基于物聯網的智慧家庭系統頂層架構設計

車輝 邢慧芬 樊玉琦 裘小林

摘 要：智慧家庭系統存在各子系統相互獨立、缺少統一管理平臺的問題，這些問題阻礙了智慧家庭的應用和發展。文中以建設智慧家庭統一管理平臺為目的，對智慧家庭的系統架構、功能架構、物聯網平臺架構和技術架構等進行設計，并對各架構中的主要功能模塊進行詳細闡述，從而為政府和企業建設智慧家庭提供參考。實踐結果表明，該智慧家庭系統頂層架構的設計不但為智慧家庭的建設提供理論基礎，還具備一定的現實指導意義。

關鍵詞：物聯網;智慧家庭;智能網關;物聯網平臺;頂層架構;管理平臺

中圖分類號：TP302.1-34文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-03

0 引 言

隨著科技的發展，新一代信息與通信技術（ICT）得到了廣泛的應用，并且逐步進入家居管理中，從而實現家庭的自動化、網絡化和智慧化管理。同時隨著國民收入的提高，百姓對家庭的定位除了滿足居住需要，還對家居舒適度、家庭安全、綠色節能、健康環保等提出了更高要求。因此智慧家庭[1]逐步被人們所熟悉和接受，并且得到了快速的應用和發展。

智慧家庭是以物聯網[2]技術為基礎，以新一代ICT技術為載體，結合自動控制技術，實現了家庭設備的智能控制、家居環境的自動感知、家人健康的智慧監測、能源消耗感知和家庭安防感知，創造了一個綠色、節能、健康、安全的智慧化、個性化的家庭生活環境[3]。

國內學者和企業對智慧家庭系統進行了大量研究。文獻[4]設計一種基于ZigBee的智能家居系統，實現了對家庭環境和家居電器的智能化控制;文獻[5]設計一種基于物聯網的家庭醫療系統，實現了家庭遠程醫療，方便了家庭就醫;文獻[6]設計一種基于云計算的家庭能源監測系統，方便了家庭能耗管理，實現了家庭的綠色節能;文獻[7]針對家庭安全設計一種家庭監控系統，提高了家庭安全性。但這些方案都是針對家庭某一應用進行設計的，各系統之間缺少關聯，無法實現系統之間的互聯互通和統一管理，實用性較差，嚴重阻礙了智慧家庭的應用和發展，因此設計統一的智慧家庭管理平臺勢在必行。

本文根據智慧家庭建設的實際需求，以建設統一系統管理平臺為目標，并根據中國電子技術標準化研究院發布的《智慧家庭標準化白皮書》，對智慧家庭系統頂層架構進行了設計。文中分別從智慧家庭的系統架構、功能架構、智慧家庭物聯網平臺和技術架構等方面進行了頂層設計，并詳細的闡述智慧家庭的核心組件。實踐表明，智慧家庭頂層架構的設計為我國智慧家庭的建設提供了理論基礎和發展思路，具有一定的指導意義。

1 智慧家庭系統架構設計

智慧家庭系統利用物聯網、云計算等新一代信息與通信技術，構建了一個和諧、節能、高效的智慧化家庭生活和服務系統，從而為家庭創造一個安全便捷、綠色節能和舒適宜居等方面均優的家居環境。智慧家庭系統可分為終端層、網絡層、平臺層和應用層4個層次，系統架構如圖1所示。

智慧家庭系統通過終端層的信息采集設備和可控設備實現家庭環境的智能化控制和管理，而網絡層則負責終端采集數據和控制信息的傳輸。平臺層一方面將從設備端收集到的數據進行存儲及智能分析處理;另外一方面提供認證管理功能、設備控制功能和協調不同的終端設備功能，實現了設備之間的聯動。應用層則為用戶提供包括健康、養老、教育、家居控制、安防等多個方面的應用，是智慧家庭系統在家庭應用中的具體體現。

2 智慧家庭功能架構

智慧家庭是智慧城市的最小單元，是以家庭為載體，以實現家庭智慧化服務為目標，結合新一代信息與通信技術，從而達到綠色節能、健康環保、安全智能和智能便捷的居家生活方式。根據中國電子技術標準化研究院于2016年9月發布的《智慧家庭標準化白皮書》要求，智慧家庭系統的業務內容包括健康管理、居家養老、信息服務、互動教育、智能家居、能源管理、社區服務及家庭安防8個方面。智慧家庭系統的功能架構如圖2所示。

2.1 智能家居系統

智能家居管理系統是利用先進的物聯網技術、智能控制技術和現代網絡通信技術，依據智能信息化建設和家庭室內設計規范，根據每個家庭的不同需求，將智能家居系統中的各個子系統進行有機地結合，通過現代網絡通信技術進行室內或者遠程的智能控制和管理，實現家庭中的家電、窗簾、門窗、燈光和溫濕度等設備的整體聯動，從而為家庭成員提供一個智慧化的家居生活環境。

