智能家居監(jiān)控平臺的研究與實(shí)現(xiàn)

吳志輝

摘 要：智能家居是未來最大的市場之一，但其發(fā)展速度差強(qiáng)人意。文中對目前智能監(jiān)控平臺，特別是智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，研究并提出了一個(gè)設(shè)備互聯(lián)互通的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)了通用智能監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)還描述了基于監(jiān)控驅(qū)動程序中間件的監(jiān)控平臺的架構(gòu)、特性和工作原理，為智能家居的發(fā)展提供了不同的解決方案。該技術(shù)已申請發(fā)明專利，并在實(shí)際項(xiàng)目中得到了良好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；中間件；設(shè)備監(jiān)控驅(qū)動；設(shè)備對象

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)把萬物接入互聯(lián)網(wǎng)，使得人類監(jiān)控這些物理設(shè)備的愿望得以實(shí)現(xiàn)。但前提是這些物理設(shè)備需要具備一定的智能特性，并符合生產(chǎn)廠商的通信規(guī)范才能在廠商提供的特定應(yīng)用中與人類進(jìn)行交互。如眾多的智能家居設(shè)備廠商，其家居產(chǎn)品能通過互聯(lián)網(wǎng)和智能終端設(shè)備（手機(jī)、平板電腦）與用戶遠(yuǎn)程交互，極大地方便了主人對家庭電氣電子設(shè)備的監(jiān)控。但互聯(lián)互通的問題仍未得到很好的解決。

如果購買了智能空調(diào)、智能冰箱、智能電視機(jī)、智能洗衣機(jī)、智能安防系統(tǒng)、智能門鎖、智能傳感器、智能穿戴式健康監(jiān)護(hù)設(shè)備等眾多未來家庭必須的產(chǎn)品，那么主人的智能手機(jī)上可能需要安裝眾多廠商提供的App，只有通過它才能與各自的設(shè)備交互，使用極為不便。而這就是目前智能家居的現(xiàn)狀。

更為糟糕的是，這些異構(gòu)的設(shè)備之間互不認(rèn)識，無法“物物相連”進(jìn)行交互，更無法滿足設(shè)備之間的聯(lián)動以達(dá)到主人需要的功能。如果檢測到火災(zāi)發(fā)生，卻無法自動把家里的門鎖打開，若要滿足這個(gè)要求，只有使用一個(gè)廠商的整套設(shè)備才可以實(shí)現(xiàn)，而壟斷和價(jià)格高昂就成為必然，公民利益被綁架，也由此導(dǎo)致居民不愿意購買價(jià)格較高的“智能”設(shè)備，惡性循環(huán)，致使產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。因此設(shè)計(jì)一個(gè)親民的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。

1 解決監(jiān)控平臺通用的方案

消費(fèi)者自然希望通過單個(gè)App就可以監(jiān)控家庭中的所有智能設(shè)備，不管這些設(shè)備來自哪個(gè)廠商。更加期望隨心所欲的定制設(shè)備間的聯(lián)動來自動完成主人需要的任務(wù)，即智能家居DIY，包括硬件DIY和監(jiān)控行為DIY。

由于各廠商的設(shè)備通信協(xié)議不同或數(shù)據(jù)格式不同，用一個(gè)程序去滿足眾多設(shè)備的數(shù)據(jù)通信要求是極不現(xiàn)實(shí)的。正如互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和終端的多樣性，通過Web服務(wù)器可把異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接在一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。智能監(jiān)控系統(tǒng)可提供類似的服務(wù)平臺，把不同設(shè)備系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)規(guī)范化，對外提供統(tǒng)一的監(jiān)控協(xié)議（Smart Monitor Protocol，SMProtocol），任何移動終端設(shè)備（Mobile Terminal，MT）只要遵循SMProtocol的規(guī)范，就可與智能監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的各種異構(gòu)的設(shè)備交互。這個(gè)輕量級協(xié)議就是物聯(lián)網(wǎng)中間件的主要組成部分之一。

盡管有很多智能家居監(jiān)控的研究方案[1-3]，但大多注重云平臺的研究。我們的方案則基于家庭微型服務(wù)器，在其中搭建運(yùn)行中間件的智能家居監(jiān)控服務(wù)平臺（SmatHome Platform，SHP），這是一種低成本、安全、擴(kuò)展靈活的解決設(shè)備互聯(lián)互通的有效方案。智能家居服務(wù)平臺（SHP）由多個(gè)服務(wù)程序組成，可運(yùn)行在低成本的微型PC、平板電腦或服務(wù)器中。SHP基于目前家庭最常用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署，其運(yùn)行環(huán)境如圖1所示。

