智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)研究

何 峰

（北京中建海外裝飾工程有限公司，北京 100000）

基于國(guó)內(nèi)當(dāng)下智能家居行業(yè)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)各自發(fā)展的現(xiàn)狀，從2003年起，陸續(xù)涌出了多種智能家居產(chǎn)品。這些智能家居產(chǎn)品雖都有其各自的優(yōu)勢(shì)和適用性，但是單獨(dú)的一種技術(shù)都很難去為終端用戶提供一套完成的智能控制的解決方案。目前多數(shù)智能家居廠商都在積極的推動(dòng)各種技術(shù)的“整合”，來完善自己的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，但是多數(shù)廠商都有其專屬的應(yīng)用程序與控制技術(shù)，不同廠商的終端智能產(chǎn)品之間不具有兼容性，無法實(shí)現(xiàn)相互間的互聯(lián)與互通。

終端客戶的需求和智能家居技術(shù)的發(fā)展，必然不斷地接入新的技術(shù)、驅(qū)動(dòng)與接口，不斷豐富系統(tǒng)的多樣性，為此智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)隨著科技的發(fā)展會(huì)具有越來越強(qiáng)大的兼容性，會(huì)“整合”更多的技術(shù)，會(huì)有更多的智能家居廠商來“對(duì)接”智能家居交互平臺(tái)。因此，構(gòu)建智能家居統(tǒng)一交互平臺(tái)系統(tǒng)，使智能家居各廠商產(chǎn)品能夠既獨(dú)立運(yùn)行，又在交互平臺(tái)系統(tǒng)中應(yīng)用，就像萬能遙控器一樣，既能使用原裝遙控器去控制家電，又能匹配萬能遙控器去控制家電。設(shè)備既能在各家子系統(tǒng)的平臺(tái)管理下運(yùn)行，又能在統(tǒng)一平臺(tái)下集中運(yùn)行，打破孤島，使智能家居產(chǎn)業(yè)真正的融為一體，以滿足當(dāng)下終端消費(fèi)者對(duì)智能家居產(chǎn)品的需求。

1 智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

智能家居系統(tǒng)架構(gòu)決定了該系統(tǒng)的功能特性及安全性等諸多問題，當(dāng)前國(guó)內(nèi)較常用的系統(tǒng)架構(gòu)可分為“公有云+C/S系統(tǒng)架構(gòu)”和“私有云+P2P系統(tǒng)架構(gòu)”兩種。

1.1 公有云+C/S架構(gòu)

公有云（public cloud）是基于標(biāo)準(zhǔn)云計(jì)算（cloud computing）的一個(gè)模式，服務(wù)供應(yīng)商提供資源，智能家居廠家租用公共云資源用于應(yīng)用和存儲(chǔ)，終端用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)獲取這些資源的模式。由于許多云服務(wù)將直接通過公共Internet訪問，所以安全性成為使用云服務(wù)處理重要信息的最大障礙。同時(shí)，當(dāng)服務(wù)供應(yīng)商系統(tǒng)故障或智能家居廠商停止租用服務(wù)公共云資源時(shí)，終端用戶的智能家居系統(tǒng)將無法繼續(xù)使用。

C/S架構(gòu)（Client/Server架構(gòu)）是大家熟知的客戶機(jī)和服務(wù)器架構(gòu)。它是智能家居軟件系統(tǒng)體系架構(gòu)，通過它可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來實(shí)現(xiàn)[1]。該架構(gòu)系統(tǒng)的通訊受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響較大，且在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在著數(shù)據(jù)延遲、外泄等因素，因此智能家居的終端用戶將會(huì)遭遇體驗(yàn)感差和不可估計(jì)的損失。

智能家居公有云+C/S架構(gòu)，如圖1所示。由于該架構(gòu)智能家居廠商前期投入少，所以是目前大多數(shù)智能家居廠商采用的架構(gòu)體系。

圖1 公有云+C/S架構(gòu)

1.2 私有云+P2P架構(gòu)

私有云（Private Clouds）是為一個(gè)客戶單獨(dú)使用而構(gòu)建的，因而提供對(duì)數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的最有效控制[2]。私有云是智能家居終端用戶的專用設(shè)備，并可以在此設(shè)備上部署應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)算等；私有云可部署在防火墻內(nèi)，因此在智能家居領(lǐng)域?yàn)橛脩籼峁┝烁踩Ｕ稀?/p>