智能家居系統充分利用物聯網通信技術實現智能控制終端與應用終端之間的聯網控制，進而實現對家居終端的數據采集、控制管理等應用。目前，智能家居系統采用的主要物聯網通信技術包括紅外、KNX 總線、RF（射頻）、ZigBee、Z-Wave等。

同時，智能家居系統也可通過應用互聯技術實現家庭終端之間進行網絡協議識別、數據傳輸、設備發現控制管理和應用分享等，如數字生活網絡聯盟（Digital Living Network Alliance，DLNA）協議、WiFi聯盟推出的Miracast、高通開發的AllJoyn等。

2.2 家庭安防系統

家庭安防系統是指利用現代網絡通信和物聯網技術，通過在家庭中安裝攝像頭、門窗磁、門禁控制器和紅外入侵檢測儀器等各種安防設備，從而為家庭提供入侵檢測、防盜、防火等安防功能的服務系統。家庭安防系統可與智慧小區、公共服務機構等進行互聯，當出現異常情況時通過聲光、呼叫業主、小區物業管理中心或公共服務機構等方式實現報警、緊急求助等功能，增強家居生活的安全性。智慧家庭安防系統包括家庭監控系統、門禁管理系統和家庭消防系統三個部分。

2.3 能源管理系統

通過在智能電表、水表、燃氣表、熱量表中內嵌載波或物聯網（如ZigBee）信號接收電路組成家庭能耗管理系統，實現對家庭用電、水、氣、供熱、熱水等信息自動采集，并利用系統的統計分析功能了解到家庭的能源消耗情況。同時通過在能源終端智能插座、智能開關等，實現對家庭能源的開/關控制、能源使用數據統計等。

2.4 家庭健康管理/居家養老系統

家庭健康管理/居家養老系統以新一代信息與通信技術為依托，將醫療健康類可穿戴式設備作為數據采集終端，以手機、PAD等設備為智能終端對健康資訊、醫療衛生服務和個人健康信息進行呈現。在健康管理信息系統的基礎上，通過整合健康服務機構來為消費者提供健康管理信息服務。家庭健康管理/居家養老系統以社區醫療衛生系統、社區居家養老支撐服務體系為核心，上接城市智慧醫療系統、衛生局和第三方服務機構，并借助家庭醫生輔助系統、IPTV、高清監控攝像頭和智能終端等設備，從而實現家庭健康監測、家庭健康檔案管理、健康咨詢、家庭遠程醫療、老人一鍵求救、居家養老等功能。家庭健康管理/居家養老系統一般包括家庭健康管理系統、居家養老管理系統、家庭醫生輔助系統等。

智慧家庭是智慧城市建設的最小單元，因此智慧家庭系統需要與上級部門或第三方服務機構對接來實現家庭系統的功能。如智慧家庭系統與社區、醫療衛生系統相結合來完成健康管理、居家養老;與公共教育系統或第三方教育機構相結合來完成家庭的互動教育;與智慧城市系統或智慧社區系統相對接來實現社區服務、信息互動;與消防、公安部門的相結合來完成家庭安防、家庭能源管理等。

3 智慧家庭物聯網平臺

智慧家庭物聯網平臺處于連接軟硬件的樞紐位置，使得不同類型的硬件設備通過不同網絡連接方式整合起來。它向上傳送終端設備采集的數據和通信信息，向下遠程管理終端設備、監測終端設備異常、發送控制和通信信息，為上層應用提供支撐服務;同時，為設備和用戶提供安全和身份認證[8]。系統物聯網平臺如圖3所示。

目前，智慧家庭系統物聯網平臺提供商主要分為運營商、互聯網公司和家用電器廠商幾大類，如中移物聯網開放平臺、QQ物聯、長虹UP平臺等[9]。雖然公司不同造成物聯網平臺存在差異，但智慧家庭物聯網平臺一般都可分為4部分，即設備管理平臺、連接管理平臺、應用支持平臺和業務分析平臺[10]。

通過設備管理平臺可以實現家庭終端設備的遠程控制、系統設置、系統升級、故障監測等，同時也對網關和應用狀態進行實時的監控，從而實現設備故障的預處理。連接管理平臺一般應用于運營商網絡，實現功能包含了SIM卡生命周期管理、資費賬單管理、賬戶管理、連接診斷、通知管理等。應用支持平臺為上層應用提供成套應用開發工具、中間件、數據存儲功能、業務邏輯引擎、對接第三方系統API等，從而大大降低開發成本、縮短開發時間。數據分析平臺是指引入人工智能、數據建模的方法，對物聯網的業務數據進行分析，以提供預測類、診斷類等服務。

