基于云平臺(tái)支持多通信協(xié)議的智能家居平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃歡

摘要：隨著智能家居應(yīng)用的日益興起，目前市場(chǎng)上的家居產(chǎn)品缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)目前已有智能家居系統(tǒng)通信連接方式單一化的狀況，提出了支持多種通信協(xié)議的連接方式。各終端智能設(shè)備可以通過Wi-Fi或ZigBee或Z-Wave或藍(lán)牙等通信協(xié)議連接到智能家居平臺(tái)?？蛻舳丝赏ㄟ^網(wǎng)頁(yè)，微信小程序或App等多個(gè)入口來控制平臺(tái)的終端設(shè)備，平臺(tái)支持語音輸入控制設(shè)備，還可以自定義各種模式，當(dāng)規(guī)則滿足后平臺(tái)會(huì)自動(dòng)完成一組設(shè)備控制操作。

關(guān)鍵詞：智能家居;云平臺(tái);Wi-Fi;ZigBee;Z-Wave;藍(lán)牙;語音

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）33-0074-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and Implementation of Smart Home Platform Based on Cloud Platform Supporting Multiple Communication Protocols

HUANG Huan

（Department of Information Engineering， NanHang Jincheng College， Nanjing 210016， China）

Abstract： With the increasing rise of smart home applications， the current home furnishing products on the market lack a unified standard. In view of the simplification communication connection methods of the existing smart home system， a connection method supporting multiple communication protocols has been proposed. Each terminal smart device can be connected to the smart home platform through a communication protocol such as Wi-Fi， ZigBee， Z-Wave， or Bluetooth. The client can control the terminal devices of the platform through multiple portals such as web pages， WeChat applets or apps. The platform supports voice input to control devices and can also customize various modes. When the rules are met， a set of devices control operations will be automatically completed.

Key words： Smart Home; Cloud Platform; Wi-Fi; ZigBee; Z-Wave; Bluetooth; voice

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居與人們的生活聯(lián)系越來越緊密，越來越普及。目前，智能家居設(shè)備種類繁多，支持的通信協(xié)議也各不同，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，要接入到同一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)中顯得比較困難?，F(xiàn)有的家居系統(tǒng)多為支持一種或兩種通信協(xié)議為主，有的智能家居系統(tǒng)只以單一產(chǎn)品為主，如我們的智能掃地機(jī)，智能洗衣機(jī)，智能電視等，這些都不是一個(gè)完整的智能家居系統(tǒng)。獨(dú)立且割裂的單個(gè)功能并不是智能家居預(yù)期的效果，用戶也不能體驗(yàn)到智能家居的全貌。智能家居系統(tǒng)也不是各種設(shè)備的簡(jiǎn)單組合，而是一個(gè)互聯(lián)的整體?，F(xiàn)階段由于各個(gè)廠商通信協(xié)議不一樣，它們又僅支持各自廠商自己的終端產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品都有自己獨(dú)立的App或服務(wù)，這樣，用戶每買一個(gè)廠商的產(chǎn)品就需要安裝一個(gè)App，那么要控制不同廠商的產(chǎn)品顯得非常不便捷?；谶@樣的問題，本文設(shè)計(jì)了支持多種通信協(xié)議智能家居平臺(tái)，不同廠商的設(shè)備都能連接到本平臺(tái)中，且只需要通過一個(gè)客戶端，用戶就可以輕松控制和訪問平臺(tái)里所有設(shè)備的信息。用戶能遠(yuǎn)程或在家查看家里所有設(shè)備的狀態(tài)并能控制，如一鍵離家模式，自動(dòng)關(guān)閉不用工作的電器，節(jié)約出門時(shí)間;睡前不想起來關(guān)燈，打開手機(jī)便可以關(guān)燈;遠(yuǎn)程可以檢測(cè)到家里煤氣是否泄漏，有無告警，引起用戶的注意，避免事故發(fā)生，提供安全性保護(hù)。平臺(tái)還可以通過語音命令來操作設(shè)備，體現(xiàn)更人性化的服務(wù)[1]。