P2P（peer-to-peer，對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)）架構(gòu)，又稱點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，是依靠智能家居系統(tǒng)設(shè)備終端（peers）交換信息的通訊體系，它的作用在于減低網(wǎng)路傳輸中的節(jié)點(diǎn)，以降低資料遺失的風(fēng)險(xiǎn)。P2P網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的目標(biāo)就是讓所有的終端都能提供資源，擁有較佳的并行處理能力，大幅度提高性能；不用投資大量金錢在服務(wù)器的軟、硬件設(shè)備，適用于小規(guī)模的網(wǎng)路，維護(hù)容易。

智能家居私有云+P2P架構(gòu)如圖2所示。該架構(gòu)智能家居廠商開發(fā)成本和智能家居主機(jī)成本均比較高，但該架構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)性也非常明顯的，適合中高端用戶選用。

圖2 私有云+P2P系統(tǒng)架構(gòu)

2 智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)的研究

智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，在遵循通訊協(xié)議、端口協(xié)議、轉(zhuǎn)換協(xié)議的基礎(chǔ)上，開發(fā)的一套可以對(duì)信息、系統(tǒng)、協(xié)議等進(jìn)行交互的嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)[3]。智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)需安裝在Android、IOS、windows系統(tǒng)的平板電腦主機(jī)上，智能家居交互式平臺(tái)對(duì)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、邏輯分析、執(zhí)行、存儲(chǔ)、交互等操作，該平板電腦主機(jī)即為智能家居主機(jī)。

2.1 智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)成

目前主流技術(shù)是利用HTML5設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面。因特爾公司推出基于HTML5智能家居圖形化編程環(huán)境原型，它可以讓家庭自動(dòng)化工程師拖放元素來完成整個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于智能家居設(shè)計(jì)工程師來說，這一功能可以大大提高效率，并且具有高度的靈活性，人機(jī)交互得到了更好的發(fā)展，如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互界面

2.2 MySQL數(shù)據(jù)庫

智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)主機(jī)采用的是MySQL數(shù)據(jù)庫[4-5]，該數(shù)據(jù)庫為一款完全免費(fèi)的產(chǎn)品，可以運(yùn)行在windows平臺(tái)，且MySQL數(shù)據(jù)庫的跨平臺(tái)性是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，極大地方便了開發(fā)和后期應(yīng)用移植。

本文研究的智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)，其兼容性很高，系統(tǒng)內(nèi)置對(duì)RS232/485技術(shù)、紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Z-Wave技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)RF433技術(shù)的核心控制功能，其設(shè)備添加和控制以及數(shù)據(jù)及交互均在MySQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)進(jìn)行。智能家居交互平臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)和MySQL數(shù)據(jù)同時(shí)在智能家居交互平臺(tái)主機(jī)運(yùn)行，設(shè)備狀態(tài)信息和操作指令實(shí)時(shí)的在系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行傳遞和存儲(chǔ)。

2.3 開放的通訊協(xié)議及接口函數(shù)

智能家居交互平臺(tái)采用SSDP和UDP通訊協(xié)議進(jìn)行與子系統(tǒng)的端口對(duì)接；采用TCP或HTTP傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸；傳輸內(nèi)容能通過HTML5、XML、JSON技術(shù)進(jìn)行編輯。

子系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)與智能家居交互平臺(tái)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交互，需兼容以上通訊協(xié)議和技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。本文研究的智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)通訊基于JSON-RPC 2.0，使用TCP短連接。

3 與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互

本文研究的智能家居平臺(tái)主機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)是通過TCP遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)接入智能家居交互平臺(tái)HomeCenter系統(tǒng)，云對(duì)云驅(qū)動(dòng)也使用此協(xié)議；TCP遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)使用JSON作為數(shù)據(jù)交換格式。開發(fā)者可以通過TCP驅(qū)動(dòng)，或rhome命令來開發(fā)和調(diào)試TCP Driver，開發(fā)一個(gè)TCP遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)需要以下3個(gè)命令，見表1。

表1 開發(fā)TCP遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)常用的命令

此外，在Windows10系統(tǒng)下設(shè)置防火墻，用于識(shí)別通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹噶钍欠駷楹戏ㄖ噶?，而不是“黑客”非法指令。因此，智能家居交互平臺(tái)既是家庭信息的交通樞紐，又是防火墻。

智能家居交互平臺(tái)應(yīng)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互，能與廣域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程管理，如圖4所示。

