基于廣電的物聯網智能家居平臺設計與應用

◎陜西廣電網絡傳媒股份有限公司 王 鈺，楊 韜

物聯網，顧名思義，就是物物相連的互聯網。其有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通信。因此，物聯網是指運用傳感器、射頻識別（RFID）、智能嵌入式等技術，使信息傳感設備感知任何需要的信息，按照約定的協議，通過可能的網絡（如基于WiFi的無線局域網、2G/3G等）接入方式，把任何物體與互聯網相連接，進行信息交換通信，在進行物與物、物與人泛在鏈接的基礎上，實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、控制和管理。

隨著家居智能化的快速興起，現代家居中的監測、對講、安防、管理及控制等更多的功能被集成應用，從而使得可視對講、家庭安防到家居的燈光、電器的智能控制等子系統越來越多，線路日趨復雜。在滿足功能需求不斷增長的同時，提高了系統的集成度，進一步提升系統的性價比，使安裝及維護工作更為簡單化，并能保證很好的靈活性，是現代家居智能化的發展趨勢。

對于廣電網絡來說，其入戶網絡在建筑建成時就已布置入戶，機頂盒也已成為每家每戶必備的設備。此外，廣電網絡不僅擁有極高帶寬的下行線路，可用于高質量視頻信息的傳輸，同時也部署了數據上行線路，可以用于普通數據的上傳或者下載。廣電網路憑借其得天獨厚的優勢，在無需重新布線和特殊設備改造的前提下，便可通過已有的機頂盒、手機等終端設備實現對室內各種傳感器數據的收集以及對不同智能家居設備狀態的管理和控制。因此，廣電系統無疑是承載智能家居綜合控制和管理的最佳載體，并且能夠為將來的三網融合及與物聯網的接入提供更加豐富的應用，極大地推動了感知中國、智慧城市的建設。

基于此，陜西廣電網絡聯合清華物聯網實驗室共同研發搭建了基于廣電的物聯網智能家居平臺。該平臺以家庭網關為家庭中心結合各類傳感器，利用云計算、數據分析等技術實現了物聯網應用的遠程部署、升級、管控，同時為用戶提供了機頂盒、手機、PC等多種終端的訪問使用途徑。

系統設計

1 設計思路

通過廣電已建成的雙向網絡，在廣電服務器機房搭建一個以智能家居平臺后臺管理系統為中心，家電智能控制、家庭網絡、家庭能源智能計量等物聯網應用子系統并行的平臺系統，利用物聯網家庭網關作為家庭接入終端，實現機頂盒、手機、PC等其他終端的物聯網智能家居的管控，不但保持了原有廣電業務，還可以擴展物聯網智能家居業務，并可以根據不同的用戶需求完成物聯網智能家居業務系統的升級、維護。

其中，作為廣電運營商主要建設、運營的智能家居后臺管理系統，可同時完成與第三方物聯網服務提供商相應的服務子系統的對接工作，從而實現整個智能家居平臺系統的建設、運營。

2 平臺架構

結合廣電實際情況，陜西廣電網絡物聯網智能家居平臺系統邏輯架構分為五層（見圖1）:

感知層：感知層主要完成信息的收集與簡單處理，該層由傳統的WSN、RFID和執行器組成。

接入層：接入層主要完成各類設備的網絡接入。該層重點強調各類接入方式，用戶家庭內部以物聯網家庭網關為家庭接入終端，以機頂盒、平板電腦、手機或者智能主控機作為家庭控制中心通過ZigBee、紅外等無線技術與感知層設備交互，將信息數據通過網絡層傳輸給支撐層。

網絡層：網絡層為原有已建成的高清雙向網絡，主要完成信息的遠距離傳輸等功能。

支持層：支持層又稱中間件,或者業務層，對下需要對網絡資源進行認知,進而達到自適應傳輸的目的。本層主要完成信息數據的表達與處理，最終達到語義互操作和信息共享的目的。對上提供統一的接口與虛擬化支撐，虛擬化主要包括計算虛擬化及存儲虛擬化等內容。

