基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)

程洋　黃繪　劉鑫爽

【摘 要】基于物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，設(shè)計(jì)一種新型自主式的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)；詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的三層架構(gòu)模型，系統(tǒng)各層的設(shè)計(jì)方案和主要技術(shù)；經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)能夠依據(jù)用戶設(shè)定的狀態(tài)自主、安全和穩(wěn)定地運(yùn)行，多用戶可同時(shí)使用，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，方便維護(hù)和升級(jí)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) ZigBee CC2430 ASP.NET B/S架構(gòu)

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）06C-0184-03

近年來(lái)，被看作信息領(lǐng)域一次重大的發(fā)展和變革機(jī)遇的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展?！拔锫?lián)網(wǎng)”的概念由美國(guó)麻省理工學(xué)院自動(dòng)識(shí)別中心（Auto-ID）提出，主要以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識(shí)別技術(shù)為支撐。物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，也被世界各國(guó)作為未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)可應(yīng)用于智能家居、智能農(nóng)業(yè)、智能交通、智能電網(wǎng)、智能安防、智能醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著近十年世界范圍內(nèi)的IT產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，相應(yīng)的傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)也取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。我們國(guó)家居民生活水平顯著提高，對(duì)與自己息息相關(guān)的家居環(huán)境也有了新的、更高的要求。設(shè)計(jì)一種新型的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭溫度、濕度、亮度和煤氣濃度的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，用戶能夠設(shè)置家居內(nèi)相應(yīng)時(shí)段不同的溫度、濕度、亮度，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)用戶設(shè)置自動(dòng)監(jiān)控家居狀態(tài)，滿足日常生活。該系統(tǒng)模型比傳統(tǒng)的使用本地智能網(wǎng)關(guān)控制或家居內(nèi)計(jì)算機(jī)控制的智能家居模型更加便捷、實(shí)用、高效，在系統(tǒng)日常維護(hù)、平臺(tái)移植與擴(kuò)展、大數(shù)據(jù)管理等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

一般認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)典型的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)分為感控層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三大層次，本文設(shè)計(jì)的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層，分別負(fù)責(zé)家居內(nèi)基礎(chǔ)信息的采集和外設(shè)控制、系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)信息的傳遞、系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的管理和系統(tǒng)功能應(yīng)用等功能。圖2為該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，用戶家居處于感控層中，主要包括家居內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集和控制的相關(guān)傳感器和設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)層是一個(gè)智能網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)透?jìng)?，?yīng)用層是本系統(tǒng)服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收和處理網(wǎng)絡(luò)層上傳的數(shù)據(jù)，向感控層發(fā)送數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等。

二、感控層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的感控層在功能上分為兩部分：一是數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集主要是運(yùn)用傳感器對(duì)家庭內(nèi)的溫度、濕度、亮度、煤氣濃度狀態(tài)進(jìn)行基礎(chǔ)信息采集。執(zhí)行主要是負(fù)責(zé)接收和解析系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送來(lái)的控制命令，讀取或改變相應(yīng)外設(shè)（如燈具、空調(diào)等家電）的工作狀態(tài)。二是短距離無(wú)線通信。短距離無(wú)線通信主要用來(lái)完成像家居內(nèi)這種小范圍內(nèi)的多個(gè)物品的信息集中與傳遞。由于無(wú)線短距離通信技術(shù)具有靈活安裝、可移動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使其越來(lái)越多地被應(yīng)用于智能系統(tǒng)中。目前技術(shù)比較成熟和常用的無(wú)線短距離通信技術(shù)有：Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、超寬帶。本設(shè)計(jì)選用了ZigBee無(wú)線通信方式，它相比其他幾種通信方式具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時(shí)延、高容量等優(yōu)勢(shì)。