圖4 內(nèi)/外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互

基于無線技術(shù)智能家居交互平臺(tái)擴(kuò)展總線或無線技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中的交互式平臺(tái)主機(jī)是通過橋接器或路由器與各個(gè)子系統(tǒng)或終端設(shè)備進(jìn)行物理連接。智能家居交互平臺(tái)主機(jī)“整合”技術(shù)之間通過MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)與交互；與智能家居交互平臺(tái)主機(jī)“對(duì)接”的子系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)交互是通過TCP傳輸協(xié)議傳輸JSON的數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)與其他智能主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與控制，如圖5所示。

圖5 智能家居交互平臺(tái)主機(jī)與子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互圖

4 智能家居交互平臺(tái)“整合”的幾種控制技術(shù)

4.1 紅外技術(shù)的“整合”

紅外技術(shù)在智能家居領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)槌Ｓ玫募矣秒娖髟O(shè)備都有紅外接收功能，也就是說很多電器都有紅外功能的遙控器。隨著終端用戶的各種家用電器的需求不斷增加，遙控器的數(shù)量也隨之增多，為此也給生活帶來了不便。隨著智能家居紅外轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的不斷成熟和完善，終端用戶也體驗(yàn)到智能家居給生活帶來的改變。

與此同時(shí)，紅外技術(shù)有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是紅外線在傳輸過程中穿透力很弱，隔房間或物體時(shí)，是不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的。紅外轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)可以解決這個(gè)難題，但數(shù)據(jù)交互過程會(huì)出現(xiàn)延遲等情況，降低了客戶對(duì)智能家居的體驗(yàn)感。

本文研究和實(shí)施的紅外轉(zhuǎn)發(fā)器ZEN-Ball是與智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)主機(jī)之間通過網(wǎng)線進(jìn)行連接的，且串聯(lián)并延伸到各個(gè)房間。當(dāng)智能家居交互平臺(tái)主機(jī)執(zhí)行某一紅外設(shè)備的控制時(shí)，主機(jī)會(huì)下發(fā)射“紅外碼”，該“紅外碼”通過網(wǎng)線進(jìn)行傳輸至某一特定的紅外發(fā)射器，紅發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射紅外碼，來實(shí)現(xiàn)對(duì)該紅外設(shè)備的控制。

4.2 Z-Wave技術(shù)的“整合”[6]

Z-Wave傳輸協(xié)議是專為智能家居通訊而研發(fā)的一款協(xié)議，頻段純凈無干擾，兼容性好，在平臺(tái)協(xié)議內(nèi)產(chǎn)品可互通；Z-Wave協(xié)議是開放的，其聯(lián)盟160多個(gè)國(guó)際廠商開發(fā)的1 000多種設(shè)備都是兼容的；本文研究的智能家居交互平臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)中內(nèi)置了所有的ZWave產(chǎn)品列表，并不斷完善與更新。因此，在終端用戶選用Z-Wave技術(shù)的智能家居系統(tǒng)時(shí)，可以不用另行采購智能家居主機(jī)系統(tǒng)，而是通過添加Z-Wave控制器來完成與其他Z-Wave設(shè)備間的雙向通訊。

本文研究的Z-Wave控制器是采用USB即插式連接方式，方便移動(dòng)，適合各種復(fù)雜環(huán)境，我們稱之為USB Z-Wave網(wǎng)關(guān)控制器。用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)所有ZWave設(shè)備的雙向通訊，接收傳感器的回傳信號(hào)，通過設(shè)定聯(lián)動(dòng)其他設(shè)備動(dòng)作。亦可直接收命令，發(fā)出ZWave信令，控制Z-Wave終端設(shè)備做出動(dòng)作。設(shè)備響應(yīng)時(shí)間只有5 ms；信號(hào)衍射性強(qiáng)覆蓋性好室內(nèi)傳輸30 m，室外傳輸100 m；內(nèi)置記憶卡，不連接主機(jī)匹配信息也不會(huì)丟失。

USB Z-Wave網(wǎng)關(guān)控制器也可以通過USB延長(zhǎng)線與智能家居交互平臺(tái)主機(jī)的橋接器的USB接口進(jìn)行連接，如圖6所示。

圖6 Z-Wave網(wǎng)關(guān)控制器

4.3 標(biāo)準(zhǔn)RF433MHz射頻技術(shù)的“整合”