應用層：應用層主要完成服務發現和服務呈現的工作，即主要的物聯網服務提供層。

圖1 物聯網智能家居平臺系統架構圖

關鍵技術分析

1 感知層

智能家居旨在構建智能、舒適、安全的家居體驗。作為物聯網智能家居平臺的基礎模塊，感知層為整套系統提供了最低層的數據支持。感知層通過環境感知、位置感知、RFID感知、控制感知和體感感知五大子模塊，采用異構的感知設備獲取智能家居中的環境信息、用戶信息等數據，并將數據上傳支持層，以支撐高層的數據分享、管理和控制等功能。

由于感知層主要利用原有傳感器進行數據采集，因此，對于不同的數據源應采取不同的通信協議從而提高系統的整體性能。例如，針對室內環境感知主要依賴于智能家居內部署的大量無線傳感器節點，這些節點能夠采集到各項室內環境指標的實時信息，數據量較小，如使用ZigBee通信協議進行數據傳輸，則可在保證傳輸質量的同時降低功耗；而對于視頻監控這類視頻數據量大且實時性要求高的數據則需要通過WiFi技術進行數據傳輸。

2 接入層和網絡層

物聯網智能家居平臺的接入層負責智能家居中家庭網關與各用戶終端（機頂盒、手機、PC等）、智能家居感知設備和智能家居的數據傳輸。家庭內各組件和終端之間的通信協議根據設備不同而不同，包括ZigBee協議、WiFi協議和紅外協議。通過物聯網家庭網關完成協議轉換，接收所有智能家居設備數據。

網絡層負責物聯網智能家居平臺與數據中心、第三方的通信。物聯網智能家居平臺在家庭以物聯網家庭網關為中心，通過已建成的廣電雙向網絡，實現家庭設備與數據中心的互聯；用戶終端通過家庭網關連入廣電雙向網絡，與數據中心進行數據交互，并經由數據中心發送指令到需要的控制終端，從而間接地實現用戶終端與智能家居間的數據交互。

1）無線自組織傳感網

部署在智能家居中的無線傳感器節點配備有ZigBee通信模塊，可以通過ZigBee協議相互傳輸數據。這些節點具有自組網的功能，可自動構成無線傳感網。當周期性地獲取到環境采樣數據之后，這些節點經過單跳或多跳，將獲取到的數據傳輸到所部署的Sink節點上。Sink節點通過家庭網關進行數據匯集，利用廣電網絡的上行線路將數據傳輸到廣電系統的數據中心，進行記錄備份。

2）協議轉換

由于設備的異構性，平臺系統中使用多種協議進行通信。其中，作為物聯網家庭網關的擴展設備，Sink節點通過USB連接到家庭網關；Kinect體感設備通過USB連接到Sink節點；視頻感知設備通過WiFi連接到Sink節點；環境感知設備通過ZigBee連接到Sink節點；對家電的控制使用紅外進行。

針對傳輸協議的多樣性，陜廣智能家居系統主要可實現以下協議的轉換：第一種是ZigBee與紅外線轉換。該轉換由ZigBee紅外轉換器實現。轉換器接收ZigBee數據，根據數據的編碼信息，將信息轉換為相應的紅外信號，用于控制電視、空調等家用電器，見圖2。

圖2 ZigBee—紅外線轉換示意圖

圖3 ZigBee—WiFi轉換示意圖

第二種轉換為ZigBee-WiFi轉換。該轉換由Sink節點實現。Sink節點接收移動設備通過WiFi傳送控制信號后再將這些信號轉換為ZigBee信號發送至受控設備。同時，Sink節點也接收來自感知設備的ZigBee信號，將其中的感知數據上傳至廣電網絡數據中心，見圖3。

