基于互聯網的智能家居管理控制系統設計與實現

張君艷，董立勉，盧 寧，劉鶴靈，袁曉磊，高志強

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

基于互聯網的智能家居管理控制系統設計與實現

張君艷，董立勉，盧 寧，劉鶴靈，袁曉磊，高志強

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

針對傳統家居設備操作繁瑣的問題，設計了一種基于互聯網的智能家居管理控制系統，介紹系統的總體架構，以及WEB端設備管理模塊、通信服務器模塊、系統數據庫的功能設計，分析系統安全、短信服務、通信協議等關鍵技術的實現方法，認為該系統可為智能小區用戶提供安全、舒適、便捷的數字化服務。

智能家居；互聯網；智能設備；控制系統；系統設計

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境[1]。以下針對傳統家居的設備操作方面較繁瑣、不方便的缺陷[2]，設計了一種用于居民生活小區的智能家居管理控制系統，用戶輸入用戶名、密碼及手機驗證碼，驗證身份后，通過訪問互聯網可以隨時隨地操控家中的智能設備，為用戶提供了一種安全、舒適、便捷的生活環境。

1 系統總體架構

智能家居管理控制系統是一個基于WEB的設備管理平臺，主要由WEB端設備管理模塊、短信服務模塊、通信服務器、數據庫服務器及智能設備等部分組成，通過采用合理、有效的組網方式，對小區的智能設備進行管理和控制。該系統總體架構采用小區局域網連接互聯網的方式(見圖1)，即智能設備、系統數據庫服務器、通信服務器通過有線局域網組成小區局域網，WEB應用服務器通過防火墻連接到互聯網并對用戶提供服務，從而達到小區居民通過互聯網能夠控制家中智能設備的目的。

圖1 系統總體架構示意

該架構方式適合于用戶量大且集中在某一區域范圍的情況，具有網絡速度快、網絡傳輸信號穩定、受外界干擾小的特點，但是該方式存在建設成本高和對中心結點要求高的缺點。如果用戶分散且用戶量較小，可以采用系統直連到互聯網的方式部署，該方式成本較低，各節點之間比較獨立且無干擾，但是該方式網絡傳輸速度慢、傳輸信號不穩定。

2 系統功能設計

2.1 WEB端設備管理模塊功能設計

WEB端設備管理模塊選用JAVA語言進行開發，采用目前主流的J2EE框架，借鑒MVC(Model View Controller)模式構建了瀏覽器/服務器(B/S)的體系結構，其中MVC設計模式見圖2。

圖2 MVC設計模式示意

系統采用瀏覽器訪問設備管理平臺的方式，大大降低了用戶安裝和維護系統的難度，為用戶提供了友好的操作管理界面，同時系統具有較強的可伸縮性和可擴展性[3]。

WEB端設備管理模塊給小區用戶和管理員提供了基于WEB界面的設備管理工具，系統用戶通過輸入用戶名、密碼和手機驗證碼完成身份識別后方可對具有權限的設備進行管理和控制。WEB設備管理模塊主要包括設備控制、系統設置、日志管理、統計查詢、設備維修、設備管理、高級設置等功能，見圖3。

圖3 WEB端設備管理模塊功能示意

主要功能模塊說明如下：

a. 設備控制模塊是智能家居控制管理系統的核心，該功能包括家電控制和場景控制，用戶可以使用該模塊實現對自己家中的智能設備的開啟、關閉、調節等遠程操作。

b. 設備維修模塊是在用戶設備故障時向物業申請維修的一個通道，管理員或物業維修人員收到用戶報修信息后及時對智能設備進行維修，維修完成后填寫維修記錄。設備維修界面包括查詢、添加、修改、查看、刪除維修記錄的功能。

c. 設備管理模塊是管理員對智能設備進行管理和查看的頁面，包括修改智能設備IP地址、設備密碼、系統時間及添加設備指令格式等功能。

2.2 通信服務器主要功能設計

采用成熟的三層體系結構及C/S模式設計，選擇.Net技術進行開發，并且服務器支持Tomcat中間件系統。系統中通信服務器主要用于WEB端設備管理模塊與智能設備的信息交互，即通信服務器將從WEB端接收到的控制指令發送到智能設備控制器上，并將設備操作結果返回到通信服務器，通信服務器將設備最新狀態更新到數據庫，設備的最終狀態在WEB界面中進行展示。

系統中通信服務器主要由智能同步、智能控制、智能安全、智能日志、智能報警及智能識別等模塊組成。其中，智能同步模塊負責WEB端設備管理模塊與智能家居控制器之間數據的同步；智能控制模塊負責與智能設備進行通信，包括前臺指令的發送、指令的獲取與轉發、反饋信息的呈現；智能日志模塊包括業務操作日志和程序異常日志兩類，其中業務操作日志是對智能設備發送的指令、兩者的同步信息過程、報警信息、控制指令的反饋等進行日志的保存，以備數據查詢；智能安全模塊包括運行安全、數據安全、操作安全三方面；智能報警模塊根據智能設備的報警信息向用戶手機發送短信、聲音等形式的報警；智能識別模塊是對智能設備的狀態進行判斷和監控，程序通過定時機制與智能設備進行Socket嘗試連接，連接成功表示設備在線，連接失敗表示設備掉線，模塊獲取到的狀態及時更新到數據庫。