在國(guó)際上基于標(biāo)準(zhǔn)RF433MHz無線通訊協(xié)議開發(fā)的國(guó)際廠商眾多，滿足RF433通訊協(xié)議的產(chǎn)品更是不勝枚舉。其產(chǎn)品應(yīng)用于安全報(bào)警、無線自動(dòng)抄表、家居及工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)端遙控等領(lǐng)域。遵循標(biāo)準(zhǔn)RF433無線通訊協(xié)議開發(fā)的產(chǎn)品之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互。因此，基于標(biāo)準(zhǔn)RF433無線通訊協(xié)議的智能家居產(chǎn)品在平臺(tái)協(xié)議內(nèi)也是可以進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交互。本文研究的智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的RF433產(chǎn)品進(jìn)行“整合”，其設(shè)備添加和控制的原理與Z-Wave基本相同。

4.4 藍(lán)牙技術(shù)的“整合”

藍(lán)牙技術(shù)作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信技術(shù)，具有開放性和全球的統(tǒng)一規(guī)范，可提供低功耗、短距離的無線空中接口，傳輸距離小于10 m，在信號(hào)放大器的幫助下，通訊距離甚至可達(dá)100 m左右[2]，在固定設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線通信?；谒{(lán)牙技術(shù)開發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，不僅可以用來進(jìn)一步開發(fā)藍(lán)牙高層協(xié)議，而且還可作為通用的接口函數(shù)和模塊應(yīng)用到多種無線場(chǎng)合[2]。

藍(lán)牙控制器，可直接連接在智能家居交互平臺(tái)的橋接器USB口上，也可以通過USB延長(zhǎng)線，擴(kuò)展到室內(nèi)應(yīng)用的場(chǎng)所。

智能家居交互平臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)發(fā)送控制信令，藍(lán)牙適配器接收后將信令傳給出去，并被多個(gè)藍(lán)牙模塊或藍(lán)牙設(shè)備接收，經(jīng)單片機(jī)或設(shè)備識(shí)別后完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了智能家居交互平臺(tái)與終端設(shè)備的無線控制功能。本文研究的智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙產(chǎn)品進(jìn)行，其設(shè)備添加和控制的原理與ZWave基本相同。

4.5 RS485技術(shù)的“整合”

RS485設(shè)備通過USB轉(zhuǎn)485數(shù)據(jù)線與智能家居交互平臺(tái)主機(jī)的橋接器進(jìn)行連接，在確保驅(qū)動(dòng)程序正常的情況下，執(zhí)行發(fā)射和接收RS485碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)RS485設(shè)備的整合及控制，如圖7所示。

圖7 USB轉(zhuǎn)RS485接口數(shù)據(jù)線

4.6 RS232技術(shù)的“整合”

智能家居交互式平臺(tái)主機(jī)與RS232設(shè)備進(jìn)行交互的原理和RS485設(shè)備的交互原理是相同的。不同的是通訊協(xié)議不同，設(shè)備端口線不同，功能按鍵的編碼不同。RS232通訊端口的設(shè)備很常見，一般家庭中的影音設(shè)備通常都具有RS232通訊接口，如電視機(jī)、機(jī)頂盒、公放機(jī)、DVD、投影儀等。隨著終端客戶對(duì)影音室的需求提升，多端口轉(zhuǎn)換設(shè)備應(yīng)用出現(xiàn)，使得智能家居系統(tǒng)對(duì)影音設(shè)備的控制變得簡(jiǎn)捷，如圖8所示。

圖8 RS233多端口轉(zhuǎn)換設(shè)備

5 發(fā)展趨勢(shì)

通過對(duì)智能家居領(lǐng)域多種通訊技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行深入的研究，研發(fā)出適合當(dāng)下國(guó)情的智能家居產(chǎn)品體系和系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)造出一套功能強(qiáng)大的智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)。打破了當(dāng)下國(guó)內(nèi)不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備之間不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的窘境；同時(shí)，其他智能家居廠商，尤其是新進(jìn)入智能家居領(lǐng)域的廠商在與“智能家居平臺(tái)系統(tǒng)”對(duì)接時(shí)，其通訊協(xié)議和接口函數(shù)要遵循“智能家居交互平臺(tái)系統(tǒng)”的定義，從而在一定程度上為智能家居統(tǒng)一規(guī)范起到了積極的推動(dòng)作用?！爸悄芗揖咏换テ脚_(tái)系統(tǒng)”是近階段國(guó)內(nèi)智能家居行業(yè)發(fā)展的方向。