基于云服務器的物聯網智能家居通信控制系統研究

於曉蘭

武漢職業技術學院計算機系

0 引言

智能家居結合網絡通信技術、音視頻技術和自動控制技術，將家庭住宅中的家電設備、通信設備等集成在一起，用戶可以遠程智能化監測家電設備并進行有效控制。在4G時代下，操作大量的數據計算，完成信息資源的實時存儲，成為網絡系統后臺服務必須包含的功能。物聯網技術的廣泛使用，未來可能會給每個物品都打上唯一的識別標簽，這些數據都需要保存到服務器進行加工解析。云計算和物聯網技術成為智能家居控制系統的重要支撐技術。

1 物聯網和云計算

物聯網是物物相連的網絡。通過有線通信方式或無線通信方式連接并全方位控制各種終端設備，諸如傳感器、移動終端、具有射頻識別標識的物品和視頻監控產品都包含在內，最終實現智能化應用以及環境信息化的目的。在物聯網通信技術中廣泛使用的無線通信技術主要有藍牙通信技術、紅外線通信技術、射頻識別技術等。物聯網技術實現了智能家居系統中終端節點信息數據、實時狀態以及環境變量等大量信息的收集和共享，在信息安全技術保障的前提下，進行有效的在線監測、突發報警、遠程控制和分析統計等功能，從而對物進行智能化的管理。

云計算采用分布式計算技術，指在網絡“云”上拆分龐大的計算處理程序，這些分解后的小程序由多個服務器共同完成解析，計算得到的數據發送到用戶終端。對大量的數據保存和處理，需要進一步進行數據挖掘和數據分析，云計算成為強大的系統服務后臺保障。為了響應全球化的智能家居系統應用的需要，云計算可以盡可能地整合大量需要計算和存儲的數據資源，實現協同合作，并對相關資源進行靈活擴展。

2 面向云服務器的系統組網方案

智能家居控制系統主要由物聯網云服務器、終端節點設備、移動應用App和通信網絡4部分組成，如圖1所示。各種終端設備與物聯網云端相連。一些終端設備可以通過無線或有線網絡與云服務器直接連接，由于缺乏直接連接互聯網的通信接口，一些設備可以使用網關或智能手機間接與云服務器連接。連接完成后，設備將實時在線監測感知到或收集到的數據發送到云端，從而實現科學存儲、管理和分析數據，為后期的智能家居環境的監管、評價和決策提供有力支持。

圖1 面向云服務器的智能家居控制系統

（1）物聯網云服務器是為用戶提供外網云訪問本地智能控制網關的訪問路徑。主要功能是云數據的聚合和分析。該平臺對設備終端采集的數據可以進行系統存儲、智能技術分析和處理。所有智慧應用程序都通過標準接口從云服務器中請求數據，并以對象形式返回。

（2）終端節點設備包括智能主機及家居設備、空調、電視、紅外分控制器、智能開關、智能插座、霧化窗玻璃、智能門鎖等設備，可實現遙感（RS）數據信息生成、現場視頻數據收集、環境溫濕度感應、現場家居設備維護管理身份識別與記錄、儀器自我診斷與遠程反控等功能。

（3）移動應用App的主要功能是對不同設備和系統進行控制和管理，同時協調各項服務。平臺通過身份認證防止非法設備進入；用戶可以通過平臺提供的移動應用App對終端設備進行管理控制；不同終端設備通過系統平臺實現彼此協調和聯動的功能，并且該設備可以由用戶預先設置連接規則進行自動調用。

（4）通信網絡是由局域網和外網組成。局域網的通信方式有很多種，如藍牙、紅外線、ZigBee技術等，藍牙技術可以在物體之間建立短距離連接，適用于低成本、短距離的應用。由于成本低廉，IrDA紅外技術早已應用于電視、空調等家居用品。ZigBee技術成本低、功耗也低然，而容量很大。外部網絡包括WiFi、GPRS等，可作為外部接入互聯網的網絡媒介。用戶通過通信網絡接入物聯網云服務器，通過物聯網云服務器接入智能控制網關，再通過局域網接入各終端設備。

3 智能家居通信控制系統主要模塊實現

智能家居通信控制系統是由多個智能節點設備組成的一個物物相聯的網絡，其感知層是以不同廠商設備為基礎建立的。為了方便云服務器對這些設備進行統一管理，要求對設備接口進行標準化、規范化管理。采用傳感器、監控設備和遙感等前端節點感應設備，為云服務數據中心收集數據信息，云服務平臺還要綜合考慮現有的智能應用，實現多種數據的交換和整合。

3.1 智能家居控制系統功能

物聯網智能家居通信控制系統主要功能如下。

（1）智能管理設備。通過互聯網、電話線接口，實現數據交換和監測控制。包括對重要家用電器實施遠程監控，如開燈、開空調、電視開啟、音量調節、溫度升降等，只需在App操作相應設備即可實現控制。

