基于物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺的遠程家庭感知與控制系統(tǒng)

摘 要： 針對智能家居系統(tǒng)普遍存在標準不統(tǒng)一、購買及使用成本高、對外不可擴展等問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺的智能家居系統(tǒng)解決方案。設計和實現(xiàn)了一種基于公共云平臺的智能家居系統(tǒng)整體架構(gòu)，提出了家居環(huán)境舒適度、安全性、能耗三種智能終端，通過語音指令方便切換，實現(xiàn)了家居環(huán)境舒適度、安全性、能耗三個方面的感知與控制。然后，完成了智能終端設備與云平臺服務器間的通信流程，實現(xiàn)了終端設備向云平臺服務器上傳數(shù)據(jù)以及云平臺下發(fā)控制指令到終端設備的功能。最后，搭建了房屋模型，設計了智能家居系統(tǒng)可視化的展示平臺，實現(xiàn)了設備通過Internet或移動互聯(lián)網(wǎng)在任何時間、任何地點遠程查看和控制家中智能設備。

關鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 公共云平臺； 智能家居； 遠程感知與控制

中圖分類號： TN92?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0030?04

Abstract： Since the smart home system has the problems of non?unified standards， high purchase and use costs， and poor extension， a solution for the smart home system based on the Internet of Things （IOT） public cloud platform is proposed. An overall structure of the smart home system based on public cloud platform was designed and implemented. Three intelligent terminals of home comfortable environment， safety and power concumption are put forward， and realized by the convenient switching of voice command. The communication between the intelligent teminal equipment and cloud platform server was accomplished. The functions of uploading data from terminal equipment to cloud platform server and control command from cloud platform to terminal equipment were implemented. In this paper， the intelligent house model was established， and the visual display platform for the smart home system was designed. The function of the system to remotely control and examine the home intelligent equipment anytime or anywhere through the Internet or mobile intrenet was realized.

Keywords： Internet of Things； public cloud platform； smart home； remote sensing and control

0 引 言

與普通家居相比，智能家居系統(tǒng)使得原本被動、靜止的居住空間變得能動、智能起來，家庭內(nèi)外部的信息交換變得通暢[1]。它可以幫助大家合理安排時間，提升效率，為大家提供更舒適、安全、健康、便捷的居家體驗以及更高效的能源利用，從而擁有更節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保的生活方式[2]。

智能家居系統(tǒng)具有很現(xiàn)實的意義而且需求量巨大，然而現(xiàn)在智能家居行業(yè)仍處于起步階段，現(xiàn)有的系統(tǒng)普遍存在一些問題，如標準不統(tǒng)一、購買及使用成本高、對外不可擴展等[3]。以上兩方面構(gòu)成了矛盾，因此研究設計一套低功耗、低成本、可擴展且統(tǒng)一平臺的智能家居系統(tǒng)顯得十分必要[4]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

設計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設計

基于物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺的遠程家庭感知與控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由感知與控制終端、網(wǎng)絡層和用戶終端應用系統(tǒng)三部分組成。感知與控制終端由各種傳感器和控制器構(gòu)成，主要完成環(huán)境信息的采集和控制；網(wǎng)絡層由私有局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡和云計算平臺等組成，完成傳遞和處理感知與控制終端獲取的信息；用戶終端應用系統(tǒng)是云平臺和用戶之間的接口，以Web或終端APP的形式將信息內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶，并提供基本操作等功能[5]。

安設在家中的數(shù)目及種類眾多的傳感器完成家居環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，通過WiFi網(wǎng)絡經(jīng)路由器將這些數(shù)據(jù)上傳到公共云平臺服務器。云平臺一方面完成這些數(shù)據(jù)的實時顯示，另一方面當環(huán)境數(shù)據(jù)不合理時可給出相應的調(diào)整策略，包括向家庭成員推送消息提醒和自動觸發(fā)預先設定的規(guī)則[6]。