4 智慧家庭技術架構

智慧家庭系統通過智慧家庭網關設備、智慧家庭物聯網云平臺、終端設備和手機APP四者構成一個完整的整體[11]。智慧家庭網關向上連接網絡服務提供商，實現寬帶互聯網互聯，向下對接智慧家庭終端，實現各終端設備的互聯互通，是智慧家庭系統的核心樞紐;而智慧家庭物聯網云平臺通過向家庭網關提供所需的插件和服務，從而實現對終端設備的遠程控制和管理;而終端設備則是實現各業務功能的終端元件，是創造一個舒適、智能的居家環境基礎;家庭成員則通過手機APP實現對智能網關和家庭各終端設備的控制，以滿足家庭智慧化的需求。智慧家庭技術架構如圖4所示。

4.1 智慧家庭網關設備

家庭網關是智慧家庭系統網絡通信的樞紐，它向上對接網絡服務營運商、承接管理平臺，向下連接智慧家庭中的各種智能終端，負責終端數據的向上傳輸和平臺控制信息的向下轉發，是系統的核心設備，具有控制中心、網絡中心和通信服務中心的功能。目前，家庭網關主要采用基于Linux操作系統的開放架構平臺方案設計，部署時則采用基于Linux的Android操作系統或中間件技術OSGi[12]。

4.2 智慧家庭物聯網云平臺

智慧家庭云管理平臺是智慧家庭的神經中樞，其一方面對智慧家庭的各種連接終端進行控制，另一方面則對終端收集的數據進行處理分析。物聯網云管理平臺向上與網絡服務提供商完成系統的對接;向下則管理智慧家庭系統中各種終端設備的發現認證、心跳?；睢⒐收媳O測，插件的安裝、升級卸載和業務管理等。同時，物聯網云平臺還為APP、第三方系統和云管理平臺提供API接口，為家庭提供家居設備、終端通信等管理和數據查詢功能。

4.3 智慧家庭終端設備

智慧家庭終端設備可以分為兩種類型，即控制型設備和應用型設備?？刂菩驮O備是指通過對終端設備的控制來實現家居環境的管理，如門窗磁、門禁、窗簾等設備;而應用型設備是指可以滿足家庭生活需要的設備，如冰箱、電視機、空調等各種家用電器。智慧家庭終端設備是家居中實現各業務功能的終端元件，是創造一個舒適、智能的居家環境的基礎。

4.4 智慧家庭 APP

家庭成員通過APP客戶端可以實現設置家庭網絡、配置家庭網關、控制家居設備以及與第三方應用的連接，實現家居環境、安防、能耗的智能監測以及家庭健康健康管理、移動學習和信息獲取和互動交流，為智慧家庭系統提供友好的接入界面和人機互動窗口。

5 結 語

智慧家庭系統通過綜合運用新一代信息與通信技術，實現對家庭環境的智能感知、家庭設備自動控制、家人健康管理、家居安全防護、遠程教育學習、家庭能耗管理和信息交流，從而實現了家庭居住的舒適化、電器管理的智能化、居家安全的可視化、家庭學習的便捷化和家庭的綠色節能。本文以建設智慧家庭系統通一管理平臺為目的，從智慧家庭的系統架構、功能架構、物聯網平臺架構和技術架構四個方面對智慧家庭系統進行了頂層架構設計，并對各架構的核心功能模塊進行了詳細闡述，從而為政府和企業建設智慧家庭系統提供了參考。總之，智慧家庭系統頂層架構的設計不但為智慧家庭的建設提供了理論基礎，也具備一定的指導意義，有力地推動了中國智慧家庭的發展。

參 考 文 獻

[1]徐揚，徐漢川，李全龍.智慧家庭服務系統過程建模與設計[J].智能計算機與應用，2012（2）：11-17.

[2]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33（3）：1-9.

[3]佚名. 智慧家庭[EB/OL]. [2012-12-24]. https：//baike.baidu.com/item/智慧家庭/1869811？fr=aladdin.

[4]王易川，李文鈞.基于ZigBee、WiFi和云服務器集群的智能家居系統設計[J].物聯網技術，2018，8（1）：76-79.

[5]汪悅，管弋銘，李夢蓉，等.基于物聯網的智慧家庭健康醫療系統[J].光通信研究，2018（1）：56-60.

[6]王伯勇.基于云計算的智慧家庭能源管理系統架構及功能研究[J].綠色科技，2014（5）：277-279.

[7]伍粵山.智能家庭監控系統的設計與實現[J].清遠職業技術學院學報，2011，4（3）：55-62.

[8]王峰.中國移動物聯網平臺的探索與未來[J].通信世界，2018（10）：26-27.

[9]周斌斌，古樂聲.國內物聯網平臺的發展現狀研究[J].創新科技，2018，18（3）：50-53.

[10]陳越.電信運營商物聯網運營管理平臺研究[J].互聯網天地，2017（4）：37-43.

[11]湯敏健，賈夏俊，徐江山，等.基于家庭智能網關的智慧家庭技術和業務方案[J].廣播電視信息，2018（10）：20-26.

[12]萬象.基于OSGi的智慧家庭應用控制架構研究與模型設計[J].電信科學，2014，30（3）：143-148.