新農村移動互聯智能家居系統設計

王艷

摘 要： 基于新農村建設，完成了一種學習型智能家居物聯系統的設計。基于微信平臺，詳細闡述了個人習慣的提取算法，家庭總控制器通過網絡同各家電設備互連通訊，微信平臺的第三方服務器采用智能網關同家庭總控制器相連，從而將家電使用狀態信息通過微信公眾平臺實時高效的向農村用戶推送，農村用戶可根據日常習慣通過微信平臺對家電設備進行遠程操控，學習型服務器會收集存儲農村用戶的日常使用習慣，并在此基礎上進行分析，找出符合使用習慣的相關條件因素，在滿足條件的情況下自動打開相應設備，進一步準確的提升新農村家居系統的智能水平。

關鍵詞： 新農村建設; 移動互聯; 智能家居系統; 微信平臺; 實現路徑

中圖分類號： TU855;TP273 ? ? ?文獻標志碼： A

Abstract： Based on the construction of new countryside， this paper designed a learning-type smart home IoT system. The system is based on the WeChat platform， and elaborates the personal habit extraction algorithm. The home controller communicates with the home appliances through the network. The three-party server uses the intelligent gateway to connect with the home controller， so that the home appliance usage status information can be pushed to the countryside users in real time through the WeChat public platform. The countryside users can remotely control the home appliance through the WeChat platform according to daily habits， and the learning server collects the storage. The server can collect countryside users habits， and complete analysis to find out the relevant conditions that meet the usage habits， then automatically open the corresponding equipment in the case of meeting the conditions， further accurately improve the intelligence level of the home system in new countryside.

Key words： new countryside construction; mobile Internet; smart home system; WeChat platform; implementation path

0 引言

在新農村和科技快速發展的時代背景下，新農村日常家居生活對智能化、健康化水平的要求不斷提高，促使了具備傳統家居實用功能的智能家居的發展，而網絡信息及物聯網等技術為智能家居相關技術的發展和完善提供了強大的技術支撐，具備廣闊發展前景的智能家居系統已成為行業研究的重點之一。智能家居控制系統的實現需對多項現代技術（包括自動化、系統集成、通信、傳感器、安防等技術）進行綜合運用，將家電和家居環境控制通過使用智能化設備及方法實現共享準確的控制過程，通過科學的管理和控制將安全舒適的生活居住環境提供給農村用戶，提升居住質量。目前在智能家居系統中移動互聯技術發揮著不可替代的作用，可使農村用戶遠程監控和管理家用電器及家居環境進行需求得以有效滿足。本文從移動互聯技術出發，設計了一種基于微信平臺的新農村智能家居系統，為家居系統的智能性及實用性的進一步提升提供參考，通過人為監督與半監督式管理模式的結合運用使系統的智能化及個性化水平不斷提升。

1 需求分析

新農村智能家居是基于新農村建設，通過多項現代技術（包括網絡通信、計算機、綜合布線技術等）的有效融合所構成的綜合智能控制系統，將農村日常家居使用的各類家用電器進行有機結合及綜合管理，從而提升了家居環境的舒適度及安全性。快速發展的物聯網為日常生產和生活帶來了極大的便利，在智能家居管理和控制上展現出了強大的優勢，但由于物聯網建設缺少對對網絡傳輸互通共享方面的重視，通常只針對特定領域的應用群體，導致各移動互聯智能應用系統相互獨立，如各家公司的智能單品通常需安裝專屬APP應用程序才能實現對應功能，對智能家居系統感興趣的農村用戶需購買多種智能單品（對應多個APP）完成智能家居系統的構建，各廠商為滿足不同平臺及操作系統的適應需求而面臨開發多版本APP的繁重工作，進而增加了智能家居系統的開發和使用成本，造成這一問題的根本原因在于智能家居系統互聯互通的能力較低[1]。本文基于微信平臺的新農村智能家居系統能更好的滿足互聯互通的需求，智能家居系統以家庭服務器作為控制系統的核心，需對家居環境變化參數和外部控制命令進行實時高效的采集，在此基礎上通過使用移動終端設備實現對家用電器的智能控制，使農村用戶享受到自動化家居管理服務，在營造舒適家庭生活空間的同時能夠對系統信息進行全方位交換，幫助農村用戶根據實際需要合理控制家居環境。