本方案中公共云平臺取代了傳統(tǒng)的PC機或某種嵌入式設備作為服務器，成為了系統(tǒng)核心。該系統(tǒng)可以被看作是一種上/下位機結(jié)構(gòu)，上位機就是云平臺，用于完成設備接入、控制邏輯處理、數(shù)據(jù)管理等，下位機就是各種智能終端，即網(wǎng)絡采集和控制終端，由一些傳感器、繼電器、單片機和WiFi模塊組成，用于完成家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和家電設備的開關控制。

1.2 云平臺部署形式選擇

目前，基于云計算的應用還處于初級階段，架設私有云和社區(qū)云對每個家庭的成本開支比較大，而混合云現(xiàn)在發(fā)展的還很不成熟，故選用了單位價格低廉、功能全面、應用靈活的公有云作為智能家居系統(tǒng)的搭建模式。

1.3 云架構(gòu)及其服務模式

根據(jù)云計算面向的用戶及需求不同，云架構(gòu)通常也不同，運營商提供的云服務模式側(cè)重點也各有差別，但是云架構(gòu)的本質(zhì)是不變的，NIST將其服務模式劃分為三個層次：Iaas（Infrastructure as a Service，基礎設施即服務），PaaS（Platform as a Service，平臺即服務），SaaS（Software as a Service，軟件即服務）。PaaS和IaaS源于SaaS理念[7]。對于不同類型的用戶，這三層的關系不是相互獨立的，即使對于系統(tǒng)開發(fā)人員，這三層也不是簡單的繼承關系[8]。智能家居云服務系統(tǒng)的服務對象主要是：平臺管理者、系統(tǒng)開發(fā)者和普通家庭用戶，因此，結(jié)合云架構(gòu)的服務模式設計的基于云平臺的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

2 智能感知與控制終端設計與實現(xiàn)

2.1 終端硬件總體設計

智能感知與控制終端硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。終端硬件采用模塊化的設計思想，共分為五部分，其中主控制器選用了以Atmega328為核心的AVR單片機Arduino；采集與控制模塊由各種傳感器及繼電器設備組成，主要完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與電器開關控制；顯示與報警模塊由液晶顯示屏、LED燈、蜂鳴器等組成，負責環(huán)境數(shù)據(jù)的本地顯示與超閾值報警；語音控制模塊由語音識別與語音合成模塊組成，主要功能是接收控制指令與反饋執(zhí)行結(jié)果；網(wǎng)絡模塊選用了ENC28J60這款以太網(wǎng)控制器，并配合WiFi模塊主要實現(xiàn)終端設備的無線互聯(lián)網(wǎng)接入功能。

2.2 主控制器選型

主控制器選用了以Atmega328為核心的AVR單片機Arduino。Arduino在簡化單片機工作流程的同時，更有價格低、硬件開源、可擴展、良好的跨平臺性等優(yōu)點[8]。Arduino編程語言基于AVR?C。終端設備的主控芯片選擇了與Uno功能大體相同，但體積更小、價格更低的ProMini板。Arduino Uno的大腦是Atmel AVR Atmega328，它封裝了中央處理器（CPU）、內(nèi)存陣列、時鐘和外圍設備。

2.3 網(wǎng)絡模塊接入與網(wǎng)絡配置

（1） 以太網(wǎng)控制器選型與接線。為了將主控Arduino設備連入網(wǎng)絡就必須為其配置網(wǎng)絡模塊，本文采用了一種價格更為低廉、體積更小的基于Microchip ENC28J60的以太網(wǎng)控制器。

（2） 網(wǎng)絡控制器參數(shù)配置。在把一個網(wǎng)絡設備連接到互聯(lián)網(wǎng)之前，首先需要對其參數(shù)進行一些配置，對ENC28J60的網(wǎng)絡參數(shù)配置通過配置其庫函數(shù)實現(xiàn)。

（3） 無線WiFi模塊配置。為了實現(xiàn)設備可以通過WiFi網(wǎng)絡接入無線路由器，本方案選用了TPLINKTL?WR702N，并將其配置成客戶端，在這種模式下，路由器的作用就像無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡之間的橋梁一樣。WR702N很小，并且可以通過MicroUSB線給它供電。

2.4 語音控制設計與實現(xiàn)

