智能家居系統的組網及移動端控制實現

高延增+鄧毅華

摘 要：介紹一種智能家居系統組網及移動端控制實現技術。控制中心由嵌入式服務器構建，采用ZigBee將家居設備組成無線網絡系統，然后通過本地WiFi接入的移動App提供網絡服務;云服務器是整個系統的核心，負責為家居控制中心提供云服務、為移動App提供外網接入功能。試驗結果表明，該系統性能穩定，達到實際需求，適合家居系統的物聯網化應用。

關鍵詞：智能家居;ZigBee;云服務器;移動應用

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

物聯網的目的[1，2]是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制，就像人們對智能家居設備的監控需求。伴隨著物聯網技術的不斷發展及智能手機的普及，人們的物質生活水平不斷提高，傳統的家居系統安全性、易用性、舒適性差，無法滿足人們需求，于是要求借助于智能手機和物聯網技術實現“安全的、方便的、可視的、實時的”家居控制系統[3]。物聯網大潮下的智能家居行業具有廣闊的前景，就目前的發展趨勢分析，預計在今后的幾年全球將有近億的家庭構建智能家居系統[4]。一個智能家居系統成功的關鍵在于系統的設計和配置是否經濟合理并且系統能否成功運行，系統的使用、管理和維護是否方便以及系統或產品的技術是否成熟適用[5]。

在智能家居應用中，人們需要隨時隨地控制家居設備，這就需要一個后臺隨時為智能家居系統提供接入服務。而云服務融合了分布式計算、互聯網技術、大規模資源管理等技術，其涵蓋了數據中心管理、資源虛擬化、海量數據處理、計算機安全等重要內容[6]，非常適合為智能家居系統提供后臺服務。ZigBee技術的功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、抗干擾性能好、可靠、安全等特點[7]，非常適合用于智能家居系統中家居設備與家居服務器之間的組網。鑒于智能手機的普及程度，若以設計合理的手機端應用程序作為整個智能家居系統的用戶接口，將在提高用戶體驗的同時降低系統成本。

本文作者綜合家居活動特點對家居設備進行分類，在對智能家居系統進行用例分析的基礎上給出了智能家居系統的整體架構圖及軟件體系結構，并給出了移動接入App的實現效果。本文設計并實現了一個穩定可靠，方便管理、維護、升級的智能家居系統。

1 ?智能家居系統分析

1.1 ?家居常見設備分析

根據家居活動的特點，可將家居設備分為圖 1所示的三大類：（1）生活、安防類，此類家居設備滿足家庭成員的日常生活起居、防火防盜等基本需求，是必不可少的家居設備;（2）娛樂、休閑類，是主要家居設備，是家庭成員工作、學習之余在家庭中進行的主要活動，此類設備功能要求較多、接口較為復雜、控制方式要求多樣;（3）工作、社交類，是家庭成員居家工作、學習、及支撐家庭社交的設備，此類設備對數據通信的速度、穩定性等要求較高。

從圖 1中對家居設備的接口類型分析可知，需要通過兩個步驟實現對家居設備的聯網：（1）對部分家居設備的通信接口進行改造，方便其與其它家居設備的通信并實現聯網;（2）需要一個控制中心將家居設備中數據業務量小的設備進行集中管理實現聯網。

圖1 ?家居設備組成框圖

1.2 ?智能家居系統用例分析

將智能家居系統分為家庭控制中心子系統、云服務器、移動接入App三個子系統，對每個子系統進行用例分析。

（1）家庭控制中心子系統

以物聯網的思想構建智能家居的家庭控制中心子系統。在局域網中，家庭控制中心充當移動接入App的服務器;在廣域網中，移動App通過接入云服務器實現對家庭控制中心的訪問和控制?？刂浦行淖酉到y是將家居設備的采集信號、控制信號進行聯網的中繼，具體的用例分析如圖2。

圖2 ?家庭控制中心子系統用例

智能家居的家庭端控制中心設計為基于Arm + Linux的嵌入式系統，它的運算和存儲能力都有限，因此對于大數據的存儲和比較耗費計算資源的智能運算都由后臺的云服務器承擔。智能家居系統的用戶通過移動端App接入，當處在控制中心同一子網時，直接接入家庭端控制中心，在廣域網時通過云服務器監控智能家居設備。一方面，提高用戶體驗;另一方面，最大限度為用戶節省移動上網資費。

（2）云服務器

云服務器的用例分析用例如圖 3，智能家居系統中的云服務器為眾多安裝了智能家居系統的家庭提供服務，是所有智能家居系統的后臺。云服務器為智能家居家庭控制中心提供復雜數據運算、信息識別、大數據存儲等服務，為移動App提供遠程監控智能家居服務等。角色劃分為家庭控制中心、移動接入App。家庭控制中心負責將采集到的重要家居設備運行狀態（如安防設備狀態）上傳給云服務器、請求服務器的云計算服務等;移動接入App負責智能家居用戶與云服務器的交互，負責根據接收到的用戶指令進行家居設備遠程監控、歷史數據查詢、家庭社交等。

