智能家居系統(tǒng)的組網(wǎng)及移動端控制實(shí)現(xiàn)

高延增+鄧毅華

摘 要：介紹一種智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)及移動端控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)?？刂浦行挠汕度胧椒?wù)器構(gòu)建，采用ZigBee將家居設(shè)備組成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，然后通過本地WiFi接入的移動App提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù);云服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)為家居控制中心提供云服務(wù)、為移動App提供外網(wǎng)接入功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，達(dá)到實(shí)際需求，適合家居系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能家居;ZigBee;云服務(wù)器;移動應(yīng)用

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

物聯(lián)網(wǎng)的目的[1，2]是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制，就像人們對智能家居設(shè)備的監(jiān)控需求。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展及智能手機(jī)的普及，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，傳統(tǒng)的家居系統(tǒng)安全性、易用性、舒適性差，無法滿足人們需求，于是要求借助于智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“安全的、方便的、可視的、實(shí)時(shí)的”家居控制系統(tǒng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)大潮下的智能家居行業(yè)具有廣闊的前景，就目前的發(fā)展趨勢分析，預(yù)計(jì)在今后的幾年全球?qū)⒂薪鼉|的家庭構(gòu)建智能家居系統(tǒng)[4]。一個(gè)智能家居系統(tǒng)成功的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置是否經(jīng)濟(jì)合理并且系統(tǒng)能否成功運(yùn)行，系統(tǒng)的使用、管理和維護(hù)是否方便以及系統(tǒng)或產(chǎn)品的技術(shù)是否成熟適用[5]。

在智能家居應(yīng)用中，人們需要隨時(shí)隨地控制家居設(shè)備，這就需要一個(gè)后臺隨時(shí)為智能家居系統(tǒng)提供接入服務(wù)。而云服務(wù)融合了分布式計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大規(guī)模資源管理等技術(shù)，其涵蓋了數(shù)據(jù)中心管理、資源虛擬化、海量數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)安全等重要內(nèi)容[6]，非常適合為智能家居系統(tǒng)提供后臺服務(wù)。ZigBee技術(shù)的功耗低、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、抗干擾性能好、可靠、安全等特點(diǎn)[7]，非常適合用于智能家居系統(tǒng)中家居設(shè)備與家居服務(wù)器之間的組網(wǎng)。鑒于智能手機(jī)的普及程度，若以設(shè)計(jì)合理的手機(jī)端應(yīng)用程序作為整個(gè)智能家居系統(tǒng)的用戶接口，將在提高用戶體驗(yàn)的同時(shí)降低系統(tǒng)成本。

本文作者綜合家居活動特點(diǎn)對家居設(shè)備進(jìn)行分類，在對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行用例分析的基礎(chǔ)上給出了智能家居系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖及軟件體系結(jié)構(gòu)，并給出了移動接入App的實(shí)現(xiàn)效果。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定可靠，方便管理、維護(hù)、升級的智能家居系統(tǒng)。

1 ?智能家居系統(tǒng)分析

1.1 ?家居常見設(shè)備分析

根據(jù)家居活動的特點(diǎn)，可將家居設(shè)備分為圖 1所示的三大類：（1）生活、安防類，此類家居設(shè)備滿足家庭成員的日常生活起居、防火防盜等基本需求，是必不可少的家居設(shè)備;（2）娛樂、休閑類，是主要家居設(shè)備，是家庭成員工作、學(xué)習(xí)之余在家庭中進(jìn)行的主要活動，此類設(shè)備功能要求較多、接口較為復(fù)雜、控制方式要求多樣;（3）工作、社交類，是家庭成員居家工作、學(xué)習(xí)、及支撐家庭社交的設(shè)備，此類設(shè)備對數(shù)據(jù)通信的速度、穩(wěn)定性等要求較高。

從圖 1中對家居設(shè)備的接口類型分析可知，需要通過兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)：（1）對部分家居設(shè)備的通信接口進(jìn)行改造，方便其與其它家居設(shè)備的通信并實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng);（2）需要一個(gè)控制中心將家居設(shè)備中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量小的設(shè)備進(jìn)行集中管理實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

