探討基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現

藍土慶

（嶺南師范學院網絡與信息技術中心，廣東湛江，524048）

0 引言

所謂物聯網是指具有全面感知能力的物物之間通過互聯網相連的集合網絡。目前，物聯網、云計算和互聯網三網融合的技術相應出現，為智能家居的發展提供了技術支撐。通過互聯網將物與物彼此之間信息互通相連，實現人與物之間的高度智能化控制是智能家居目前發展的一大特征。因此，通過智能家居控制系統的設計與實現能夠更好地滿足人們對高質量生活的追求[1]。本文將探討與設計一種智能家居控制系統，實現環境集控、煤氣和安防監測報警等功能。

1 系統總體設計

1.1 系統總體方案設計

本文研究設計的智能家居控制系統如圖1所示，它主要包括三個部分，第一部分是下位機控制系統，下機控制系統內部由執行單元、CPU、無線網絡控制單元、互聯網模塊等多個部件組成；第二部分是網絡服務器，網路服務器在服務端對數據實施各種操作處理。第三部分是上位機控制終端程序，包括移動端APP和瀏覽器終端等，用戶可通過上位機的客戶端窗口向下位機控制系統發號施令【2】。

該系統的工作流程是：下位控制系統中的一系列無線傳感器會采集家居中的環境數據，然后由互聯網模塊將數據傳輸到服務器，當服務器接受到數據之后，會作出相應的處理。用戶通過處于同一網絡的客戶端程序可以向控制系統發出對應指令，客戶端程序會將指令信息通過網絡傳輸給服務器，由服務器作出處理，從而實現對整個智能家居系統的控制[3][4]。

1.2 系統硬件架構設計

圖1 智能家居控制系統總體框架圖

圖2 智能家居控制系統的硬件結構示意圖

該智能家居控制系統的實時感知無線傳感網絡主要采用Zigbee【2】網絡的拓撲結構，通過Zigbee網絡節點可實現對室內的溫度、光度、煤氣濃度等環境參數的采集。主要由以下五個控制模塊組成：（1）智能燈光模塊由光照傳感器和LED燈組成，負責對光照強度進行控制；（2）智能家電控制模塊通過對電路開關的控制，實現對家用電器的控制；（3）智能溫控模塊通過控制空調實現對室內溫度的控制；（4）煤氣泄漏報警模塊可以實現對屋內煤氣泄漏的監控；（5）紅外傳感器報警模塊可實現電子防盜報警功能，由于紅外線是不可見光，有較強的隱藏性和保密性，因此可應用到家居中實現人體探測的功能。當所布防的區域內檢測到有人員移動時，該模塊將動作向指定手機發送安防信息。系統的硬件結構如圖2所示。

本智能家居控制系統的主要硬件選擇如下：（1）主控采用的是Arduino單片機Atmel32u4芯片，它具有豐富的第三方資源，極大方便了下位機系統各種功能的設計；（2）無線模塊是智能家居系統實現遠程操作控制的保障，本系統選用的無線模塊是CC3000WiFi，該模塊在智能家居上有著廣泛的應用；（3）溫濕度傳感器是DHT11數字式傳感器，該傳感器的靈敏度高，穩定性好，抗干擾能力強。該傳感器與一個8位二進制的單片機相連，有一個NTC感溫單元和一個電阻式感濕單元；（4）光傳感器是智能燈光模塊的核心部件，本系統采用的是LX1972環境模擬光傳感器，該傳感器能夠模擬人眼對光線的響應機制，從而實現對光的合理控制；（5）氣體傳感器是煤氣泄漏模塊的核心部件，能夠有效防止火災的發生，該系統選用了煙霧傳感器MQ-2作為氣體傳感器。當室內的煙霧濃度達到一定的閥值時會觸發傳感器，傳感器會發出蜂鳴警報，并且通知用戶做出緊急處理；（6）熱釋電傳感器主要采用了美國 HAMAMATSU公司生產的 P2288，對人體的移動具有較強的敏感性和抗干擾性。

2 關鍵技術分析

2.1 Android終端

安卓系統的內核是Linux內核，整個系統是以Linux內核為核心，然后在外層包含了多個硬件的底層驅動程序，在應用層包含了應用程序可以接入系統的接口。應用程序層在安卓系統架構的最上層，通常一個Activity就是一個應用程序的一個單獨用戶界面，用戶通過Activity與應用程序進行交互[5]。由于一個程序需要實現多個功能，通常，每個安卓應用程序都包含多個Activity，不同的Activity對應不同的功能模塊。

2.2 Tomcat

本文的智能家居控制系統選用Tomcat作為系統的服務器。Tomcat 是一個集成了 JavaEE【2】標準的小型Web服務器，并且其性能穩定，安全免費開源。Tomcat服務器在工作時首先啟動server.xml文件進而實現Server啟動，Server啟動時，會首先啟動Service，然后相繼啟動多個Connector連接器，啟動后的Connector會處于等待狀態，等待客戶機的連接。當客戶通過瀏覽器對服務器進行訪問時就會與Connector連接器連接，然后連接器會將用戶的請求交給Engine處理，Engine接到請求后會對其進行數據解析，然后交給相應的Host，Host交給對應的Web[4]。