3）服務質量（QoS）

在陜西廣電物聯網智能家居平臺系統中，數據隨著應用的不同有著很大的差別。例如，傳感器收集到的數據尺寸往往比較小，且數據產生的頻率并不高。而攝像頭采集到的視頻數據尺寸則比較大，且數據產生的頻率非常高。針對不同數據的不同特點，必須采取合適的策略，以保證數據準確無誤地傳輸。

視頻數據具有體積大、流量高、實時性高的特點。傳感器數據則與之相反，具有體積小、流量低、實時性低的特點。為了實現各項數據高效正確的傳輸，本項目采取以下措施來優化數據的傳輸方式：

在大數據傳輸時加入間隔，小數據設備監聽傳輸信道，如果信道上無數據傳輸，則利用此間隔傳輸；

對小數據打包，使它們大小達到一定尺寸后再發送，提高帶寬利用率。

3 支持層

1）數據中心

數據中心是平臺系統中最為關鍵的技術之一，最大的特點是數據成流狀形式。流數據是一組順序、大量、快速、連續到達的數據序列，一般情況下,數據流可被視為一個隨時間延續而無限增長的動態數據集合。流數據具有4個特點：（1）數據實時到達；（2）數據到達次序獨立，不受應用系統所控制；（3）數據規模宏大且不能預知其最大值；（4）數據一經處理，除非特意保存，否則不能被再次取出處理，或者再次提取數據時將付出昂貴的代價。

2）數據架構

數據庫集群：用多臺PC Server組成一個存儲節點陣列，通過MySQL自身的Replication或者應用自身的處理，可以很好地保證容錯（允許部分節點失效），保證應用的健壯性和可靠性。在集群環境中，開啟MySQL數據庫服務器的master-slave模式，利用數據庫服務器在主從服務器間進行同步，應用只把數據寫到主服務器，而讀數據時則根據負載選擇一臺從服務器或者主服務器來讀取，將數據按不同策略劃分到不同的服務器（組）上，以分散數據庫壓力。

服務器集群與負載均衡：服務器群集中每個服務結點運行一個所需服務器程序的獨立拷貝，而網絡負載均衡則將工作負載在這些主機間進行分配。負載均衡建立在現有網絡結構之上，其提供了一種廉價有效的方法擴展服務器帶寬和增加吞吐量，以加強網絡數據處理能力，提高網絡的靈活性和可用性。其主要完成以下任務：解決網絡擁塞問題，服務就近提供，實現地理位置無關性；為用戶提供更好的訪問質量；提高服務器響應速度；提高服務器及其他資源的利用效率；避免了網絡關鍵部位出現單點失效。

緩存集群：使用緩存能有效應對大負載，減少數據庫的壓力，并顯著提高多層應用程序的性能，如果某個用戶多次請求同一資源，則可以從緩存返回該資源，從而避免了重新從服務器或數據庫請求該資源而產生的系統開銷。緩存可以通過減少獲取請求資源所需的時間，提高應用程序性能。緩存還可以通過減少到服務器的往返次數，降低網絡通信量。

圖4 數據中心數據架構圖

4 應用層

物聯網智能家居平臺可為用戶帶來智能化、人性化、可視化的家居體驗，為用戶提供便捷舒適的生活。整個平臺提供了多樣化的用戶終端，配合感知層感知獲得的數據，用戶隨時隨地可以掌握智能家居內的各項指標數據，并且對智能家居進行管理和控制。

該層主要利用支持層數據接口，對接第三方應用從而結合相應傳感器，以實現第三方物聯網應用的引入。例如，位置服務（ILocationService）接口提供了某個設備在一段時間內的位置跟蹤，內部只包含一個方法：

ListfindPositions(Long devi?ceId,Long startTime,Long endTime)