2 系統設計

2.1 系統結構

本文以新農村家居智能化為基本目標，所設計的智能家居物聯系統基于微信平臺，通過搭建與調用數據庫使系統具備良好的學習屬性，通過微信平臺及公眾號的綜合使用實現智能家居系統的云端化管理。農村用戶僅需通過微信平臺即可實時對家電運行狀態進行遠程控制，系統會將農村用戶日常使用習慣自動顯示和記錄，并且系統能夠在無需人為設置的情況下自動控制家電（以農村用戶習慣為依據），提升家居管理的智能化水平。農村用戶通過關注微信家庭公眾號后即可使用自己的微信號完成同各類家庭設備的直接綁定，成功綁定后即可在公眾號里對菜單按鈕進行自定義，對包括照明燈的開關及亮度、熱水器、空調、電腦、洗衣機等在內的家庭設備進行遠程管控（通過文字、語音命令的方式），并通過微信H5界面監控其運行狀態。農村用戶某一時間段內的家電使用情況會記錄到使用習慣數據庫中，在微信H5界面展示，更好的實現家居的智能化、云端化管理需求，例如，當農村用戶外出務農或打工時可通過手機、電腦連接智能家居網絡系統后對系統中的各電子設備及家居環境進行遠程控制;在回家時提前開啟空調和熱水器，通過磁性傳感器或紅外線實現通道及家居照明燈的自動打開。本文所設計的系統結構示意圖，如圖1所示。

主要由安裝有微信的智能手機、云數據庫、微信及第三方服務器、家庭總機及各家居設備構成，農村用戶數據由家居設備負責采集再通過網絡向家庭總機傳送，指定的云服務器接收到家庭總機傳送的數據后向移動終端的微信及網頁推送相關顯示信息[2]。

2.2 系統硬件設計

（1） 家庭設備，該部分的構成較為簡單，主要由stm32和ESP8266兩種芯片構成，家庭網關會向設備傳送相關數據并將其轉化為相應動作，據此實現對設備運行狀態的控制過程。

（2） 家庭總機和家庭網關，家庭總機主要由以太網、電源模塊、STM32微處理器、無線網絡模塊（ESP8266）構成。家居設備通過網絡同家庭網關相連實現了數據的高效傳遞，客戶機/服務器模型通過使用多個ESP8266 芯片完成搭建，使數據的全雙工通信（一對多）得以有效實現。家庭網關的服務器選用了W5500 芯片，為了在增強系統穩定性的同時降低編碼難度，將以太網網絡層協議置于W5500芯片中。家庭設備的客戶機采用了ESP8266芯片，通過某一固定IP地址（在局域網內）的設置，客戶機同系統主機間的數據的全雙工通信通過建立TCP連接實現[3]。各家居設備的數據由家庭網關負責完成采集和編碼后以發送請求的形式向服務器傳遞（通過HTTP協議），通過采用輪詢的請求方式確保了設備最新的狀態能夠被服務器實時接收到。如圖2所示。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 系統同微信公眾平臺間連接的搭建

家庭設備及微信端通過微信公眾平臺實現同第三方服務器數據間的通信過程，農村用戶通過常用的微信公眾平臺即可享受智能家居系統提供的功能服務，包括家庭設備運行情況的實時查看及遠程操控。本系統通過wechat中間件（已廣泛應用于公交查詢、校園助手、微信機器人等工具平臺上）的引入進一步提升了微信服務器同公眾平臺間的交互能力，Wechat主要功能在于交互細節（包括認證及簡單消息回復等）的有效接入，使系統開發過程中對所需完成的開發業務進行關注即可。接收消息后的第三方服務器需先完成解包后再進行后續處理，最后完成請求的回復[3]。wechat主要具備會話支持、等待回復及自動回復（可以文本、圖片、文字、語音、視頻等形式）三大功能，wechat應用還支持物聯網硬件設備，在微信數據后臺完成對具體業務邏輯的處理（以數據庫封裝內容為依據）。此外為實現微信遠程控制的家居系統的構建，需先完成公眾號的申請，申請成功后獲取相應的access_token及appid（即公眾號唯一的token和ID）;此外還需申請一個能連接微信服務器的第三方服務器，本文選用了新浪的云服務器和mysql數據庫。在此基礎上即可接入認證微信公眾號并在云服務器上根據實際需要完成相應開發過程。數據在微信與服務器間以XML格式傳輸，微信平臺針對農村用戶在聊天界面輸入并發送的內容通過使用文字發送API向服務器發送文本信息，文本消息格式如下（To User Name對應農村用戶原始ID號）[4]。

