一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究

俞文俊 凌志浩，2

(華東理工大學(xué)自動化系1，上海 200237;化工過程先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，上海 200237)

0 引言

為了滿足社會對生產(chǎn)、生活各個環(huán)節(jié)不斷增長的智能化、便捷化的要求，物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)伴隨著電信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)的發(fā)展融合應(yīng)運(yùn)而生。所謂物聯(lián)網(wǎng)就是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的嵌入式芯片及軟件，使這些實(shí)體成為“智能物體”，并通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，最終實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的通信[1]。物聯(lián)網(wǎng)主要具備以下三個特征：①全面感知，即能夠隨時隨地獲取實(shí)體的信息;②可靠傳遞，即要求將實(shí)體的感知信息實(shí)時準(zhǔn)確地傳遞出去;③智能處理，即要求對海量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行高效的分析和處理并實(shí)現(xiàn)對實(shí)體的智能化控制。

目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括物流監(jiān)控、污染監(jiān)控、智能檢索、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能交通和智能家居(smart home)等[2]。其中，智能家居因其應(yīng)用前景廣闊、潛在市場需求巨大且發(fā)展迅猛而受到廠商的廣泛關(guān)注。智能家居就是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)和音視頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的集成，從而構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，滿足用戶對家居的安全性、舒適性需求。

1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)依據(jù)全面感知、可靠傳遞、智能處理的功能需求，可劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層次。

①感知層

感知層包括各類搭載了ZigBee無線通信模塊的家用電器、照明設(shè)備和安防設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)對家庭環(huán)境的全面感知，并由智能家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)感知層和網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)交互。

②網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和一臺Web站點(diǎn)服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于同家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;Web站點(diǎn)服務(wù)器通過訪問上述數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)將信息，并通過Web站點(diǎn)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上。

③應(yīng)用層

應(yīng)用層包括各類搭載了Web瀏覽器的終端設(shè)備，用戶可通過Web瀏覽器訪問上述站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的管理和控制。

智能家居系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Framework of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的硬件主要包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等的設(shè)計，具體介紹如下。

首先，對處于感知層的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，包括多個ZigBee終端/路由節(jié)點(diǎn)和一個ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。通過在家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)上搭載上述ZigBee通信控制節(jié)點(diǎn)，將散布在家庭環(huán)境中的各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)各類家居設(shè)備的連接以及智能化。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和路由維護(hù)，并實(shí)時地將無線傳感網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控用PC，同時接收并轉(zhuǎn)發(fā)由上述監(jiān)控用PC發(fā)送來的控制數(shù)據(jù)。

然后，將上述監(jiān)控PC機(jī)通過WiFi或以太網(wǎng)，與Internet路由器相連接組成家庭智能網(wǎng)關(guān)。其中，PC機(jī)在數(shù)據(jù)下行側(cè)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器通過RS-232串行通信接口相連接;路由器在數(shù)據(jù)上行側(cè)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)相連接，通過“PC機(jī)+路由器”的模式實(shí)現(xiàn)了連接傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)功能。通過上述“PC機(jī)+路由器”的模式，實(shí)現(xiàn)了連接傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)功能。

同時，在互聯(lián)網(wǎng)中搭建一個基于 Microsoft SQL Sever 2005的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用于與上述路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析處理和存儲;另外搭建一個基于.NET框架的Web站點(diǎn)服務(wù)器，通過訪問上述數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲得實(shí)時的家居環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過Web站點(diǎn)發(fā)布給用戶;接著將在Web頁面上接收到的用戶指令交遞給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

最終，遠(yuǎn)程用戶通過各類搭載了Web瀏覽器的終端設(shè)備訪問Web站點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備的監(jiān)視和控制。

整個系統(tǒng)主要由無線傳感網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控用PC、路由器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web站點(diǎn)服務(wù)器以及各類終端設(shè)備組成，系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware framwork of system

3 無線組網(wǎng)技術(shù)

智能家居領(lǐng)域的組網(wǎng)技術(shù)一般可分為有線組網(wǎng)和無線組網(wǎng)兩種技術(shù)。目前，有線組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電話線、電力線和以太網(wǎng)等，有線組網(wǎng)都不同程度地存在著布線繁瑣、擴(kuò)展性差、影響家居美觀等缺點(diǎn)。新興的無線組網(wǎng)技術(shù)在智能家居應(yīng)用領(lǐng)域中則具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，其無需布線、便于安裝和后期維護(hù)、容易遷移和擴(kuò)展等特點(diǎn)，特別適合靈活的家居應(yīng)用場景。這些優(yōu)勢使無線組網(wǎng)技術(shù)正逐漸取代有線組網(wǎng)技術(shù)，成為智能家居系統(tǒng)末梢網(wǎng)的主流組網(wǎng)技術(shù)[3]。