1 常用技術(shù)對(duì)比

從表1可以直觀地看出以上四種通信技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，傳輸距離 Wi-Fi> ZigBee> Z-Wave>藍(lán)牙、傳輸速度 Wi-Fi>藍(lán)牙> ZigBee>Z-Wave、功 耗Wi-Fi>Z-Wave>藍(lán)牙>`ZigBee， 可容納的最大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量ZigBee>Z-Wave> Wi-Fi>藍(lán)牙，安全性藍(lán)牙>ZigBee>Z-Wave>Wi-F、成本W(wǎng)i-Fi>ZigBee>藍(lán)牙>Z-Wave>。Wi-Fi是目前應(yīng)用最為廣泛的無線技術(shù)，它具有用戶群最多和傳輸速度快，但是它有著安全性低，成本高、功耗大和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量少等弊端;而ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、傳輸距離大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量巨大等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是傳輸速度慢;Z-Wave技術(shù)有著最低功耗和最低成本，擁有較低的傳輸頻率，相對(duì)較遠(yuǎn)的傳輸距離，Z-Wave技術(shù)暫時(shí)還沒有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)國(guó)家的頻段也不同;藍(lán)牙技術(shù)具有功耗較低、成本較低、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)， 但其缺點(diǎn)是傳輸距離太短、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量太少[2-3]。

智能家居平臺(tái)的理念是要讓所有不同廠商的設(shè)備都能互聯(lián)，所有設(shè)備的通信都是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，但有一個(gè)問題，每個(gè)設(shè)備產(chǎn)商支持的通信協(xié)議不同，如何讓它們能在單一的網(wǎng)絡(luò)上協(xié)同工作？我們將上述幾種通信技術(shù)都應(yīng)用到我們的平臺(tái)Gateway中，平臺(tái)Gateway根據(jù)配置文件的協(xié)議信息打開或關(guān)閉某協(xié)議功能，與支持不同通信協(xié)議的終端設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)。這樣設(shè)計(jì)最大的好處能滿足用戶不同的需求，用戶可以將他喜歡的任何廠商的智能家居設(shè)備都連接到我們的平臺(tái)中。

2 平臺(tái)三大主要功能

2.1 設(shè)備控制功能

智能家居平臺(tái)中最常用的是對(duì)家中各設(shè)備進(jìn)行操作，如開關(guān)燈，調(diào)節(jié)燈的明暗，調(diào)節(jié)冰箱溫度，開關(guān)空調(diào)，設(shè)置空調(diào)溫度，開關(guān)電視，窗簾等設(shè)備。這些操作不僅能提高家電的使用效率，符合節(jié)能的原則，還能提高用戶體能，享受到智能帶來的好處。設(shè)備控制功能是智能家居平臺(tái)中核心的功能。我們除了可以控制單個(gè)設(shè)備還可以設(shè)置多種模式：

如：模式1：七、八月份17點(diǎn)30，關(guān)閉窗簾，空調(diào)啟動(dòng)，并設(shè)置空調(diào)為制冷26度。

模式2：十二月、一月份17點(diǎn)30，關(guān)閉窗簾，空調(diào)啟動(dòng)，并設(shè)置空調(diào)為制熱20度。

模式3：晚上21：30熄滅家里所有的燈。

模式4：早上6：30 打開窗簾，床頭燈微亮10分鐘后關(guān)閉。

模式5：早上6：40 衛(wèi)生間的燈打開正常亮度5分鐘后關(guān)閉。

模式6：早上6：45 廚房的燈打開正常亮度30分鐘后關(guān)閉。

模式7：早上7：15 熄滅家里所有的家用電器。

設(shè)定模式的好處是將用戶的行為習(xí)慣記錄下來，當(dāng)該模式的規(guī)則滿足時(shí)，該模式將被觸發(fā)，設(shè)備的狀態(tài)將會(huì)被改變。這樣做的好處一是省去了單個(gè)設(shè)備的操作的時(shí)間，二是也為平臺(tái)進(jìn)一步優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)源。用戶除了通過界面上的模式設(shè)置功能設(shè)置不同的模式來控制不同的設(shè)備外，也可通過語音控制器發(fā)出語音指令，完成設(shè)備控制操作。