2.3 系統數據庫設計

由于My SQL數據庫具有易操作性、易管理性等特點，結合智能家居管理控制系統在升級和可擴展性等方面的要求，該系統數據庫選用My SQL數據庫進行設計。

3 系統關鍵技術實現

3.1 系統安全技術

由于WEB應用服務器架設在互聯網中，因此系統安全性尤為重要。智能家居管理控制系統的安全設計主要通過以下技術實現。

3.1.1 用戶身份信息驗證

系統采用“用戶名+密碼+手機驗證碼”的方式對用戶身份進行識別，用戶手機驗證碼的接收是借助短信服務模塊實現的。在系統的個人信息設置中可以設置自己的密碼、用戶名、手機號碼、辦公電話、郵箱及地址等信息。如果用戶要修改個人信息需要輸入正確的手機驗證碼方可保存，較好地保證了用戶的安全。

3.1.2 日志管理功能

系統設置了日志管理功能，包括用戶操作日志和用戶維護日志，對智能設備或用戶賬戶的操作將記錄到此模塊中。其中用戶操作日志是用戶對智能設備操作的記錄；用戶維護日志是除了用戶操作日志之外的日志，如修改用戶、添加用戶、添加指令等，日志管理功能，為用戶和管理員查詢設備操作記錄提供了接口，使得用戶對智能設備的遠程操作更加安全。

3.1.3 統計查詢功能

系統設置了設備控制、安防報警等方面的查詢統計功能。其中設備控制統計查詢包括智能設備IP、控制指令內容、操作結果、操作時間、指令操作人、指令返回時間及返回狀態等詳細信息的查詢；安防報警統計查詢包括報警時間、報警內容、報警用戶等信息。通過統計查詢功能的設置為用戶智能設備的操作和家庭的安全提供了保障。

3.2 集成短信服務功能

智能家居管理控制系統集成了短信服務的功能，在系統單獨的模塊中對短信服務器的IP地址、端口號、用戶名、密碼等信息進行設置，當系統需要發送信息或接收指令時直接調用短信服務模塊的接口即可。在智能家居管理控制系統中，短信服務模塊的消息發送功能包括操作智能設備的用戶身份驗證，發送安防報警信息，向用戶發送通知公告等；短信服務模塊的消息接收功能主要是接收用戶發送的指令，如用戶通過手機編輯短信“空調，開啟”發送到短信服務模塊，該信息接收后存入后臺數據庫，通過將信息按照協議轉換成智能設備可以識別的指令，該指令通過系統發送到智能設備上從而達到用戶操作智能設備的目的。

3.3 通信協議設計

在智能家居管理控制系統中用戶與智能設備的交互是通過通信服務器中通信協議的設計實現的。為保證用戶與智能設備的通信，需要在通信服務器上設置智能設備的IP地址、子網掩碼、監聽端口及報警監聽端口等參數，并將設置好的信息保存在數據庫中，方便服務器調用。用戶與智能設備進行通信時只有發送指令的密碼正確，命令才會被執行, 如果密碼錯誤，命令會執行失敗。在通信服務器上設置定時監測智能控制器狀態的配置，用于數據同步并將智能設備的在線狀態反饋給用戶。

4 結論

居民生活小區的智能化是一個全新的概念，與普通的住宅相比，智能小區具有無可比擬的優勢[4]。基于互聯網的智能家居管理控制系統是利用現代網絡通信、計算機等技術實現的對智能設備遠程控制和管理的平臺，該系統適合于統一部署、集中管理的智能小區用戶對智能設備的管理和控制。用戶只要能夠訪問互聯網即可登錄到該系統對智能設備(空調、電視、窗戶、窗簾等)進行操作，系統采用“用戶名+密碼+手機驗證碼”方式進行身份識別，安全性較高；此外系統還具有短信控制、安防短信報警、用戶操作記錄查詢等功能，可為小區居民提供安全、舒適、便捷的數字化服務。

[1] 羅思晟.論智能小區的安防系統[J]. 智能建筑，2009(106)：72-75.

[2] 馬 明，徐保國，鐘 強.物聯網智能家居系統的研究與設計[J].傳感器世界，2012,18(6)：27-30.

[3] 董立勉,劉 巖,盧 寧.基于信息內外網的電力技術監督管理系統設計與應用[J].河北電力技術，2012,31(3)：21-23.

[4] 張自強.復式住宅中智能家居系統的研究與實現[D].西安:西安科技大學,2006.

本文責任編輯：齊勝濤

Design and Implementation of Smart Home Management Control System Based on Internet

This paper designes a kind of the Smart Home Management Control System based on internet,in view of traditional home devices operation cumbersome,introduces system structure,and function design of WEB end device management module,communication server,system database,analyzes the key technology implement of system safety,message service,communication protocol,considers that this system can provide safe,comfortable,portable digital service for intelligent community

smart home;internet；smart device;control system;system design

2013-01-31

張君艷(1985-)，女，助理工程師，主要從事電力信息化等相關工作。

TP399

B

1001-9898(2013)04-0028-03