在智能家居系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，一般對設(shè)備節(jié)點(diǎn)的信息采集速率和命令發(fā)送速率要求都比較低。典型情況下，一般要求采集速率和發(fā)送速率為十幾kbit/s左右即可滿足要求[4]，但對信息傳輸?shù)目煽啃院途W(wǎng)絡(luò)容量要求較高。在目前常見的無線組網(wǎng)技術(shù)中，與脈沖無線電、Z-Wave、藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù)相比，ZigBee作為一種低功耗、低成本、低速率和低復(fù)雜度的近程無線通信技術(shù)，特別適合智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，并被業(yè)界廣泛采用[5]。

在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立過程中，首先需要由協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)。為了避免與其他工作在2.4 GHz設(shè)備間的信號干擾，協(xié)調(diào)器首先在其16個信道中掃描并選擇出一個能量最小的信道，并在其上建立自己的網(wǎng)絡(luò)。由于信道的個數(shù)只有有限的16個，所以在復(fù)雜的應(yīng)用場景中還可能存在多個網(wǎng)絡(luò)共享一個信道的情況。ZigBee協(xié)調(diào)器通過給網(wǎng)絡(luò)指定不同的個域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志符(personal area network ID，PANID)來解決這個問題。PANID的設(shè)定范圍是0x0001～0x3FFF，不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過不同的PANID來識別彼此間的區(qū)別，避免干擾。當(dāng)路由器和終端設(shè)備啟動之后，在沒有被強(qiáng)制指定過PANID的情況下，協(xié)調(diào)器會定時掃描16個信道，在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之后會自動加入，從而實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的自組網(wǎng)過程[6]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計

位于智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，匯聚了由感知層傳來的各類節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。為了將眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的歸納匯總，并且最終實(shí)現(xiàn)智能的分析管理，就需要用到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一個通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理和存儲數(shù)據(jù)的計算機(jī)軟件系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)安全性控制、數(shù)據(jù)完整性控制、并發(fā)控制以及故障發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)等功能[7]，能夠?qū)Υ鎯υ谟嬎銠C(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)集合提供高效、靈活的訪問方式。。

本系統(tǒng)采用Microsoft SQL Sever 2005作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并通過設(shè)計用戶信息管理模塊、設(shè)備信息及活動狀態(tài)管理模塊和漢英互譯模塊三個模塊，來滿足智能家居應(yīng)用的具體需求。

用戶信息管理模塊包括一張存儲用戶ID、用戶登錄名、登錄密碼、訪問權(quán)限以及計費(fèi)信息的表單。計費(fèi)信息表單以用戶ID作為主鍵，每個用戶ID對應(yīng)一條不重復(fù)的記錄。用戶只有在通過認(rèn)證后才能登陸Web站點(diǎn)并獲取數(shù)據(jù)服務(wù)，同時依據(jù)其具有的訪問權(quán)限對自有設(shè)備進(jìn)行管理和控制，并且按照一定的計費(fèi)方法支付給服務(wù)提供商費(fèi)用。

設(shè)備信息及活動狀態(tài)管理模塊由四張表單組成，分別為節(jié)點(diǎn)信息注冊表、設(shè)備實(shí)時活動狀態(tài)記錄表、設(shè)備歷史活動記錄表和節(jié)點(diǎn)類型記錄表。

①節(jié)點(diǎn)信息注冊表，它用于保存節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)描述信息，包括節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)所有者等信息。該表單使用節(jié)點(diǎn)ID作為主鍵，每個節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)ID對應(yīng)一條不重復(fù)的記錄，用于記錄節(jié)點(diǎn)的各種基本屬性。

②設(shè)備實(shí)時活動狀態(tài)記錄表，它用于保存節(jié)點(diǎn)的動態(tài)描述信息，即節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的活動狀態(tài)信息，包括節(jié)點(diǎn)ID、當(dāng)前指令執(zhí)行內(nèi)容、當(dāng)前指令執(zhí)行狀態(tài)和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)活動狀態(tài)。該表使用節(jié)點(diǎn)ID作為主鍵，每個裝置節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)ID對應(yīng)一條不重復(fù)的記錄，并根據(jù)感知層發(fā)送上來的信息對其進(jìn)行實(shí)時更新。

③設(shè)備歷史活動記錄表，它用于保存節(jié)點(diǎn)的歷史活動信息，包括節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)歷史事件時間記錄和節(jié)點(diǎn)歷史事件內(nèi)容記錄。該表使用節(jié)點(diǎn)ID作為主鍵，每個裝置節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)ID對應(yīng)多條不重復(fù)的歷史活動記錄，以備數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)訪問調(diào)取。