為了提升智能家居系統(tǒng)使用的便利性與趣味性，本文采用LD3320語音識別模塊設置了二十幾條指令用于語音控制燈光、窗簾、空調(diào)等設備，并配合SYN6288語音合成模塊，編寫軟件程序，構(gòu)建本地人機交互系統(tǒng)[9]。SYN6288 通過UART通信方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)實現(xiàn)TTS（文本到語音）的轉(zhuǎn)換。項目針對SYN6288中文及數(shù)字語音播報進行了編程實現(xiàn)。

為了最大程度地防止系統(tǒng)出現(xiàn)誤操作，在本文程序設計中加入了一條觸發(fā)指令“瓦力”，只有在系統(tǒng)首先識別到“瓦力”指令的時候，才進入5 s的接收控制指令狀態(tài)。例如，如果要執(zhí)行開燈命令，則需先說：“瓦力”，之后系統(tǒng)會說：“您好”，然后你再說：“開燈”，之后系統(tǒng)才會檢測開關狀態(tài)、執(zhí)行開燈命令。如果不先叫“瓦力”的名字，它不會理會你的吩咐。本地控制系統(tǒng)中加入語音識別和合成功能，不僅使系統(tǒng)下達控制指令更加方便，而且智能家居系統(tǒng)在實時檢測環(huán)境信息，當有危險情況發(fā)生時，系統(tǒng)可以及時報警并語音播報危險情況。

2.5 舒適度感知與控制

舒適度感知與控制終端主要完成家居環(huán)境溫度、濕度和顆粒物的檢測與顯示，并通過網(wǎng)絡模塊將這些環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到云平臺，當溫度數(shù)據(jù)超出云平臺設定的閾值時，云平臺推送控制命令到該終端，終端接收命令并執(zhí)行發(fā)送紅外信號開啟空調(diào)的操作。舒適度感知與控制終端程序設計了本地工作模式和云工作模式兩種狀態(tài)。兩種狀態(tài)相互獨立，可通過語音指令進行切換。

本文在處理采集到的顆粒物數(shù)據(jù)時，融合了中位值濾波與算數(shù)平均濾波兩種算法，即首先對被測量連續(xù)采樣次，然后去除隊列中的最大值和最小值，計算剩余個數(shù)據(jù)的算術平均值，另外，考慮到計算速度與RAM大小，本文程序設置為10。這種改進算法的優(yōu)點明顯，可有效消除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾引起的采樣值偏差，而且對于周期干擾有良好的抑制作用。紅外接收頭選用38 kHz接收頭，用于接收家中電視機和空調(diào)的紅外編碼。

2.6 安全性感知與控制

家居安全性的感知包括兩個方面：一是對煤氣、天然氣泄漏的檢測；二是對外人入侵的檢測，當無人在家中時，如果紅外監(jiān)測模塊檢測到有人通過門或窗進入室內(nèi)，則發(fā)送消息給家庭成員，及時報警[10]。

家居安全性的感知使用戶能夠擁有一個更加安全的環(huán)境。當然用戶不希望家人在家時紅外檢測一直進行，做飯時產(chǎn)生的油煙也可能會使燃氣檢測裝置一直報警，這時只需告訴智能小助手，“我回來了”、“我要做飯了”類似這樣的指令，紅外檢測裝置會自動的停止檢測，燃氣泄漏報警裝置停止報警，此時燃氣傳感器仍然在采集數(shù)據(jù)，但向云平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過了取負處理，云平臺顯示做飯模式。燃氣泄漏模塊選用MQ2款傳感器，紅外運動檢測模塊選用HC?SR501人體熱釋電運動檢測傳感器。

2.7 能耗感知與控制

能耗感知與控制終端主要實現(xiàn)對家中各種用電設備的耗電監(jiān)測與遠程開關控制，這樣即使不在家中仍然能夠控制家中電器。能耗檢測模塊可選用JSY?MK?109計量模塊，光照強度檢測模塊在本項目設計中采用BH1750FVI，其光強度探測范圍為1～65 535 lx。能耗感知與控制終端組成，如圖4所示。

3 智能終端與云平臺服務器的通信實現(xiàn)