由圖1可知，移動終端通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)與SHP交互。設(shè)備子系統(tǒng)（Equipment SubSystem，ESS）可以通過無線或有線方式與SHP通信。設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部的通信與SHP無關(guān)，可選用ZigBee、藍(lán)牙、RS 232等方式。SHP通過中間件與設(shè)備系統(tǒng)交互。這種結(jié)構(gòu)可以方便地把各種異構(gòu)設(shè)備系統(tǒng)接入監(jiān)控平臺，智能家居DIY得以實(shí)現(xiàn)，而我們只需要在SHP上安裝一個(gè)中間件。分析這個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，我們完全不需要設(shè)備廠商提供的云平臺服務(wù)，同時(shí)無線設(shè)備系統(tǒng)不使用UPNP協(xié)議與智能移動終端直接通信。

2 通用監(jiān)控平臺中間件的功能和設(shè)計(jì)

監(jiān)控中間件必須具備以下幾點(diǎn)功能：

（1）對外提供統(tǒng)一的監(jiān)控接口。

（2）監(jiān)控子系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備系統(tǒng)負(fù)責(zé)把外部監(jiān)控協(xié)議翻譯成特定設(shè)備系統(tǒng)的指令，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控。

（3）為監(jiān)控服務(wù)平臺的其他程序提供設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)變化事件（DataChanged），以便服務(wù)平臺對設(shè)備狀態(tài)變化做出反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)動。

（4）中間件的通信足夠簡單，盡可能少修改設(shè)備系統(tǒng)的原有控制程序的工作量。

2.1 監(jiān)控設(shè)備驅(qū)動程序中間件

各廠商內(nèi)部的智能監(jiān)控設(shè)備子系統(tǒng)（ESS）對外的通信方式有差別，有些使用串口設(shè)備通信，而有些使用TCP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，或采用有線或無線的方式通信。通信的數(shù)據(jù)格式更是千差萬別。這給中間件的開發(fā)設(shè)計(jì)帶來了困難。

借鑒操作系統(tǒng)管理硬件設(shè)備的方式，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用層面的通用監(jiān)控接口，用特定程序?qū)崿F(xiàn)，即“監(jiān)控設(shè)備驅(qū)動程序”（Monitor Device Driver，MDD）。每個(gè)監(jiān)控驅(qū)動程序可與特定廠商的設(shè)備系統(tǒng)ESS交互，一個(gè)實(shí)例化的中間件可以監(jiān)控一個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)。

當(dāng)SHP加入一個(gè)新的設(shè)備子系統(tǒng)時(shí)，我們只需要?jiǎng)討B(tài)加載其監(jiān)控驅(qū)動程序。由監(jiān)控服務(wù)平臺統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理各監(jiān)控驅(qū)動程序。

2.2 監(jiān)控驅(qū)動程序中間件的設(shè)計(jì)

監(jiān)控驅(qū)動程序必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能設(shè)備子系統(tǒng)ESS的接口，以便管理其中的所有設(shè)備。每個(gè)設(shè)備也必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)接口，使其能對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控驅(qū)動程序接口設(shè)計(jì)類圖如圖2所示。

（1）ISmartHome接口定義了特定廠家某個(gè)產(chǎn)品的設(shè)備或設(shè)備子系統(tǒng)，其中可以包含多種不同的設(shè)備IhomeDevice。

（2）IHomeDevice由六類不同的子設(shè)備組成。目前看來，六類子設(shè)備能很好的抽象家居設(shè)備系統(tǒng)。它們是數(shù)值量輸入輸出設(shè)備IDeviceDI，IDeviceDO；模擬量輸入輸出設(shè)備IDeviceAI， IDeviceAO；流輸入輸出設(shè)備IDeviceSI， IDeviceSO。理論上，這六類子設(shè)備的組合可以描述任意復(fù)雜的設(shè)備。