④節(jié)點(diǎn)類型記錄表，它用于保存不同類型節(jié)點(diǎn)的能力描述信息和指令集信息，包括節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行指令。該表單以節(jié)點(diǎn)類型為主鍵，每個節(jié)點(diǎn)類型對應(yīng)多條不重復(fù)的記錄，每條記錄對應(yīng)一條不同的可執(zhí)行指令，如照明類型節(jié)點(diǎn)需要有開關(guān)指令和亮度調(diào)節(jié)指令，空調(diào)設(shè)備需要有模式控制和溫度設(shè)定等指令。

在感知層和網(wǎng)絡(luò)層的信息及指令交互過程中，為了便于各個功能模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及轉(zhuǎn)發(fā)操作，系統(tǒng)內(nèi)部均采用了英語作為交互語言;而在通過Web頁面向用戶呈現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及接收用戶控制指令時又需要將上述信息進(jìn)行漢化，故設(shè)計了英漢互譯模塊。漢英互譯模塊包括一張用于英漢互譯的漢英字符串互譯對照表。該表單以英語字符串為主鍵，每條英語字符串對應(yīng)一條相應(yīng)語義的漢語字符串。

為了在應(yīng)用層向用戶提供更為直觀的數(shù)據(jù)服務(wù)，需要將這些數(shù)據(jù)在Web頁面顯示時進(jìn)行漢化。

4.2 基于ADO.NET的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)

在網(wǎng)站程序開發(fā)過程中，涉及到網(wǎng)站對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問。本系統(tǒng)中采用了基于ADO.NET的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與SQL Sever 2005數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。基于ADO.NET的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)與ASP.NET同屬.NET應(yīng)用框架。ADO.NET可對可擴(kuò)展標(biāo)記語言(extensible markup language，XML)提供全面支持，并且提供全新的非連接數(shù)據(jù)緩沖模型。這使得其在構(gòu)建結(jié)構(gòu)松散的、非鏈接的Web應(yīng)用程序時有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。ADO.NET包括兩個核心組件：NET框架下的數(shù)據(jù)提供程序(data provider)和數(shù)據(jù)集(dataset)。前者實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作以及快速只讀訪問，后者則是具體的數(shù)據(jù)庫容器。數(shù)據(jù)提供程序包括四個對象：即用于實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫連接的Connection對象、在數(shù)據(jù)源中執(zhí)行SQL命令的Command對象、通過Command對象實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫快速檢索的DataReader對象、使用Command對象將數(shù)據(jù)加載到DataSet中并確保DataSet中數(shù)據(jù)的更改與數(shù)據(jù)源保持一致的Data-Adapter對象。

數(shù)據(jù)庫的各類數(shù)據(jù)原語操作如下。

4.3 基于ASP.NET的網(wǎng)站設(shè)計

傳統(tǒng)的客戶端/服務(wù)器(client/server，C/S)結(jié)構(gòu)雖然具有運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)安全性高等優(yōu)點(diǎn)，但其運(yùn)行還需要在用戶訪問終端安裝額外的客戶端軟件。考慮到本系統(tǒng)需要支持手機(jī)對服務(wù)器的訪問，而手機(jī)設(shè)備往往由于自身資源有限而不足以支持客戶端的運(yùn)行，因此，本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器 (browser/sever，B/S)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計[8]。

與C/S結(jié)構(gòu)相比，B/S結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是無需安裝客戶端，可以在用戶不安裝額外軟件的情況下提供服務(wù)。B/S結(jié)構(gòu)將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)全部集中安放在Web服務(wù)器上，用戶則統(tǒng)一使用Web瀏覽器來訪問Web服務(wù)器，并運(yùn)行加載在其上的程序和數(shù)據(jù)[9]。因?yàn)橄到y(tǒng)的更新維護(hù)以及數(shù)據(jù)管理都在服務(wù)器上進(jìn)行，所以也可以很容易對其進(jìn)行功能擴(kuò)充。

Web服務(wù)器主要有 CGI、PHP、JSP 和 ASP.NET 四種開發(fā)技術(shù)，本系統(tǒng)采用了基于ASP.NET的技術(shù)作為網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)。ASP.NET以其獨(dú)特的緩存技術(shù)，使得在處理用戶相同的Web訪問請求時無需重新加載頁面[10]。因此，這種技術(shù)具有很高的頁面處理速度和運(yùn)行效率，特別適合應(yīng)用于服務(wù)器和用戶信息交互頻繁的智能家居系統(tǒng)。

針對管理員、普通用戶和來賓這三種不同的用戶類型，網(wǎng)站被設(shè)計成了與之對應(yīng)的三個模塊。整個網(wǎng)站的系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)站的系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flowchart of the web site

5 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深刻而迅猛的發(fā)展，智能家居作為其中一塊應(yīng)用前景廣泛而且潛在市場巨大的應(yīng)用領(lǐng)域，其價值越來越引起各大廠商的關(guān)注。本文從智能家居系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求出發(fā)，針對用戶服務(wù)訪問設(shè)備資源有限的特點(diǎn)，設(shè)計了一個基于B/S架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，提出了一種有效的智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。

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