基于XMPP協(xié)議的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現

尹克新 林琳

摘要：從即時通信領域引入XMPP協(xié)議解決智能家居系統(tǒng)中通信標準不統(tǒng)一、系統(tǒng)擴展性差的問題。提出基于XMPP協(xié)議的系統(tǒng)架構，使用ZigBee無線網絡協(xié)議連接家庭中的各環(huán)境傳感器節(jié)點，從而實現對家居環(huán)境信息的實時采集，數據通過網絡保存在支持XMPP協(xié)議的服務器上，客戶端軟件通過XMPP協(xié)議獲取數據并呈現給用戶。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有實時性強、測量準確、擴展性好、成本低等優(yōu)點。

關鍵詞：XMPP協(xié)議；ZigBee網絡；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；智能家居

DOIDOI：10.11907/rjdk.1511623

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0068-03

0 引言

近年來，智能家居系統(tǒng)逐漸進入普通家庭，給人們生活帶來了極大便利[1]。環(huán)境監(jiān)測是智能家居系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測環(huán)境參數，提供安全健康的生活環(huán)境，因而得到了廣泛應用[2]。

國內智能家居系統(tǒng)還處在初步發(fā)展階段，智能家居行業(yè)逐漸形成，國內各大電器廠家也適時推出了自己的智能家居系統(tǒng)與標準[3]。在國外，自從美國于1984年建造第一座智能建筑以來，美國、澳大利亞、日本以及歐洲等都大力發(fā)展智能家居，并先后提出了不同的解決方案，智能家居系統(tǒng)得到廣泛發(fā)展和應用[4]。

不同廠家生成的或不同品牌的智能家居產品缺乏統(tǒng)一的協(xié)議標準，人們很難控制和管理這些異構設備，給日常生活帶來了諸多不便。XMPP協(xié)議廣泛應用于即時通信系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、物聯(lián)網通訊系統(tǒng)、文件傳輸系統(tǒng)、分布式通信系統(tǒng)等領域[5]。受 XMPP 協(xié)議在即時通信領域的啟示，采用基于XMPP協(xié)議的一種抽象的說明性語言 XCITL來描述這些家居設備的基本信息和控制指令，再通過這種語言制定智能家居控制信息的傳輸標準，最終實現智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構

智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為感知層、網絡層和應用層3個層次，如圖1所示。感知層由溫度、濕度、亮度和PM2.5四種傳感器節(jié)點組成。根據家庭環(huán)境情況監(jiān)測要求，這四種傳感器節(jié)點按照不同的比例分布在各個房間。其中，客廳和臥室是活動和休息的重要場所，需要把四種類型的傳感器節(jié)點布置其中。而衛(wèi)生間只要求布置溫度和濕度傳感器節(jié)點，餐廳只需布置亮度和PM2.5傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點將采集到的環(huán)境數據信息通過ZigBee無線網絡上傳到XMPP服務器。

網絡層有互聯(lián)網、無線網絡和ZigBee網絡3個網絡部分組成，實現不同層次的數據信息傳送和信息交流。其中，ZigBee網絡負責把感知層傳感器節(jié)點采集到的環(huán)境數據信息上傳到XMPP服務器，同時用戶的各種控制命令也通過ZigBee網絡傳給傳感器節(jié)點?；ヂ?lián)網和無線網絡（4G/wifi）負責終端、智能手機和XMPP服務器之間的通信。

應用層由終端、智能手機和XMPP服務器組成。XMPP服務器主要負責存儲傳感器節(jié)點采集到的家庭環(huán)境數據信息，另外也存儲終端用戶登錄系統(tǒng)的用戶名、密碼等信息。終端和智能手機用戶通過互聯(lián)網、無線網絡，以XMPP協(xié)議為基礎和XMPP服務器進行通信，讀取家庭環(huán)境數據信息，實時了解和掌握家庭的環(huán)境狀況。

2 XMPP服務器設計

系統(tǒng)采用基于XMPP協(xié)議的Openfile作為服務器。Openfie是基于Java語言開發(fā)的，對于XMPP協(xié)議有著較為完備的實現和安全性、可擴展性，廣泛用于各類即時通信系統(tǒng)和社交平臺的基礎架構。服務器端主要功能是實現與客戶端的交互，包括請求認證和消息處理。

（1）請求認證：客戶端與服務器建立通信連接之前，要通過服務器認證操作。服務器端設置有連接請求的監(jiān)聽，一旦監(jiān)聽到客戶端請求，就調用信息處理模塊，對XML數據流進行處理。如果滿足認證條件，就反饋認證結果給客戶端，并開啟一個新的會話連接鏈路和客戶端進行通信，直到客戶端關閉信息流為止；如果不滿足認證條件，就將認證失敗的結果反饋給客戶端[6]。

（2）消息處理：通過認證后，XMPP服務器會根據客戶端的JID建立不同的會話，每個會話均由一個獨立的線程來管理。為了保證會話效率，會話管理采用線程池的策略。由于即時通訊實時性的要求，服務器要實時監(jiān)測好友在線狀態(tài)，只有確認好友在線的情況下，才將信息傳送過去。服務器架構如圖2所示。