（3）IBaseDevice接口是六類設(shè)備的父接口，描述了設(shè)備的通用接口規(guī)范。

（4）IWriteReadInterface接口用于設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲、讀取。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了圖2接口的監(jiān)控驅(qū)動程序，完整的描述了一個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)，具備對其中任意一個(gè)子設(shè)備的監(jiān)控能力。在應(yīng)用驅(qū)動程序中，按照智能監(jiān)控的通用協(xié)議（SHProtocol）把外來監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制設(shè)備的指令，同時(shí)把設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SHProtocol規(guī)范格式，并回送給移動終端，從而完成監(jiān)控交互。

在六類設(shè)備中，引入了事件接口（Event），使得設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，SHP能及時(shí)獲得通知，從而有機(jī)會對設(shè)備進(jìn)行控制。

2.3 監(jiān)控驅(qū)動程序中間件協(xié)議的設(shè)計(jì)

已有廠商的設(shè)備系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)格式眾多且不統(tǒng)一。為了盡可能減少設(shè)備嵌入式程序的修改，又能方便數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)字典來規(guī)范數(shù)據(jù)格式，SHP設(shè)計(jì)的通信數(shù)據(jù)包程序如下：

public class stringJson

{

public Dictionary mDictionary = null；

Int32 smarthomeflag = 0xAA11； //某廠商設(shè)備系統(tǒng)通信的標(biāo)志，不是的，不處理

public stringJson（Int32 _flag）

{

mDictionary = new Dictionary（）；

smarthomeflag = _flag；

}

……

}

字典結(jié)構(gòu)為Dictionary，由于“值”是字節(jié)數(shù)組，可以存儲任意內(nèi)容，包括多媒體信息、嵌套的字典結(jié)構(gòu)。SHProtocol的制定針對各種監(jiān)控相關(guān)操作，指定其對應(yīng)的字典結(jié)構(gòu)，如登錄、獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、發(fā)送開關(guān)量控制指令、執(zhí)行任務(wù)指令等操作的字典詞條。在監(jiān)控驅(qū)動程序中處理數(shù)據(jù)時(shí)，需要對協(xié)議中制定的各種字典詞條逐一進(jìn)行判斷。

3 通用監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

雖然監(jiān)控驅(qū)動程序中間件在SHP中扮演著重要角色，但管理這些驅(qū)動也極其重要。SHP針對每個(gè)設(shè)備系統(tǒng)啟動一個(gè)監(jiān)控服務(wù)程序（SmartHome Monitor，SHM），SHM加載相應(yīng)的監(jiān)控驅(qū)動程序與設(shè)備子系統(tǒng)交互。通過SHP與SHM的隔離，移動控制終端對ESS的監(jiān)控就能統(tǒng)一。智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

由圖3可知，SHM可能有多個(gè)，ESS可以包含N個(gè)子設(shè)備（SubDevice，SD），該架構(gòu)由移動應(yīng)用層、監(jiān)控管理層、設(shè)備監(jiān)管層、硬件設(shè)備層組成。

3.1 移動應(yīng)用層

MT或PC使用規(guī)范的SMProtocol和TCP/IP協(xié)議與SHP交互。如果MT與SHP在同一局域網(wǎng)內(nèi)，MT使用指定的端口號和IP地址登錄SHP；否則使用域名與SHP連接。MT使用一個(gè)App就可以通過SHP監(jiān)控所有設(shè)備。

3.2 監(jiān)控管理層

監(jiān)控管理層（Management Layer）是局域網(wǎng)內(nèi)的一臺服務(wù)器（Smart Home Server，SHS），通過路由器、網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)。服務(wù)器程序由多個(gè)服務(wù)模塊組成。SHS的組成及其關(guān)系如圖4所示。

User Management維護(hù)可以接入平臺的人員信息，賦予賬號、密碼和權(quán)限。只有登錄系統(tǒng)，用戶才能接入SHP平臺監(jiān)控智能家居系統(tǒng)。User Management的UI界面如圖5所示。

Session Management可實(shí)現(xiàn)通信會話管理。使用TCP/IP接收Application Layer發(fā)來的協(xié)議指令，使用進(jìn)程間通信方式（IPC）轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給處在Monitor Layer中的對應(yīng)SHM。同時(shí)接收Monitor Layer發(fā)來的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)發(fā)給所有在線的MT。對非法連接的MT，自動斷開回話。Session Management定義的連接端口如圖6所示。