圖1 ?家居設(shè)備組成框圖

1.2 ?智能家居系統(tǒng)用例分析

將智能家居系統(tǒng)分為家庭控制中心子系統(tǒng)、云服務(wù)器、移動接入App三個(gè)子系統(tǒng)，對每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行用例分析。

（1）家庭控制中心子系統(tǒng)

以物聯(lián)網(wǎng)的思想構(gòu)建智能家居的家庭控制中心子系統(tǒng)。在局域網(wǎng)中，家庭控制中心充當(dāng)移動接入App的服務(wù)器;在廣域網(wǎng)中，移動App通過接入云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對家庭控制中心的訪問和控制?？刂浦行淖酉到y(tǒng)是將家居設(shè)備的采集信號、控制信號進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的中繼，具體的用例分析如圖2。

圖2 ?家庭控制中心子系統(tǒng)用例

智能家居的家庭端控制中心設(shè)計(jì)為基于Arm + Linux的嵌入式系統(tǒng)，它的運(yùn)算和存儲能力都有限，因此對于大數(shù)據(jù)的存儲和比較耗費(fèi)計(jì)算資源的智能運(yùn)算都由后臺的云服務(wù)器承擔(dān)。智能家居系統(tǒng)的用戶通過移動端App接入，當(dāng)處在控制中心同一子網(wǎng)時(shí)，直接接入家庭端控制中心，在廣域網(wǎng)時(shí)通過云服務(wù)器監(jiān)控智能家居設(shè)備。一方面，提高用戶體驗(yàn);另一方面，最大限度為用戶節(jié)省移動上網(wǎng)資費(fèi)。

（2）云服務(wù)器

云服務(wù)器的用例分析用例如圖 3，智能家居系統(tǒng)中的云服務(wù)器為眾多安裝了智能家居系統(tǒng)的家庭提供服務(wù)，是所有智能家居系統(tǒng)的后臺。云服務(wù)器為智能家居家庭控制中心提供復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算、信息識別、大數(shù)據(jù)存儲等服務(wù)，為移動App提供遠(yuǎn)程監(jiān)控智能家居服務(wù)等。角色劃分為家庭控制中心、移動接入App。家庭控制中心負(fù)責(zé)將采集到的重要家居設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（如安防設(shè)備狀態(tài)）上傳給云服務(wù)器、請求服務(wù)器的云計(jì)算服務(wù)等;移動接入App負(fù)責(zé)智能家居用戶與云服務(wù)器的交互，負(fù)責(zé)根據(jù)接收到的用戶指令進(jìn)行家居設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、家庭社交等。

（3）移動接入App

移動App是用戶與智能家居系統(tǒng)的接口，通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)監(jiān)控智能家居設(shè)備。用例分析如圖 4，每個(gè)家庭有一個(gè)管理員用戶對其所在的智能家居系統(tǒng)普通成員進(jìn)行管理。在局域網(wǎng)中用戶直接與家庭控制中心相連，廣域網(wǎng)中通過云服務(wù)器與家庭控制中心相連。

2 ?智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ?系統(tǒng)架構(gòu)

從前面對家居常見設(shè)備的分析可知，由于通信接口多樣，要將所有家居設(shè)備單獨(dú)連網(wǎng)較困難，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)家庭服務(wù)器作為家居設(shè)備的控制中心，負(fù)責(zé)家居設(shè)備與手機(jī)端移動App、后臺云服務(wù)器連接的中繼。基于云計(jì)算的智能家居數(shù)據(jù)服務(wù)中心是未來的發(fā)展方向[8]，是智能家居的數(shù)據(jù)、計(jì)算、服務(wù)中心。移動App是指工作于智能手機(jī)上的、方便用戶對擁有的智能家居設(shè)備進(jìn)行控制的專用軟件，它使用戶隨時(shí)隨地、直接或間接（通過云服務(wù)器）與家庭端智能家居服務(wù)器通信。