2.3 Web服務器

Web服務器是運行在計算機服務端的程序，也就是通常所說的網站服務器。Web服務器可以為APP終端或者瀏覽器提供所需要的數據。Web服務器是一種被動程序，當客戶端或者瀏覽器通過互聯網向其發起連接時，服務器才會響應，服務器不能主動與客戶端程序或者瀏覽器主動連接請求。客戶端與Web服務器端的通信過程如圖3所示。

圖3 智能家居控制系統的數據通信過程

2.4 Http協議

Http協議是超文本傳輸協議，屬于TCP/IP應用層協議。Http協議是實現客戶端程序和服務端程序通信的應用最為廣泛的通信協議。該協議規定了兩者在進行信息交換時應該遵循一定的數據格式。

Http協議的一個事務操作主要分為以下四個步驟：（1）客戶端或者瀏覽器與Web服務器建立連接之后。（2）當兩者連接成功后，客戶端程序或者瀏覽器會向服務器端程序發送請求。（3）服務器收到客戶端或者瀏覽器請求之后，會給瀏覽器發出請求響應。（4）Web服務器端反饋信息后，客戶端程序或者瀏覽器接收到信息后會按照一定的格式展示，并且斷開連接。

3 主要軟件程序的設計

3.1 CC3000連接互聯網

該智能家居控制系統使用的是CC3000。該器件能夠連接各種傳感器，并且將傳感器的數據傳給服務器。

CC3000連接互聯網時需要進行如下操作：（1）初始化CC3000模塊。（2）設置波特率115200，對串口進行初始化操作。（3）設置系統的SSID和密碼，并且發起互聯網連接。（4）連接成功后，中間可能會有延時100ms，之后會出現連接成功提示。

CC3000連接互聯網的代碼如下：

#define SSID“SSID”//設置無線網絡ID

#define PASSWORD“88888888”//設置無線網絡密碼

void setup{

Serial.Begin(115200)；//

Serial.println(F(“存儲到 Flash”))；

If(！Wido.begin()){

Serial.Println(F(“初始化失敗，清檢查連接”))；

while(1)；

}

Char*ssid=WLAN_SSID；

Serial.print(F(“嘗試連接”))；

Serial.println(SSID)；

/*如果連接失敗，串口返回數據，再次進入循環*/

if(！Wido.connectToAP(WLAN_SSID,WLAN_PASSWORD,WLAN_SECURITY)){

Serial.println(F(“連接失敗”))；

While(1)；

}

Serial.println(F(“已連接”))；

Serial.println(F(“請求 DHCP”))；

While(！Wido.checkDHCP()){

Sleep(100)；// 延時 100ms。

} }

3.2 Web服務器端設計

Web服務器在智能家居控制系統中起著橋梁作用，一方面要接收來傳感器的數據，另一方面要接收來自客戶端或者瀏覽器的數據。在該系統中Web服務器的接口直接與Arduino【4】控制器進行連接，它的數據傳輸圖如圖3所示。

（1）數據庫設計

智能家居控制系統中的數據庫采用的是MySQL數據庫，本文以其中的兩個數據表設計為例闡述該系統數據庫的設計過程。表1和表2分別是該系統的用戶信息表和房間實時數據表。

表1 用戶信息表

表2 房間實時數據表

_gas float 否 是 可燃氣體濃度_Infrared float 否 是 紅外監測

（2）Servlet開發

Servlet【3】是一段運行在服務器端的Java程序，這段程序的主要功能是處理客戶端的請求并將其結果發送給客戶端，能夠動態顯示網頁內容。服務器端通過創建Servlet實例響應客戶端的請求。Servlet在第一次啟動后就會駐留在計算機內存中，無需每次都加載 Servlet的接口程序核心代碼如下所示：

Package cn.wu.smarthome；

Import java.io.*；

Import javax.servlet.*；

Public class FirstServlet extends GenericServlet{

Public void service(ServletRequest req,ServletResponse res) throws ServletException,java.io.IOException{

Res.getOutputStream().write(“My FirstServlet！”.getBytes())；

} }

3.3 安卓客戶端設計

（1）Android與數據庫通信

安卓系統與數據庫通信的過程是：客戶端向Web服務器發送JSON請求，Web服務器對請求進行解析然后采取相應處理，然后JDBC對遠程數據庫進行處理操作。Web服務器將數據庫響應的操作打包成JSON數據包返回給客戶端程序，客戶端在接受到程序后會對數據進行JSON解析，然后進行響應處理[5]。

（2）應用程序功能設計

本智能家居控制系統的客戶端應用程度設計結構是：程序啟動時首先進入登錄頁，登錄成功后程序自動跳轉到首頁，在程序的首頁有智能家電、智能燃氣報警、智能溫度控制、智能燈光控制和紅外布防等幾個模塊。智能燈光控制模塊連接客廳、臥室、廚房、走廊燈多個燈光，通過該模塊可以分別對這些燈光進行控制；智能家電控制連接熱水器、空氣凈化器、音響、洗衣機等，通過該模塊可以對其實施遠程控制；智能溫度控制模塊可以實現對空調的遠程控制和調節；燃氣報警和紅外布防可根據需要設定區域監測、設防或撤防等功能。

4 結束語

智能家居便是在這一背景下的產物，本文設計并實現了一個智能家居系統，該系統主要分為智能燈光、智能溫度控制、智能家電控制、智能燃氣報警控制和紅外傳感器報警等幾個功能模塊，為智能家居的實現提供了現實案例。