〈xml〉

〈To User Name〉〈CDATA/To User Name〉

〈From User Name〉〈CDATA/From User Name〉

〈Create Time〉

〈MsgType〉〈CDATA[text]〉

〈Content〉〈CDATA[this is a test]〉

〈MsgId〉

〈/xml〉

服務器信息執行流程，如圖3所示。

收到消息的服務器需完成接收內容到數組形式的轉換及其中農村用戶原始ID號的提取，農村用戶信息驗證通過后即完成MsgType類型的確定，對于文本消息則直接提取出文本內容（從Content 標簽中），對于語音消息則需先將其轉換為文本消息（通過調用語言識別API接口完成）。服務器向微信平臺發送數據時，需先打包數據（即將文本信息以xml格式進行打包處理），將文本內容及MsgType分別設置為Content和“text”類型[5]。

2.3.2 公眾號交互界面設計

農村用戶無需安裝APP通過微信公眾號同智能家居系統進行直接交互，顯著提升了農村用戶查看和控制家居設備的便利性和智能水平，文字回復及語音聊天交互功能通過使用微信自帶的開放接口API實現，服務器以接收到的設備狀態或控制參數為依據（數據在微信和服務器間以XML格式進行傳送）實現了指令化控制（借助語音識別API完成）。為詳細記錄設備ID信息，針對設備ID號借助微信二維碼綁定機制生成相應二維碼，微信平臺在農村用戶掃描二維碼后同該設備進行自動綁定并將向服務器發送相關信息，以確保只有該農村用戶才能對家居設備進行控制，不同控制模式下的控制情況，如圖4、圖5所示。

通過微信語音聊天式控制功能（植入了聊天機器人）完成對家電方便快捷的控制過程，語音聊天控制通過語音語義接口API的調用實現[6]。在系統公眾號平臺中通過各種情景模式的設置使家居設備的一鍵式管理得以實現。