3.1 利用Socket技術實現(xiàn)上層應用程序通信

客戶端主機A上的上層應用程序A要與服務器主機B上的上層應用程序C實現(xiàn)通信，需要經(jīng)過下面幾個步驟：

（1） 網(wǎng)絡層的IP協(xié)議根據(jù)IP地址尋找目標主機；

（2） 找到目標主機后根據(jù)TCP/IP協(xié)議建立連接（TCP或UDP）；

（3） 建立Socket連接；

（4） 通過端口號從主機上運行的多個應用程序中找到指定的應用程序。

3.2 數(shù)據(jù)上傳與反向控制流程設計

（1） 總體流程設計?；谖锫?lián)網(wǎng)公共云平臺的遠程家庭感知與控制系統(tǒng)組成及各主要部分通信過程流程圖如圖5所示。

（2） TCP連接實現(xiàn)。在創(chuàng)建Socket連接時，需要指定傳輸層協(xié)議（TCP或UDP），本項目長連接反向控制基于TCP協(xié)議，因此在這種情況下可以說Socket連接就是TCP連接。Socket連接的建立流程主要包括：服務器監(jiān)聽、客戶端請求、連接確認。

（3） HTTP請求Post數(shù)據(jù)實現(xiàn)。本設計中需要將傳感器數(shù)據(jù)上傳到云平臺，因此用到的是Post方法，HTTP請求格式如表1所示。

4 系統(tǒng)整體測試

4.1 測試環(huán)境

為了測試系統(tǒng)，首先需要搭建網(wǎng)絡環(huán)境：無線路由器一臺（型號TP?LINKTL?WR740N），IPv4默認網(wǎng)關為192.168.1.1，該路由器能夠接入Internet，；以Arduino作為主控板的智能終端，程序中配置其IP地址為192.168.1.102，網(wǎng)絡控制器通過RJ45接口與WiFi模塊相連，WiFi模塊選用TPLINKTL?WR702N，并將其配置成客戶端工作模式，與TP?LINKTL?WR740N無線通信；Android操作系統(tǒng)移動終端一臺，使用HTCONE智能手機，Android系統(tǒng)版本為5.0.2，使用Chrome瀏覽器，JavaScript版本為V84.2.77.15；PC機一臺，操作系統(tǒng)為Windows 8。

4.2 功能測試

（1） 通過瀏覽器查看與控制環(huán)境數(shù)據(jù)

PC端打開瀏覽器，登陸平臺管理系統(tǒng)即可查看各傳感器設備實時的或最近一段時間的環(huán)境數(shù)值。用智能手機打開蜂窩數(shù)據(jù)流量開關，在瀏覽器輸入網(wǎng)址，登陸賬號即可查看與控制設備。

（2） 本地語音控制測試

說出指令“瓦力”，回復“為您服務”；5 s內(nèi)沒有進一步指令，回復“您什么都沒說”；5 s內(nèi)有進一步指令“開燈”，執(zhí)行開燈操作，反饋執(zhí)行結(jié)果“燈已打開”；再次說“開燈”，回復“燈已打開”；指令關燈，回復“正在關燈”，執(zhí)行關燈操作。

（3） 微信命令測試

測試溫濕度查詢指令inquiry_th，平臺依據(jù)不同閾值設置的發(fā)送內(nèi)容成功返回數(shù)據(jù)。

測試開關燈指令，平臺會返回執(zhí)行結(jié)果，發(fā)送open_light1指令時，客廳燈開啟。

（4） 本地Web服務器功能測試

智能手機打開WiFi網(wǎng)絡開關，接入無線路由器，則該手機與智能終端處于同一局域網(wǎng)環(huán)境，本文設計實現(xiàn)了Arduino作為Web服務器的功能，即使沒有Internet訪問時，仍可以通過輸入網(wǎng)址訪問自己設計的Web頁面，進行開關控制和傳感器數(shù)據(jù)查看。

5 結(jié) 論

本文在分析了智能家居的市場及研究現(xiàn)狀后，指出了現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)的一些不足之處，針對這些問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)公共云平臺的智能家居系統(tǒng)解決方案。本文對基于云平臺的智能家居系統(tǒng)做出了一定的探索研究，整個課題在一定程度上達到了預期的效果。

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