ZigBee協(xié)議的物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz共3個(gè)頻段上。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Router）、傳感器節(jié)點(diǎn)（EndDevice）三種負(fù)責(zé)不同功能的角色。無(wú)信息傳輸時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)可處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有信息傳輸時(shí)可自動(dòng)喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，多節(jié)點(diǎn)以接力的方式傳遞信息，通信效率非常高，但功耗很低。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀三種。為滿足穩(wěn)定性要求，本設(shè)計(jì)選用了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

根據(jù)家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要由路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)兩種節(jié)點(diǎn)類型組成。其中路由器節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)家居環(huán)境內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)（溫度值、濕度值、亮度值、煤氣濃度值、設(shè)備工作狀態(tài)值等）的采集，還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理與節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，控制外設(shè)的工作狀態(tài)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、各路由節(jié)點(diǎn)的管理、數(shù)據(jù)的處理以及對(duì)外的接口。

本系統(tǒng)所采用的設(shè)備是搭載有TI/Chipcon公司生產(chǎn)的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2430芯片的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)家居內(nèi)所有信息的采集、傳遞和外設(shè)控制。

三、網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)感控層和應(yīng)用層之間快速、安全、可靠地傳送。網(wǎng)絡(luò)層的通信功能主要由智能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)，使用Socket通信方式。由于因特網(wǎng)的通信特點(diǎn)，該智能網(wǎng)關(guān)需要設(shè)置靜態(tài)IP，同時(shí)工作于服務(wù)端和客戶端兩種模態(tài)下。工作在服務(wù)端模態(tài)下時(shí)，主要是接收系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)（網(wǎng)關(guān)自動(dòng)判斷是否是本網(wǎng)關(guān)需要接收的數(shù)據(jù)，主要由通信協(xié)議中包含的IP地址決定），并將數(shù)據(jù)解析后發(fā)送至本網(wǎng)關(guān)連接的家居監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中。工作在客戶端模態(tài)下時(shí)，主要是接收到感控層上傳的信息后，主動(dòng)連接系統(tǒng)服務(wù)器，將信息發(fā)送至系統(tǒng)服務(wù)器。

由于智能網(wǎng)關(guān)連接了互聯(lián)網(wǎng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此為保證數(shù)據(jù)正常傳遞，智能網(wǎng)關(guān)必須能夠進(jìn)行ZigBee協(xié)議和TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中采用協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口直接連接，先由ZigBee硬件完成ZigBee協(xié)議與RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換，再由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)RS-232協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議和ZigBee協(xié)議的高效轉(zhuǎn)換，智能網(wǎng)關(guān)工作流程如圖3所示。

四、應(yīng)用層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，主要功能是完成網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)的接收、匯總、互通、分析、決策，數(shù)據(jù)下發(fā)等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的控制和決策中心。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)于應(yīng)用層的定義，本設(shè)計(jì)的應(yīng)用層具體包括兩部分：一個(gè)是系統(tǒng)服務(wù)器；另一個(gè)是終端設(shè)備。系統(tǒng)服務(wù)器負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲(chǔ)、修改，根據(jù)控制算法進(jìn)行決策和控制命令發(fā)送等。終端設(shè)備是電腦、智能手機(jī)等智能終端，用戶可通過(guò)這些設(shè)備搭載的Web瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)布的網(wǎng)站站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的使用，而不再是傳統(tǒng)的在終端上安裝相應(yīng)的軟件，這就大大降低了對(duì)用戶的硬件要求，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。

系統(tǒng)服務(wù)器由Web站點(diǎn)服務(wù)器、業(yè)務(wù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器三部分組成，分別完成Web頁(yè)面發(fā)布、數(shù)據(jù)接收和控制決策、數(shù)據(jù)管理等功能，如圖4所示即為系統(tǒng)服務(wù)器的架構(gòu)圖，三個(gè)服務(wù)器是分別設(shè)計(jì)和獨(dú)立運(yùn)行的，但又是相互關(guān)聯(lián)的，其中業(yè)務(wù)處理服務(wù)器與Web服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換。

