廖海波，杜亮，鄭方雄，沈心怡，蔣媛

　　（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶 400065）

       摘要：為了改善目前智能家居Web應(yīng)用數(shù)據(jù)交互的實時性和帶寬資源浪費的問題，通過對Ajax輪詢技術(shù)與WebSocket技術(shù)在B/S模型下性能分析比較，提出在智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中引用WebSoket技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方法，從而實現(xiàn)Web端數(shù)據(jù)的實時更新顯示。并在實例中通過JAVA后臺技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，證明了此方法的可行性。

　　關(guān)鍵詞：智能家居；WebSocket; 輪詢；JAVA后臺

　　中圖分類號：TP79文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.004

　　引用格式：廖海波，杜亮，鄭方雄，等.WebSocket在智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（7）：12-14,18.

0引言

　　隨著Web3.0的到來，HTML5的飛速發(fā)展，瀏覽器的功能日益增強，Web應(yīng)用的流暢性和用戶體驗性已越來越不輸原生的APP應(yīng)用［12］，再加上Web應(yīng)用天然的跨平臺性和服務(wù)器動態(tài)更新功能，使得基于B/S模型的智能家居Web應(yīng)用成為未來智能家居應(yīng)用主流模式的可能。智能家居Web應(yīng)用的重要部分之一是數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的實時性［35］，在已往的Web應(yīng)用設(shè)計之中通常使用Ajax來進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時更新，但這種通過輪詢（Polling）來不斷請求服務(wù)器應(yīng)答的方式會造成大量的資源浪費，特別是每次HTTP請求的HEADER會占用很多的帶寬，對整個Web應(yīng)用的性能會產(chǎn)生一定的影響［6］。因此，本文引進(jìn)了一種新的前后臺交互技術(shù)——WebSocket，來解決Ajax產(chǎn)生的不足，進(jìn)而提高智能家居Web應(yīng)用的性能。

1WebSocket概述

　　WebSocket是由HTML5提供的用于Web端與服務(wù)端之間全雙工通信的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

　　2011年,互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)標(biāo)準(zhǔn)化了WebSocket協(xié)議并寫入RFC6455草案中，萬維網(wǎng)聯(lián)盟(W3C)標(biāo)準(zhǔn)化了WebSocket協(xié)議在HTML5規(guī)范中的API接口［7］。WebSocket的使用非常靈巧，Web端與服務(wù)端只需進(jìn)行一次簡單的握手連接，它們之間就形成一條專用通道，兩者就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)互相傳送。

　　傳統(tǒng)的提供Web應(yīng)用實時數(shù)據(jù)更新的方法主要有輪詢和其他的服務(wù)器推送技術(shù)，比較流行的是Comnet技術(shù)。Comnet通常利用長輪詢（Long polling）或流連接策略將半雙工通信模擬成HTTP上的全雙工通信。雖然這種模擬的全雙工通信實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時性，但是實時數(shù)據(jù)是不可預(yù)測的，不可避免地會產(chǎn)生一些不必要的請求，造成大量的資源浪費。而WebSocket是基于事件觸發(fā)的全雙工通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它比輪詢有更小的延時，從而擁有更高的實時性。

　　WebSocket與輪詢之間的延時對比如圖1所示。從圖1可以看出，輪詢方式每次響應(yīng)消息之前都必須進(jìn)行一次請求，每次請求都將消耗額外的時間。而在WebSocket方式下，服務(wù)端與Web端只需進(jìn)行一次請求握手連接，連接成功之后，Web端就可以在不用請求服務(wù)的情況下獲得服務(wù)端發(fā)送的消息。

2WebSocket應(yīng)用設(shè)計

　　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由智能醫(yī)療、家電控制、環(huán)境監(jiān)測、安防報警和能耗管理［8 9］五大部分組成。各底層傳感器設(shè)備通過無線傳感器協(xié)議（ZigBee、6LowPan等）將數(shù)據(jù)上傳圖1WebSocket與Polling延時對比圖給家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)通過Socket通信將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器則將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析保存到數(shù)據(jù)庫中，并作Web發(fā)布或消息推送給手機APP。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2WebSocket實時數(shù)據(jù)更新設(shè)計

　　智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)需要進(jìn)行實時更新的數(shù)據(jù)有智能醫(yī)療類的人體檢測數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、環(huán)境類數(shù)據(jù)和安防類數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的基于Ajax的輪詢方式進(jìn)行更新數(shù)據(jù)需要后臺程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)首先存入數(shù)據(jù)庫，當(dāng)前端發(fā)過來HTTP請求之后，再從數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)并封裝成XML或Json的格式傳回前端頁面。而WebSocket技術(shù)只需要服務(wù)器與瀏覽器建立WebSocket連接，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收到時即可將接收到的數(shù)據(jù)推送給Web端。這就省去了數(shù)據(jù)先入庫再讀取消耗的時間，增強了數(shù)據(jù)實時性。