（2）智能家居儀表。通過計算機和藍牙設備進行電表、水表和天然氣表的遠程抄表。

（3）家居環境安防。智能門磁、煙霧傳感器和溫濕度傳感器等終端設備，可實時監控室內環境變化。當檢測到異常發生時，檢測數據會傳送給智能主機，智能主機再向服務器發送信息，再將數據轉送給終端用戶。當智能門鎖監控到開門異常時，自動上鎖功能立即啟動，將監控報警信息數據發送到用戶手機，向家居用戶報警，同時也通過通信網絡向監控中心示警。

3.2 主要模塊的實現

在智能家居控制系統中，需要建立一個數據處理服務器，利用云服務器可以完成數據處理。云服務器可以采集諸如天氣、日出等城市環境信息，這些信息使其智能地控制空調設備、電動窗簾和照明設備等。通過Java語言完成服務器程序編譯，開發環境為eclipse。

管理服務程序（Servlet）是一個獨立于網絡協議跨平臺的服務提供者，實現網絡的遠程動態加載。其接收來自請求者的請求并且執行操作，也會把對應的接口和相關信息發送給云服務注冊中心，方便服務使用者發現該服務并對其進行訪問。如果同一個服務有多種不同的表現，那么可以在Servlet程序中為每個傳入的請求選擇最合適的目標服務。首先通過客戶端向Servlet提交請求信息和Servlet接收請求。其次在服務器端完成程序的編譯，最后把結果數據反饋給客戶端。通過Java語言完成Servlet服務程序，同時具備安全性和可移植性的特點。JSP使用Java語言，在普通HTML文件中內嵌程序語句，在第一次調用時首先編譯，其次由Java虛擬機執行，和Tomcat引擎配合使用后，通過Apache服務器進行Servlet的解決方案的實現。

（1）中心控制模塊。負責各個子模塊的數據收集和保存，并作分析和決策。嵌入式芯片技術的快速發展使得中心控制模塊集成度越來越高，功能也越來越完善。中心控制器使用總線與各種子模塊進行信息互換，通過通信網絡與外界建立連接。執行控制模塊內置程序命令后，并將指令發送至各單元控制子模塊，目的是控制所連接的各種家居設備。數據采集主要完成接入協議轉換、數據提取和數據轉換（為平臺的標準數據）的功能。云平臺采用分布式協同處理機制，各類原始數據經過各個連接器，提取出環境數據（包括必要的可視化感知數據、圖像信息），根據采集規則和轉換規則（在設備規則上定義），把數據映射為標準的平臺數據。中心控制模塊使得龐大數據信息的高性能計算得以實現，通過數據挖掘技術對智能家居設備的實時狀態和趨勢變化進行準確判斷，完成對環境突發情況的預警操作、態勢判斷和應急聯動等。該模塊能提供輔助決策服務、數據分析和報表等服務，借鑒詳實數據和可靠分析高效地進行宏觀決策。

（2）安防控制模塊。該模塊對造成家居安全問題的各種情況進行防范，對異常事件發出報警信息。例如避免陌生人的干擾，可使用可視對講系統；入室盜竊報警，可使用窗磁傳感開關和門磁傳感開關。該模塊設置報警上下限，異常值上下限。報警的數據類型可以根據用戶需求靈活設置。信息數據通用化格式的選擇以及語義的規范化描述，使得交換和共享環境數據信息形成統一的數據標準，從而滿足各個設備廠商在數據操作方面不同的技術需求。該模塊獲取設備的監控數據，對獲取的數據進行處理，其中包括對數據的糾正。對處理后的數據進行信息提取，這些信息包括設備參數信息，家居環境質量狀況現狀與動態變化信息、安全狀況信息等。這些信息被轉化為系統所定義的格式，進入數據中心。

（3）通信控制模塊。該模塊完成實時信息數據的接收和發送。實時數據通過監測設備和通信終端預先定義的通信接口協議傳輸到通信終端。通信終端設備建立與RS232端口的連接，通過GPRS外部接入網絡傳輸到物聯網云服務器。物聯網云服務器給出的控制系統命令可以通過網絡通信終端傳送給監測設備，監測設備接收指令后作出回應。家居智能終端設備把實時收集的異常數據發送給服務端后，服務端迅速給予響應，進行分析處理，并把結果及時推送給用戶。

4 結束語

在整個通信過程中，進行穩定和可靠的數據傳輸，是智能家居通信控制系統運行的重中之重。智能家居控制系統中的智能家居終端設備獨立于其他單元控制模塊，可進行實時數據的采集，其搭建的物聯網系統同時具備智能化，集成化和自動化的特點。家庭網絡技術配合運營商網絡技術，能夠有效滿足智能家居系統在信息處理過程中的各種需求，達到通信的目的。物聯網技術、云計算技術和其他重要技術的科學應用，使得家居智能化功能得以進一步擴展，給人們帶來越發便捷和智能化的家居生活。