（一）Web服務(wù)器

為減輕客戶端的負(fù)擔(dān)，增加系統(tǒng)實(shí)用性，Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)采用了目前流行的瀏覽器/服務(wù)器（browser/server，B/S）結(jié)構(gòu)模型。B/S結(jié)構(gòu)下的應(yīng)用程序、邏輯處理和數(shù)據(jù)全部集中安放在Web服務(wù)器上，而用戶只需要統(tǒng)一使用瀏覽器即可訪問(wèn)Web服務(wù)器，通過(guò)用戶界面使用本系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)采用的是Microsoft的Web服務(wù)器Internet Information Server（IIS），網(wǎng)站開(kāi)發(fā)技術(shù)使用的是ASP.NET。ASP.NET技術(shù)具有很高的頁(yè)面處理速度和運(yùn)行效率，節(jié)省系統(tǒng)資源，完全面向?qū)ο?，具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性且安全可靠，特別適合應(yīng)用于頁(yè)面和遠(yuǎn)程系統(tǒng)服務(wù)器之間數(shù)據(jù)交互比較頻繁的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)訪問(wèn)采用了與ASP.NET同一框架（.NET Framework ）下的ADO.NET技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互。ADO.NET確保了Web服務(wù)器能夠根據(jù)用戶的需求快速、準(zhǔn)確地訪問(wèn)到數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、更新和刪除等操作。

（二）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用Microsoft SQL Server 2008設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，具體操作由Web服務(wù)器和業(yè)務(wù)處理服務(wù)器調(diào)用。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器共設(shè)置了用戶信息管理模塊、用戶設(shè)置管理模塊、室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)管理模塊和設(shè)備狀態(tài)管理模塊四個(gè)模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是一個(gè)“被動(dòng)”服務(wù)器，只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是由業(yè)務(wù)處理服務(wù)器或Web服務(wù)器寫(xiě)入、刪除或修改。

（三）業(yè)務(wù)處理服務(wù)器

業(yè)務(wù)處理服務(wù)器工作于服務(wù)端模式，向智能網(wǎng)關(guān)開(kāi)放服務(wù)器端的IP和端口，時(shí)刻偵聽(tīng)智能網(wǎng)關(guān)是否有數(shù)據(jù)上傳。接收數(shù)據(jù)后，會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析、數(shù)據(jù)類型分析、數(shù)據(jù)提取、邏輯處理和控制決策。其中的業(yè)務(wù)處理功能可分為兩個(gè)部分：第一部分是將系統(tǒng)感控層上傳來(lái)的數(shù)據(jù)或處理結(jié)果準(zhǔn)確存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，保障業(yè)務(wù)處理服務(wù)器程序和Web服務(wù)器程序進(jìn)行合法查詢；第二部分是系統(tǒng)輪詢服務(wù)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)不斷地查詢所有用戶的設(shè)置信息，根據(jù)用戶設(shè)置和當(dāng)前家居狀態(tài)進(jìn)行控制決策，判斷當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間是否到達(dá)用戶設(shè)置的某個(gè)子狀態(tài)的更改時(shí)刻，如果滿足條件，會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置更改和控制家庭內(nèi)部的環(huán)境狀態(tài)。業(yè)務(wù)處理服務(wù)器運(yùn)行界面如圖5所示。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)能夠智能、穩(wěn)定地工作，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，如圖6所示。采用三層架構(gòu)的系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)十分清晰，既可節(jié)約投資成本，又方便維護(hù)、升級(jí)和改造。此外，可將系統(tǒng)服務(wù)器移植到云平臺(tái)（如微軟Azure云平臺(tái)、IBM云平臺(tái)、新浪云平臺(tái)等），借助云平臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，能夠在處理和儲(chǔ)存能力、穩(wěn)定性、安全性和可移植性上獲得高幅提升，具有較好的應(yīng)用前景。

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【作者簡(jiǎn)介】程 洋（1988- ），男，廣西柳州人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：鐵道供電與智能控制。黃 繪（1973- ），女，廣西柳州人，工程碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：鐵道供電。劉鑫爽（1987- ），女，廣西柳州人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：智能控制。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）