PNP Management：SHProtocol定義了PNP消息廣播協(xié)議。當(dāng)ESS在局域網(wǎng)廣播此消息時(shí)，SHP就獲取ESS的監(jiān)控驅(qū)動程序名稱、驅(qū)動下載地址、通信方式等信息，SHP會自動下載ESS的驅(qū)動程序，注冊并啟動一個(gè)SHM來與設(shè)備系統(tǒng)交互。PNP Management定義的廣播端口如圖7所示。

圖7 PNP Magagement定義了廣播端口

Device Management用以管理所有符合ISmartHome接口規(guī)范的監(jiān)控驅(qū)動程序，提取并保存所有ESS的數(shù)據(jù)信息。對不支持PNP的設(shè)備系統(tǒng)可以人工注冊。Device Management還負(fù)責(zé)啟動并傳遞適當(dāng)參數(shù)給SHM，必要時(shí)可以強(qiáng)行結(jié)束SHM。Driver Management實(shí)現(xiàn)UI界面如圖8所示。

Device Management可以自動搜索所有MDD，注冊登記需要接入平臺的設(shè)備驅(qū)動或移去注冊的驅(qū)動。

Task Management：用戶需要的操作功能有時(shí)需要對不同設(shè)備進(jìn)行一連串的操作才能實(shí)現(xiàn)?？梢远ㄖ迫我鈹?shù)量的設(shè)備操作步驟，即通過任務(wù)來達(dá)到目的。定時(shí)任務(wù)也可以指定實(shí)現(xiàn)主人在特定時(shí)間啟動設(shè)備控制的要求。還可以為每天指定不同的定時(shí)任務(wù)，更加精細(xì)的滿足主人要求。因?yàn)镾HS知曉所有ESS的信息，所以Task Management可以直接操控設(shè)備，這為設(shè)備間的復(fù)雜聯(lián)動提供了基礎(chǔ)。Task Management的實(shí)現(xiàn)UI如圖9所示。

一個(gè)任務(wù)可以包含多個(gè)不同設(shè)備的控制，指定其先后次序和延時(shí)。

Event Monitor Management負(fù)責(zé)監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)是否發(fā)生變化。可以對感興趣的數(shù)據(jù)設(shè)置變化響應(yīng)機(jī)制，為自動控制提供了觸發(fā)機(jī)制。事件響應(yīng)的設(shè)置界面如圖10所示。

對所有設(shè)備系統(tǒng)的輸入設(shè)備（DI，AI，SI）進(jìn)行響應(yīng)設(shè)置，為其指定一個(gè)任務(wù)。

可以看出，Device river Management在SHS中扮演著重要角色。而現(xiàn)在可以輕松實(shí)現(xiàn)諸多家庭任務(wù)。比如周三早晨10點(diǎn)自動啟動花園的澆水系統(tǒng)，如果下雨，則自動停止?jié)菜?/p>

3.3 設(shè)備監(jiān)控層

設(shè)備監(jiān)控層（Monitor Layer）由多個(gè)智能監(jiān)控服務(wù)程序SHM組成。它與SHP之間使用規(guī)范的SMProtocol和進(jìn)程間通信機(jī)制進(jìn)行通信。SHM運(yùn)行時(shí)的通用監(jiān)控畫面如圖11所示。

SHM動態(tài)加載設(shè)備子系統(tǒng)的監(jiān)控驅(qū)動程序，并根據(jù)驅(qū)動通信要求啟動適當(dāng)?shù)耐ㄐ懦绦颍邮諄碜許HS的指令，并傳遞給驅(qū)動程序，由驅(qū)動程序翻譯成能控制設(shè)備系統(tǒng)的具體指令，從而達(dá)到控制設(shè)備的目的。驅(qū)動程序收到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合SMProtocol協(xié)議的規(guī)范數(shù)據(jù)，通過SHM上傳給SHS，最終傳遞到移動終端。

SHM與ESS的通信方式根據(jù)ESS驅(qū)動程序的要求來制定。SHM可以作為服務(wù)器工作，也可以作為客戶端工作，這些均由驅(qū)動程序決定。SHM作為TCP/IP通信服務(wù)端的設(shè)置界面如圖12所示。