2.2 安防功能

家里廚房安裝好煤氣監(jiān)測(cè)儀，尤其要監(jiān)測(cè)一氧化碳的含量，當(dāng)家里發(fā)生煤氣泄漏時(shí)，會(huì)啟動(dòng)告警功能;廚房安裝煙霧探測(cè)器，連入智能家居平臺(tái)中，當(dāng)家里發(fā)生失火時(shí)，會(huì)啟動(dòng)告警功能，并通知主人;借助人體紅外傳感器，門磁傳感器及攝像頭，若監(jiān)測(cè)到有人非法進(jìn)入，如用外力破壞防盜門智能門鎖，平臺(tái)會(huì)發(fā)出告警并通知用戶。這樣能最大限度地保障房屋及室內(nèi)的人身、財(cái)產(chǎn)安全 [4-5]。

2.3 監(jiān)控功能

通過家庭網(wǎng)絡(luò)建立起一套監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)家居內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集的數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)久保存在云端，以便后期隨時(shí)調(diào)取查看。當(dāng)用戶長(zhǎng)時(shí)間不在家時(shí)或者只有老人、孩子在家時(shí)，平臺(tái)通過攝像頭傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，人體姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)等判斷家人的情況，當(dāng)家人跌倒或發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，通過告警信息，以便用戶發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)消除隱患。

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

3.1 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)的Gateway通過Wi-Fi連上家里的無線路由器，Gateway與支持不同協(xié)議的子網(wǎng)又如何進(jìn)行通信呢？平臺(tái)Gateway可以通過配置文件的信息來判斷該開啟或關(guān)閉哪種通信協(xié)議，Gateway可通過家里無線路由器與支持Wi-Fi終端設(shè)備通信;通過ZigBee協(xié)調(diào)器與支持ZigBee協(xié)議的終端設(shè)備通信，通過藍(lán)牙模塊搜索到支持藍(lán)牙的終端設(shè)備，綁定成功后開始通信;通過Z-Wave技術(shù)將支持Z-Wave協(xié)議的終端設(shè)備進(jìn)行通信，如圖1所示。我們的平臺(tái)還有可擴(kuò)展性，還可增加其他plugin模塊來支持其他通信技術(shù)如5G、Thread、Lora、Halow等，平臺(tái)還支持多系統(tǒng)，如Windows和Linux。智能家居設(shè)備可以是家用電器設(shè)備，照明設(shè)備，影音設(shè)備，智能門窗設(shè)備，安防設(shè)備等，通過智能家居平臺(tái)讓每一件智能家居設(shè)備都可以連接到網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了任何一種家居產(chǎn)品都能與平臺(tái)進(jìn)行有效信息傳輸。

3.2 Gateway配置文件

zigbee_plugin.dll

zigbee_plugin.so

zwave _plugin.dll

zwave _plugin.so

bluetooth _plugin.dll

bluetooth _plugin.so

wifi _plugin.dll

wifi _plugin.so

配置文件如圖3所示，文件中顯示所支持協(xié)議的plugin，暫時(shí)用不到的plugin可以注釋掉，后續(xù)還可以添加新開發(fā)的plugin，這樣不僅提高了平臺(tái)的可擴(kuò)展性也提高了平臺(tái)的健壯性。

3.3 平臺(tái)設(shè)備加入或刪除

Gateway的plugin進(jìn)入到可加載新設(shè)備模式，終端開啟設(shè)備加入模式，Gateway與終端設(shè)備匹配成功后，新設(shè)備加入，流程如圖4。Gateway可從它的設(shè)備列表中刪除某個(gè)設(shè)備，該設(shè)備便從平臺(tái)中移除了。