　　為了實現(xiàn)WebSocket通信，系統(tǒng)使用JAVA編程語言編寫WebSocket的服務(wù)端程序。在設(shè)計過程中，采用映射內(nèi)存的方式實現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)共享;使用JAVA多線程連接技術(shù)，監(jiān)聽來自Web端WebSocket對象的連接請求。當(dāng)Web端向服務(wù)端發(fā)出一個連接請求時，服務(wù)端需要解析Web端的WebSocket握手信息，將HTTP協(xié)議升級到WebSocket協(xié)議并向客戶端返回應(yīng)答信息。服務(wù)端與Web端交互流程如圖3所示。

　　整個系統(tǒng)由Web端、WebSocket服務(wù)端和UDPServer服務(wù)端三部分組成。UDPServer開始執(zhí)行后將通過阻塞的方式接收來自家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，重要的數(shù)據(jù)將保存到數(shù)據(jù)庫作歷史查詢，實時數(shù)據(jù)則封裝成Json數(shù)據(jù)格式保存在內(nèi)存映射中，內(nèi)存映射中的數(shù)據(jù)供WebSocket服務(wù)端讀取。Web端在頁面加載完畢后初始化WebSocket接口并創(chuàng)建與服務(wù)器端WebSocket的連接，此時在Web端會綁定4個方法用于響應(yīng)4種不同的事件（onopen事件、onmessage事件、onerror事件和onclose事件），而在服務(wù)端則會生成一個WebSocket對象并初始化一個用于監(jiān)聽Web發(fā)送消息的方法。在建立連接之后，Web端就會觸發(fā)onopen事件，并向服務(wù)端發(fā)送一條消息，Websocket服務(wù)端監(jiān)聽到消息之后從內(nèi)存映射中取出實時的Json數(shù)據(jù)，并向Web端發(fā)送消息，Web端在接收到消息之后觸發(fā)onmessage事件，從而更新頁面數(shù)據(jù)。

3Websocket應(yīng)用的實現(xiàn)和測試

　　3.1應(yīng)用實現(xiàn)

　　為了驗證WebSokcet實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)更新方法的可行性，系統(tǒng)服務(wù)端配置為：Pentium 4處理器、CPU 主頻 2.9 GHz、內(nèi)存3.38 GB、操作系統(tǒng)為Windows 7、JDK 7、Web服務(wù)器為Tomcat 8。并以重慶郵電大學(xué)智能家居系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采集能耗數(shù)據(jù)，Web界面家庭能耗數(shù)據(jù)如圖4所示。

　　圖4智能家居能耗數(shù)據(jù)Web界面打開頁面之后，Web端通過var WebSocket =new WebSocket('ws:// 172.22.140.111:8080/WebSocket/websocketT')與服務(wù)端WebSocketServer建立連接。其中ws表示采用的WebSocket協(xié)議，172.22.140.111表示服務(wù)端IP地址，8080表示服務(wù)端對應(yīng)的端口，“WebSocket/websocketT”表示W(wǎng)ebSokcet的MAP。建立連接后，Web端和服務(wù)端就可以直接進(jìn)行通信。Web端接收到數(shù)據(jù)后觸發(fā)onMassege()方法，在此方法中通過var data = event.data 得到數(shù)據(jù)，由于得到的數(shù)據(jù)是String格式，所以還必須通過var JsonObject= eval("(" + data + ")") 將數(shù)據(jù)封裝為Json數(shù)據(jù)格式，最后就可以利用DOM模型得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)并在相應(yīng)的位置顯示出來。

　　3.2應(yīng)用測試驗證

　　由于WebSocket是全雙工通信方式，其實時性大于Ajax輪詢，所以本文只對兩種方式帶寬占用的情況進(jìn)行測試驗證。為了體現(xiàn)測試的公平性，兩種方法都搭建在同一個智能家居平臺上，采集相同的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)上傳的周期一定。測試工具為WebServer Stress Tool 7。測試結(jié)果如圖5如示，從圖中可以看出，WebScocket比Ajax輪詢明顯占用了更小的帶寬。

4結(jié)論

　　本文通過分析傳統(tǒng)Web應(yīng)用的前后臺數(shù)據(jù)交互中存在的缺點和局限，提出了智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用WebSocket技術(shù)的方案。并在基于JAVA語言編寫的后臺程序下實現(xiàn)了WebSocket技術(shù)在服務(wù)端和Web端之間的全雙工通信，最后通過在同一平臺上的測試，驗證了WebSocket擁有更高的實時性和更低的帶寬占用。為智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新的方法提出了一種新的嘗試。

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