设备接口，如各类开关设备

#region 添加新的属性接口
DOType DoType get; set; //开关类型：长开dtOpen
PowerState PowerState get; set; //开关电源状态，DoType和PowerState共同决定DO子设备的接通或断开状态ON
bool ON get; //true表示接通，false表示断开,有DoType和PowerState属性共同决定，是个计算字段

string PictureON get; set; //接通时的图形文件名
string PictureOFF get; set;    //断开时的图形文件名

#endregion

event DigitalDataChanged OnDigitalDataChanged;  //当数据变化时，通知应用程序的事件。

以下5类设备类似

#endregion

#region 模拟量输出AO设备接口
public interface IDeviceAO : IBaseDevice, IWriteReadInterface  //设备之二：模拟量输出设备接口，如调光开关，恒温器

   float AoValue get; set;    //子设备的当前值，厂家负责把AoValue值转换为与计量单位名称相符的值,可能没有用，但保留
  byte DotPlace get; set; //小数点位数
  string Picture get; set; //显示的图形文件名
  event AnalogDataChanged OnAnalogDataChanged;

#endregion

#region 数值量输入DI设备接口
public interface IDeviceDI : IBaseDevice, IWriteReadInterface  //设备之三：数值量输入设备接口，如门磁，红外传感器

   bool HasSignal get; set;    //子设备是否有信号 HasSignal=true
  string PictureON get; set; //有信号时的图形文件名
  string PictureOFF get; set;    //无信号时的图形文件名
  event DigitalDataChanged OnDigitalDataChanged;

#endregion

#region 模拟量输入AI设备接口
public interface IDeviceAI : IBaseDevice, IWriteReadInterface  //设备之四：模拟量输入设备接口，如压力传感器，温度传感器

  float AiValue get; set; //子设备的当前值，厂家负责把AiValume值转换为与计量单位名称相符的值
  byte DotPlace get; set; //小数点位数
  string Picture get; set; //显示的图形文件名
  event AnalogDataChanged OnAnalogDataChanged;

#endregion

#region 字节流输出设备接口
public interface IDeviceSO : IBaseDevice, IWriteReadInterface  //设备之5：字节流输出设备接口：如语音朗读器

  StreamType StreamType get; set; //流类型
  byte[] SoValue get; set;    //子设备输出的当前值
  string Picture get; set;    //显示的图形文件名
  event StreamDataChanged OnStreamDataChanged;  //当输出数据时，通知应用程序的事件。

#endregion

#region 字节流输入设备接口
public interface IDeviceSI : IBaseDevice, IWriteReadInterface  //设备之6：字节流输入设备接口：如摄像头

  StreamType StreamType get; set; //流类型
  byte[] SiValue get; set;    //子设备输入的当前值
  string Picture get; set;    //显示的图形文件名
  event StreamDataChanged OnStreamDataChanged;  //当有输入数据时，通知应用程序的事件。

#endregion  

public interface IWriteReadInterface   //读写对象的接口，方便对象的文件存储

  void WriteToStream(BinaryWriter bw);//把对象写入流中
  void ReadFromStream(BinaryReader br);   //从流中读取数据