3.4 server設(shè)計(jì)及部署

基于云端的智能家居管理系統(tǒng)采用 B/S 三層體系架構(gòu)，使用 java語言進(jìn)行 Web 設(shè)計(jì)，同時(shí)使用了 HTML 以及 CSS 相關(guān)技術(shù)，把阿里云平臺(tái)作為服務(wù)器，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。云端的server主要分為賬戶管理，數(shù)據(jù)采集，模式管理，設(shè)備控制與管理和語音控制等模塊如圖5所示。云端的server可以連接多個(gè)Gateway，這個(gè)設(shè)計(jì)考慮到現(xiàn)在好多人手里多套房子，用戶可以通過一個(gè)客戶端一個(gè)賬號(hào)就能輕松管理多個(gè)房子的家居設(shè)備。云端的server是用戶操作設(shè)備和獲取設(shè)備信息的橋梁，其負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，用戶可通過微信小程序或手機(jī)App向智能家居平臺(tái)發(fā)送指令，智能設(shè)備接收到指令后執(zhí)行相應(yīng)操作，并將相應(yīng)信息自動(dòng)上傳至云服務(wù)器端保存，還會(huì)周期性采集某些傳感器的數(shù)據(jù)（如溫度，濕度）上傳至云服務(wù)器端保存，用戶可隨時(shí)登錄云端查詢相應(yīng)信息，如圖6所示。如客戶端可查看最近一個(gè)月的溫度數(shù)據(jù)詳情，用戶控制設(shè)備的操作的數(shù)據(jù)則可以保存數(shù)年之久，這些數(shù)據(jù)對(duì)于平臺(tái)后續(xù)的擴(kuò)展非常重要，為后續(xù)引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模塊作為樣本數(shù)據(jù)，對(duì)用戶行為進(jìn)行分析，便不再需要用手動(dòng)設(shè)置模式，可享受到智能帶來的便捷。

Gateway 連接到云服務(wù)器后，用戶可以通過PC web端，手機(jī)瀏覽器，微信小程序或 App 多種終端對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，微信小程序的設(shè)備控制界面如圖7，模式設(shè)置界面如圖8所示。

4 平臺(tái)測(cè)試

主要對(duì)平臺(tái)的功能進(jìn)行了測(cè)試，客戶端控制支持不同協(xié)議的設(shè)備，設(shè)備均能做出相應(yīng)的狀態(tài)改變。特別是模式管理中，當(dāng)觸發(fā)規(guī)則滿足時(shí)，多個(gè)設(shè)備的狀態(tài)與設(shè)置的狀態(tài)是一致的。用戶操作的數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)均能存儲(chǔ)到云端指定的存儲(chǔ)位置，在客戶端可查詢。還對(duì)Gateway進(jìn)行了斷電斷網(wǎng)測(cè)試，平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)到斷電前的狀態(tài)并繼續(xù)正常工作。測(cè)試表明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性， 基本功能正常有效可以滿足日常的需要。

5 結(jié)束語

由于無線傳輸技術(shù)的多樣化，本文設(shè)計(jì)的智能家居平臺(tái)針對(duì)現(xiàn)有家居的一些不足做出了改進(jìn)，本平臺(tái)最大的優(yōu)點(diǎn)是支持不同的協(xié)議進(jìn)行通信，平臺(tái)還有一定的擴(kuò)展性，用戶可以根據(jù)自己的喜好隨意選擇智能設(shè)備，以滿足用戶不同的需求。構(gòu)建的智能家居平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭各種設(shè)備進(jìn)行控制和管理。不論用戶是否在家，都可以通過手機(jī)或電腦來掌握家中各設(shè)備的情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電、煤氣和外來者的監(jiān)督控制，讓家居生活更舒適和安全。

6 未來展望

用戶控制設(shè)備指令觸發(fā)的一些系列狀態(tài)變化和傳感器周期性采集的環(huán)境數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)源，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)找出用戶行為特征之間的關(guān)聯(lián)性規(guī)則，從用戶的生活習(xí)慣，使用習(xí)慣來探索用戶行為事件關(guān)于時(shí)間序列的分布特征;可以加入神經(jīng)智能網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，識(shí)別一次完整的用戶行為事件，將智能地為用戶設(shè)置好滿足用戶需求的模式而無需用戶手動(dòng)設(shè)置模式，幫助用戶構(gòu)建一個(gè)更加舒適、智能、個(gè)性的生活方式，將提升人們的生活品質(zhì)[6-7]。安全性也是一個(gè)重點(diǎn)要考慮的內(nèi)容，如有些智能設(shè)備還存在AP弱口令，密鑰機(jī)制不健全，設(shè)備綁定流程不嚴(yán)密，這些用戶信息極易被盜取，后續(xù)將考慮組網(wǎng)時(shí)采用鏈路加密機(jī)制來確保網(wǎng)絡(luò)安全，因?yàn)橐坏┖诳湍苷瓶啬慵业脑O(shè)備，安全隱患就特別大[8]。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】