3 HTML5界面交互設計與實現

本文通過HTML5交互式界面的設計使集中顯示與控制設備狀態功能得以有效實現，HTML5控制頁面如圖6所示。

結合運用JavaScript的jQuery庫及HTML5完成前端頁面的設計，在同一行中數據和控制一一對應，以保證頁面的穩定性，提升人機交互性能。使用AJAX異步通信方式進行數據通信，向服務器發送數據時則采用post方法，通過get方法的調用（由定時器完成）獲取設備狀態數據，對維修平臺面板以預設的時間進行實時更新。瀏覽器定時器在農村用戶點擊鏈接按鈕時開啟并持續發送POST請求（在指定時間內），由服務器對該農村用戶的授權情況進行驗證，并據此處理該信息（執行或忽略）。對于通過服務器驗證的農村用戶ID，由post 回調函數對服務器發送內容進行讀取，同時據此刷新狀態顯示區域。為簡化服務器管理流程并確保安全機制的統一性，HTML5交互式頁面所采用的原始ID驗證機制同微信一致，在微信公眾號中直接嵌入頁面，即可微信中打開HTML5控制頁面對家居設備（包括設備的一切可控參數）進行直接控制，實現了一鍵設置的智能化管理功能。在數據庫中記錄農村用戶家用電器的使用習慣，據此獲取適合農村用戶習慣的時間點、開關狀態及相關參數進行自動開啟。HTML5頁面通過AJAX同服務器交換數據，通過定時器實時更新顯示數據[7]。 可根據實際需要運用HTML5的可拓展功能添加交互性元素，降低了系統后期運營和維護的成本。為彌補現有智能家電普遍存在的難以實現高效互聯互通的不足，本文所設計的學習型系統可采集、存儲并分析農村用戶家電使用習慣方面的數據，從而形成有針對性的農村用戶使用習慣數據并據此輔助系統農村用戶實現對家電更高效的控制，通過大數據評價農村用戶習慣為系統升級提供參考。采集分析農村用戶習慣的主要步驟為：（1）需先完成負責對農村用戶行為數據進行保存的加密數據庫的創建，該數據庫以家庭成員為單位創建相應數量的數據表，數據表主要由時間、設備號、開關狀態、設備屬性（time、ID、power、state_value）四個屬性列構成，系統在開關狀態或設備屬性改變的情況下會自動在表中記錄數據。（2）此外還需完成用于保存農村用戶習慣的加密數據庫的創建，同樣以各家庭成員為單位創建數據表，數據表主要由習慣狀態時間（作為主鍵）、設備號、開關狀態、設備屬性、習慣評級五個屬性列（habit_time、ID、power、state_value、level）構成，表中數據從小到大排序（以時間為依據），系統獲取各農村用戶使用習慣數據后（通過統計計算）在該表中保存。（3）劃分一天時間為n等份（即每份1 440/n分鐘），農村用戶在某個t時刻（分鐘）操作該家電，服務器據此完成時間段的換算即t/（1 440/n）并將其存入到數據表（包括家電狀態），統計周期為k天。在完成首個時間段各狀態及次數（分別由Si、Ci表示，其中i=1，2，3，…，n）的統計的基礎上，計算出在總次數中各狀態次數的占比即各狀態在第一個時間段內發生的概率，計算表達式為：pi=CiC1+C2+…+Cn，對應最大概率的狀態Si為最大可能性狀態，需作為習慣狀態進行保存，同理獲取其余各時間段習慣狀態的計算與保存。（4）系統每經過預定的時間段（本文設置為5 天）執行一次（3）中的算法，再通過加權計算習慣數據獲取農村用戶的習慣等級[8]。

4 總結

互聯網技術及智能化設備的不斷發展促使人們的生活習慣發生著深刻的改變，智能家居兼顧了智能化、自動化及實用性，互聯互通的家居系統已經成為解決智能單品應用分散問題的有效手段。為滿足新農村移動互聯智能家居系統的發展需求、順應物聯網和社交平臺深度融合的趨勢，本文完成了一種新農村智能家居物聯系統的設計，在完成云服務平臺接口開發的基礎上，通過微信平臺實現數據的交互和識別，關注微信號公眾號后即可使用該系統的相關功能，農村用戶可根據實際需要在微信平臺上完成對智能家居系統的相關操作（包括顯示、分享、更改、記錄、借鑒等），從而實現系統及設備間的互聯互通，通過采集和分析農村用戶一系列行為掌握使用習慣進一步提升系統的智能水平。

參考文獻

[1] 夏誓遠. 智能家居的設計與前景[J]. 無線互聯科技， 2018（9）：63-67.

[2] 劉京銳.一款基于Arduino的遙控家居機器人的設計與實現[J]. 電子世界， 2019（1）：140-141.

[3] 陳赫，趙丹梅. 基于單片機的智能家居遠程控制系統的設計與實現[J].電子技術與軟件工程， 2018（22）：238-239.

[4] 林木泉，許俊杰. 基于IntoRobot云平臺的實時環境監測系統的設計與開發[J].寧德師范學院學報（自然科學版）， 2017（4）：411-418.

[5] 施建喆，甄磊，王顯輝，等. 關于智能家居多協議控制終端的實現[J].計算機產品與流通， 2018（5）：134-136.

[6] 王海濤，胡元璐. OFDM基礎下電力載波通信的智能家居系統設計與實現[J].通信電源技術， 2017（3）：127-128.

[7] 林先金. 智慧生活無處不在——基于SIP和RSTP協議的移動互聯智能家居管理系統[J]. 中國公共安全， 2017（Z1）：80-82.

[8] 錢程，韓太林. 移動終端下的智能家居控制系統設計及應用[J].中國新通信， 2018（20）：108-109.

（收稿日期： 2019.07.18）