服務器主要由核心模塊、服務支持模塊、接口模塊、數據模塊4個模塊組成。各模塊功能如下[7]：

（1）核心模塊。是服務器功能實現的核心部分，由注冊、登錄、XML解析器和路由4種模塊組成。當用戶首次使用該系統(tǒng)時，需要填寫相應的個人信息進行注冊。注冊成功后，填寫用戶名和密碼就可以登錄該系統(tǒng)。成功登錄后，就可以設置系統(tǒng)參數和采集家中環(huán)境數據信息。XML解析器負責將服務器端接收到的XML數據格式轉換成可以執(zhí)行的JAVA代碼。路由模塊負責系統(tǒng)通信鏈路最優(yōu)路徑選擇。

（2）服務模塊。由會話管理器和連接管理器兩個模塊組成。會話管理器負責客戶端和服務器端之間的通信認證，JID地址管理、通信流程建立和相應安全機制的實現。連接管理器負責客戶端和服務器端之間的連接，管理用戶的在線狀態(tài)、用戶列表等信息。

（3）數據模塊。由MySQL數據庫和數據存儲器兩個模塊組成。由于MySQL數據庫是開源的，用戶可以下載和使用，不會涉及版權問題，并且功能強、安全性好，所以選擇它作為系統(tǒng)數據庫。MySQL主要存儲從傳感器節(jié)點采集到家庭環(huán)境數據信息。數據存儲器負責和MySQL數據庫的連接，保存系統(tǒng)通信日志、用戶信息等。

（4）接口模塊。由插件和組件兩個模塊組成。用于實現Openfile服務器和其它服務器的連接，相當于網關功能。通過接口模塊，本系統(tǒng)上的客戶端可以和其它服務器上的客戶端相互通信，大大提高了系統(tǒng)的擴展性。

3 客戶端

用戶終端采用VB語言開發(fā)，能夠基于XMPP協(xié)議進行數據傳輸。根據任務要求，客戶端主要分為三層實現，如圖3所示。

連接層主要提供通信鏈接功能。系統(tǒng)采用TCP套接字方式鏈接。用戶向服務器發(fā)起連接請求后，TCP從用戶界面模塊中獲得用戶名、密碼和服務器地址等信息，然后建立連接。

XMPP層包括XMPP協(xié)議功能模塊和XML解析模塊。XMPP協(xié)議功能模塊負責管理客戶端和服務器之間的通信。XML解析模塊負責對從服務器上獲得的XMPP信息流進行解釋。

應用程序接口層為交互界面提供統(tǒng)一接口調用，包括用戶的注冊、登錄等。功能設置可以對傳感器節(jié)點的采樣周期和節(jié)點選擇等系統(tǒng)信息進行設置，環(huán)境信息顯示是指把家庭環(huán)境狀況信息直觀地顯示出來，呈現給用戶，節(jié)點狀態(tài)分布是傳感器節(jié)點在家中各個房間的分布情況[8]。

4 實驗

為了模擬真實實驗環(huán)境，實驗選擇在有人居住的家庭環(huán)境中進行。一方面可以驗證ZigBee網絡部分傳感器節(jié)點的數據采集和數據收發(fā)能力；另一方面，也可以驗證節(jié)點能否在復雜的環(huán)境下工作。實驗時間是2015年10月8號下午兩點，室內環(huán)境溫度20攝氏度左右，濕度50%，晴朗天氣，亮度顯示光線強，由于家中經常打開門和窗通風，PM2.5顯示優(yōu)。實驗結果如圖4所示。

5 結語

本文設計了一種以XMPP協(xié)議為通信標準，實現各部分互聯(lián)互通的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。在真實環(huán)境中驗證系統(tǒng)各項功能和指標。系統(tǒng)能夠準確測量和采集家居環(huán)境的數據信息，并將這數據準確無誤地傳給服務器，且在客戶端顯示這些信息，與分析結果一致，達到了預期效果。該系統(tǒng)采用ZigBee無線網絡技術構建環(huán)家庭環(huán)境數據采集系統(tǒng)，省去有線布置的諸多不便，便于節(jié)點的刪除和添加，具有測量準確 、實時性強 、成本低 、擴展性好等優(yōu)點。

參考文獻：

[1]吳藝娟 ，秦彩云，萬米洋.基于ZigBee技術的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].北京石油化工學院學報，2013，21（1）：46-47.

[2]賈飛，夏路易.基于zigBee技術的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].電腦開發(fā)與應用，2008，21（2）：55-56.

[3]蔡曉宇.基于ZigBee和Android技術的家庭環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)[D].南京：南京師范大學，2012.

[4]張亮.基于ZigBee技術的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[D].武漢：武漢科技大學，2009.

[5]施濟瑜，苗放，王華軍，等.基于XMPP協(xié)議文件傳輸的研究與實現[J].計算機測量與控制，2009，17（4）：732-733.

[6]鞏元鵬.基于XMPP協(xié)議的智能家居遠程控制系統(tǒng)研究設計[D].青島：中國海洋大學，2012.

[7]周謙，劉志勤，王耀彬，等.基于XMPP的智能小區(qū)遠程控制系統(tǒng)研究與設計[J].計算機測量與控制，2015，23（2）：482-483.

[8]周欣，倫立寶，張庚，等.基于XMPP擴展協(xié)議的遠程控制系統(tǒng)研制[J].計算機與網絡，2014（2）：67：68.

（責任編輯：陳福時）