圖3 ?云服務(wù)器用例圖

圖4 ?移動App用例圖

智能家居三個(gè)子系統(tǒng)的架構(gòu)關(guān)系如圖 5所示。后臺云服務(wù)器為每個(gè)使用智能家居的家庭提供一個(gè)虛擬服務(wù)，與家庭中基于Arm+Linux的服務(wù)中心相連，為家居中的防火、防盜等安防設(shè)備提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析服務(wù)，為門禁系統(tǒng)的視頻設(shè)備提供視頻識別、情景歸類等計(jì)算服務(wù);同時(shí)為家庭用戶提供實(shí)時(shí)外網(wǎng)接入功能。智能家居家庭服務(wù)器端通過一個(gè)專用的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與智能家居設(shè)備上的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)對它們的監(jiān)控，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和復(fù)雜運(yùn)算請求通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到后臺云服務(wù)器;同時(shí)它還通過WiFi為移動App提供局域網(wǎng)接入功能。移動App和瀏覽器直接面向用戶，為用戶提供家居設(shè)備的監(jiān)控接口。

圖5 ?智能家居系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 ?軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過用例分析，整個(gè)智能家居軟件分為4層：表現(xiàn)層、通訊層、本地處理層、服務(wù)層，見圖6。

表現(xiàn)層又分家居設(shè)備表現(xiàn)層和移動App表現(xiàn)層，提供用戶操作接口（包括圖形界面），是用戶通過網(wǎng)絡(luò)或直接對家居設(shè)備進(jìn)行控制的接口。

通訊層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)間的通訊，通過ZigBee連接的家居設(shè)備和家居服務(wù)器之間、家居服務(wù)器和云服務(wù)器之間、移動App和家居服務(wù)器之間、移動App和云服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這包括ZigBee節(jié)點(diǎn)間通信、WiFi本地服務(wù)、多進(jìn)程管理、云服務(wù)器虛擬資源調(diào)度等。

本地處理層工作在家居服務(wù)器中，包括本地?cái)?shù)據(jù)處理、本地運(yùn)算處理兩個(gè)主要功能。具備本地身份驗(yàn)證、家居設(shè)備指令處理、本地?cái)?shù)據(jù)存儲等功能。

云服務(wù)器層是整個(gè)智能家居系統(tǒng)中的核心層級，提供數(shù)據(jù)組織與管理、數(shù)據(jù)集成與管理、分布式并行處理、數(shù)據(jù)分析服務(wù)等。

圖6 ?智能家居層級架構(gòu)圖

2.3 ?移動App應(yīng)用效果

手機(jī)端App的應(yīng)用效果如圖 7，程序主界面由三行兩列的列表視圖構(gòu)成。列表主界面的前兩行能夠左右滑動，用戶可以通過左右滑動找到家居設(shè)備的控制按鈕進(jìn)入對應(yīng)的控制界面。最下面一行是設(shè)置按鈕和退出按鈕，用戶可以通過設(shè)置按鈕進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、用戶參數(shù)、以及家居服務(wù)器屬性參數(shù)設(shè)置的選擇界面然后進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)置界面。整個(gè)用戶界面較為簡潔，操作方便。

圖7 ?移動App主界面效果圖

3 ?結(jié) ?語

本文以云服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)的思想為指導(dǎo)設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了家居設(shè)備的本地和遠(yuǎn)程控制。由家居服務(wù)器、云服務(wù)器、手機(jī)移動App三部分組成的智能家居系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展及增值服務(wù)，例如可以在云服務(wù)器上擴(kuò)展以家庭為單位的社交服務(wù)，方便鄰里及親屬之間的互動，有利于和諧社會的構(gòu)建。進(jìn)一步研究的重點(diǎn)為：（1）整合家居中已有的智能設(shè)備、降低智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用成本;（2）進(jìn)一步完善云服務(wù)器功能，增加用戶粘度 。

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