返回值為設備的位置信息，位置信息包括四個屬性：Longtitude經度；Latitude 緯度；Altitude高度；limestamp（時間戳）。

基于廣電的物聯網智能家居平臺可實現功能見表1。

功能實現

1 室內環境檢測

通過在室內關鍵位置，例如廚房、客廳、臥室和衛生間等，分別布置各種相關的傳感器，包括一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器和粉塵顆粒傳感器等等，用于實時地收集和檢測室內各個部位的環境情況，并將數據傳輸給后臺，用于在前端設備實時顯示和數據分析。用戶也可以向數據中心請求查看歷史數據。

2 數據收集及保存

從各式傳感器、智能家居設備中記錄下來的數據和攝像頭記錄下來的視頻數據均通過ZigBee首先傳輸給物聯網家庭網關，然后再由物聯網網關通過廣電網絡上傳到后臺數據中心保存。

3 智能用戶控制

將各個智能家居設備通過ZigBee與物聯網網關進行無線連接，對于智能家居的控制，可分為以下3種模式：

1）用戶在室內時，可以通過機頂盒、手機等終端發送控制命令給物聯網網關或者通過移動控制主控機將命令發送給物聯網網關，物聯網網關再對命令進行解析，發送給相應的智能家居設備，進行相應的控制。

2）用戶在室外時，可以通過移動終端連接Internet訪問廣電系統后臺服務器來發送控制命令，服務器再將命令發送到相應物聯網網關，最后物聯網網關發送該控制命令到具體的智能設備進行相應控制。

表1 基于廣電的物聯網智能家居平臺可實現功能

圖5 平臺接入終端系統展示

4 智能感知控制

在平臺系統中，該平臺通過環境監測、用戶位置識別、用戶指令識別等方式，獲取智能家居中的各項環境指標以及用戶的需求情況，通過智能化計算，并且配合用戶的預設需求，智能家居就可智能地提供給用戶最需要的服務。

5 智能安防系統

通過在智能家居內設置攝像頭、紅外探測等方式，實時監測室內異常、非法物體進入，以實現智能家居內的安全防護功能。同時，可根據用戶當前活動狀態和位置，自動轉換智能家居當前的安防等級，且可兼顧安全性、節能性和智能性。

6 智能健康服務平臺

通過智能家居的感知能力，獲取用戶及其周邊環境的信息，創建用戶電子健康檔案，通過醫療機構的統計和分析，為用戶提供量身定制的疾病預防、發現、監測、治療等一系列遠程健康服務。

應用與發展

物聯網并非新技術，而是將現有的傳感技術、計算機網絡技術、通信技術以及自動控制技術等進行高度融合。因此，如何利用已有設備，構建符合廣電產業需求的實驗環境將是物聯網實驗室平臺建設的關鍵。

基于廣電的物聯網智能家居平臺系統合理地利用了廣電的自身優勢，對下可接入多種行業終端，對上則可支持多種行業應用，把各種垂直的物聯網應用整合成一個扁平的應用網絡體系，建立了一套適合廣電的物聯網應用模式：在用戶家庭通過物聯網家庭網關完成組網，利用廣電的雙向網絡實現物聯網智能家居平臺的遠程升級、管控。例如，當用戶想要添加物聯網智能安防系統時，對于廣電，首先應對接第三方專業智能安防服務公司，完成接口對接以確保平臺支持智能安防業務；對于用戶，只需要購買所需的監控攝像頭或者紅外探測儀，即可在廣電開通智能安防業務體驗服務（傳感器設備也可根據廣電業務打包向用戶贈送等）。通過以上方式，可以降低成本，快速地部署廣電物聯網智能家居業務，從而擴展服務范圍，加速廣電與物聯網產業的融合。

小結

對廣電而言，家庭物聯網是一個不可放棄也不能放棄的領地。廣電網絡運營商應利用物聯網產業與廣電網絡的結合點，抓住機遇、明確方向、突出重點，以物聯網基礎傳輸平臺建設和三網融合建設為基礎，推進物聯網應用的技術發展，全方位拓展廣電物聯網業務，從而有效帶動相關產業的全面發展。