3.4 硬件設(shè)備層

硬件設(shè)備層（Device Layer）由不同類型的子設(shè)備系統(tǒng)組成。它們可以是智能的、非智能的硬件系統(tǒng)，也可以是虛擬設(shè)備系統(tǒng)。它需要根據(jù)相應(yīng)的驅(qū)動程序的規(guī)范，做一些程序上的修改來滿足通信要求。如車載導(dǎo)航系統(tǒng)，在修改程序后可遠(yuǎn)程接入SHM，這樣家庭成員可以隨時(shí)了解小車的位置和狀態(tài)。健康監(jiān)護(hù)腕帶設(shè)備在編寫監(jiān)控驅(qū)動程序并適當(dāng)修改原來的通信程序后，可以接入SHM，方便的將家庭老人或病人的信息及時(shí)傳遞給家庭成員或者遠(yuǎn)方的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

ESS與其內(nèi)部子設(shè)備的交互幾乎不變，可以最大限度保護(hù)已有投資。把現(xiàn)有很多應(yīng)用程序按SMProtocol協(xié)議為其編寫監(jiān)控驅(qū)動程序，適當(dāng)修改應(yīng)用程序的通信方式，將其改造為一個(gè)虛擬設(shè)備系統(tǒng)，可以接入SHP，由MT進(jìn)行監(jiān)控。如運(yùn)行在PC機(jī)上的家庭影院或背景音樂系統(tǒng)，都可以設(shè)計(jì)成虛擬設(shè)備系統(tǒng)。

4 SHP的優(yōu)勢

SHP提供了一個(gè)安全、易于實(shí)現(xiàn)、易于使用、低成本的智能家居運(yùn)行環(huán)境。其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）安全性。MT與內(nèi)部設(shè)備系統(tǒng)交互的唯一方式是通過登錄SHP接入監(jiān)控平臺。登錄需要賬號與密碼。在監(jiān)控驅(qū)動程序級別，還可以設(shè)置授信名單和黑名單，防止非法授權(quán)操作設(shè)備。SHP運(yùn)行在家庭內(nèi)部的PC或服務(wù)器上，安全性較高。也可斷開與外界的通信，僅在家庭局域網(wǎng)內(nèi)工作。這與傳統(tǒng)的在Web服務(wù)器上部署Web服務(wù)的方式不同，與設(shè)備通過藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行直連交互的方式更不同。

（2）易于實(shí)現(xiàn)。任何實(shí)現(xiàn)IsmartHome規(guī)范的設(shè)備監(jiān)控驅(qū)動程序都可以接入SHP。理論上，只需要在SHP安裝設(shè)備監(jiān)控驅(qū)動程序，就可以方便監(jiān)控任意復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲和挖掘功能也可以在SHP實(shí)現(xiàn)。SHP可能是未來家庭服務(wù)器的重要組成部分。而SMProtocol通信協(xié)議足夠簡單且能滿足任意復(fù)雜監(jiān)控的需求，硬件設(shè)備的原有嵌入式程序只需修改或增加通信部分即可接入SHP。設(shè)備廠商投入較小的成本就可升級傳統(tǒng)產(chǎn)品為智能家居產(chǎn)品。原來需要廠商搭建的云服務(wù)平臺或可取消，極大地減輕了廠商的負(fù)擔(dān)和運(yùn)行費(fèi)用。

（3）易于使用。SMProtocol協(xié)議保證了監(jiān)控系統(tǒng)對外交互的統(tǒng)一界面。只需一個(gè)應(yīng)用App就能方便監(jiān)控整個(gè)智能家居系統(tǒng)，并任意指定設(shè)備間的聯(lián)動操作需求。通過監(jiān)視感興趣的事件，可以實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警。用戶對智能家居DIY成為現(xiàn)實(shí)，包括硬件DIY，監(jiān)控需求DIY等。

（4）低成本。SHP可部署在200美元內(nèi)的平板電腦、低端PC或服務(wù)器上（功率<20 W），Windows或Linux操作系統(tǒng)都可以。一個(gè)家庭只需一個(gè)SHP即可智能家居DIY。這也許是SHP的缺點(diǎn)——微型服務(wù)器必不可少。如果把網(wǎng)關(guān)、路由器等功能集成在專用的微型服務(wù)器上，或可降低成本。

5 結(jié) 語

該智能家居聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)申請了發(fā)明專利，并在特定行業(yè)得到了應(yīng)用。若該方案能得到大力推廣，那么其在智能家居行業(yè)的意義將不亞于TCP協(xié)議對于互聯(lián)網(wǎng)的重要性。因?yàn)槿鄙俳y(tǒng)一的智能家居行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開放式智能家居永遠(yuǎn)都不可能實(shí)現(xiàn)井噴式發(fā)展。

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