（3）移動接入App

移動App是用戶與智能家居系統的接口，通過局域網或廣域網監控智能家居設備。用例分析如圖 4，每個家庭有一個管理員用戶對其所在的智能家居系統普通成員進行管理。在局域網中用戶直接與家庭控制中心相連，廣域網中通過云服務器與家庭控制中心相連。

2 ?智能家居系統設計與實現

2.1 ?系統架構

從前面對家居常見設備的分析可知，由于通信接口多樣，要將所有家居設備單獨連網較困難，本文設計了一個家庭服務器作為家居設備的控制中心，負責家居設備與手機端移動App、后臺云服務器連接的中繼?；谠朴嬎愕闹悄芗揖訑祿罩行氖俏磥淼陌l展方向[8]，是智能家居的數據、計算、服務中心。移動App是指工作于智能手機上的、方便用戶對擁有的智能家居設備進行控制的專用軟件，它使用戶隨時隨地、直接或間接（通過云服務器）與家庭端智能家居服務器通信。

圖3 ?云服務器用例圖

圖4 ?移動App用例圖

智能家居三個子系統的架構關系如圖 5所示。后臺云服務器為每個使用智能家居的家庭提供一個虛擬服務，與家庭中基于Arm+Linux的服務中心相連，為家居中的防火、防盜等安防設備提供監控數據分析服務，為門禁系統的視頻設備提供視頻識別、情景歸類等計算服務;同時為家庭用戶提供實時外網接入功能。智能家居家庭服務器端通過一個專用的ZigBee協調節點與智能家居設備上的ZigBee終端節點通信，實現對它們的監控，將監控數據和復雜運算請求通過互聯網傳送到后臺云服務器;同時它還通過WiFi為移動App提供局域網接入功能。移動App和瀏覽器直接面向用戶，為用戶提供家居設備的監控接口。

圖5 ?智能家居系統架構圖

2.2 ?軟件體系結構設計

通過用例分析，整個智能家居軟件分為4層：表現層、通訊層、本地處理層、服務層，見圖6。

表現層又分家居設備表現層和移動App表現層，提供用戶操作接口（包括圖形界面），是用戶通過網絡或直接對家居設備進行控制的接口。

通訊層主要負責系統中各個子系統間的通訊，通過ZigBee連接的家居設備和家居服務器之間、家居服務器和云服務器之間、移動App和家居服務器之間、移動App和云服務器之間進行數據通信。這包括ZigBee節點間通信、WiFi本地服務、多進程管理、云服務器虛擬資源調度等。

本地處理層工作在家居服務器中，包括本地數據處理、本地運算處理兩個主要功能。具備本地身份驗證、家居設備指令處理、本地數據存儲等功能。

云服務器層是整個智能家居系統中的核心層級，提供數據組織與管理、數據集成與管理、分布式并行處理、數據分析服務等。

圖6 ?智能家居層級架構圖

2.3 ?移動App應用效果

手機端App的應用效果如圖 7，程序主界面由三行兩列的列表視圖構成。列表主界面的前兩行能夠左右滑動，用戶可以通過左右滑動找到家居設備的控制按鈕進入對應的控制界面。最下面一行是設置按鈕和退出按鈕，用戶可以通過設置按鈕進入網絡參數、用戶參數、以及家居服務器屬性參數設置的選擇界面然后進入相應的設置界面。整個用戶界面較為簡潔，操作方便。

圖7 ?移動App主界面效果圖

3 ?結 ?語

本文以云服務和物聯網的思想為指導設計了智能家居系統，實現了家居設備的本地和遠程控制。由家居服務器、云服務器、手機移動App三部分組成的智能家居系統可以方便地實現系統擴展及增值服務，例如可以在云服務器上擴展以家庭為單位的社交服務，方便鄰里及親屬之間的互動，有利于和諧社會的構建。進一步研究的重點為：（1）整合家居中已有的智能設備、降低智能家居系統的應用成本;（2）進一步完善云服務器功能，增加用戶粘度 。

參考文獻

[1] Darianian M， Michael M P. Smart Home Mobile RFID-Based Internet-of-Things Systems and Services[C]. Advanced Computer Theory and Engineering， 2008. ICACTE '08. International Conference on， 2008： 116-120.

[2] Atzori L， Iera A， Morabito G. The Internet of Things： A survey[J]. Computer Networks， 2010， 54（15）： 2787-2805.

[3]高小平. 中國智能家居的現狀及發展趨勢[J]. 低壓電器， 2005（4）： 18-21.

[4]邵鵬飛， 王喆， 張寶儒. 面向移動互聯網的智能家居系統研究[J]. 計算機測量與控制， 2012（2）： 474-476，479.

[5] De Silva L C， Morikawa C， Petra I M. State of the art of smart homes[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence， 2012， 25（7）： 1313-1321.

[6]羅軍舟， 金嘉暉， 宋愛波.云計算：體系架構與關鍵技術[J]. 通信學報， 2011 （7）： 3-21.

[7] Gang D， Sahinoglu Z， Orlik P， et al. Tree-Based Data Broadcast in IEEE 802.15.4 and ZigBee Networks[J]. Mobile Computing， IEEE Transactions on， 2006， 5（11）： 1561-1574.

[8]劉正偉， 文中領， 張海濤. 云計算和云數據管理技術[J]. 計算機研究與發展， 2012 （S1）： 26-31.