智慧城市中基于異構物聯網的智慧家居

雍蓉

（西安科技大學高新學院，陜西西安，710109）

0 引言

隨著現代智能家居城市建設的不斷深入，由于現代家居生活智慧、智慧居住社區以及現代智能手機等多功能線路延伸等新的要求，城市的發展將帶動現代智能家居行業突破城市原有的尷尬，依托現代智能家居城市基礎設施和應用開發，向現代智能家居過渡。為了進一步優化提高智慧智能家庭安居中所有網絡連接點的質量,節點延長使用壽命,針對實際家庭物理應用環境的信息多樣性,采用異構型的網絡結構與多種通信連接方式應用來設計構建一個智慧家居網絡平臺。

1 智慧家居平臺的構成

智慧家居系統的構成結構如圖1所示。

圖1 智能加劇平臺構成示意圖

包含的主要功能子系統項目有:智慧家庭的家庭網絡的環境監測系統、控制系統、智慧、家庭環境和照明管理系統的功能和環境安全控制系統和家庭環境安全監測監控系統、背景音樂、家庭影院多媒體電視監控系統、家庭安全控制等八個子系統的環境管理體系。其中智慧家居安防控制系統、家居網絡安防照明控制系統、家居環境系列是必備的安防監控系統、家居網絡布線監控系統、家居網絡監控系統、背景音樂、家庭影院電視多媒體監控系統、家庭環境安全控制管理系統為主要可選應用系統。在制造商智慧家居應用系統硬件產品的品牌識別方面，制造商研發生產的品牌智慧家居必須有屬于制造商真正必要的硬件系統，才能真正實現制造商智慧家居的主要應用功能，真正稱得上是制造商的智慧家居。因此，智慧家居安全控制系統管理功能系統、家庭家居照明安全控制管理系統、家庭家居安全控制系統可以直接稱為家庭智慧家居。而所有可選的系統都不能直接稱之為智慧家居，只能用智慧家居系統加上一個結合具體功能的系統來表達這種方法，如果有可選的背景音樂系統，則稱為智能家居系統的背景音樂。把可選系統產品稱為智能家居是一種誤導。在識別智能家居環境時，只有安裝了所有必要的系統，且至少安裝了一個或多個可選系統，智能家居才能稱為智慧家居。

2 基于異構物聯網的智慧家居特點

2.1 提高節點應用年限

盡管現代智慧家具是在智能家具基礎上的延伸，但是在網絡結構越來越多的壓力中國通信網絡、通信節點之間的數據越來越多,所有通信網絡的網絡結構不同的頻率,很多問題,比如現有的網絡結構之間的差異,從沒有滿足國內需求。隨著無線通信網絡技術的不斷發展，為了有效地延長無線節點日常使用的網絡壽命，許多專家學者正在研究利用網絡系統中的各種智能無線路由管理算法來有效減少無線網絡資源消耗,提高網絡節點使用壽命。但實際使用這種算法處理只能在一定大的程度上有效改善網絡問題,從改變網絡系統結構或者系統硬件上細節入手處理才能更有效。

2.2 降低運營維護成本

智慧家居有一個非常顯著的特點，就是系統的安裝、調試和日常維護的前期工作量是非常大的，需要大量的時間、人力和物力的長期投入，已經成為制約家居行業健康發展的瓶頸。針對這一復雜問題，在系統設計之初就規定要充分考慮系統安裝、調試和維護的便捷性，通過異構物理互聯網技術實現遠程自動調試與安裝維護，再通過無線網絡,不僅可以使每個住戶家庭能夠輕松實現基于家庭廚房智能化監控系統的遠程控制管理功能,還可以允許系統工程技術人員在遠程實時檢查監控系統的正常工作運行狀況,對系統可能出現的各種故障情況進行及時診斷。這樣,系統版本設置與軟件版本自動更新工作可以在多機異地同時進行,從而大大程度方便了系統的開發應用與系統維護,提高了系統響應速度,降低了系統維護管理成本。

2.3 促進智慧家居發展

在多個底層節點傳感器組成節點耗能數量相同的使用條件下,異構型節點體系與單一節點結構的大型物聯網系統相比, 同時，節點傳輸的數據量會更多，系統整體能耗會增加，但單個部件節點的能耗也會顯著降低，主要部件節點的整體能耗會降低，這將直接大大提高物聯網的使用壽命。同時，隨著家居系統應用功能的不斷增加，系統管理節點數量的不斷增加，數據量的不斷增加也將是未來智能家居的發展趨勢。因此，基于物聯網異構的智能家居平臺能夠更好地適應現代化的發展需求，從根本上推動智能家居的發展趨勢。

3 智慧城市中基于異構物聯網的智慧家居結構設計

3.1 確定結構

基于異構物聯網設計智能家居時，BSS拓撲由一個無線接入點和多個連接到它的終端組成。終端可以且只能通過無線接入點接入外部網絡。移動客戶端僅限于Wi-Fi模式。當網絡中不同的終端相互通信時，數據只能通過無線接入點轉發，而不能像IBSS結構中那樣直接訪問。每個BSS網絡由一個SSID標識。不同標識網絡的終端之間不能互通。在BSS網絡中，當路由器與移動終端的距離在70米以內，傳輸5000個包時，無線Wi-Fi網絡中幾乎沒有丟包率。

3.2 網絡設計

在智慧家居網絡設計過程中，信息采集以家庭為單位。不同的家庭有不同的家用電器，所以收集的信息也不同。在系統的設計過程中，每個家庭的所有家電都組成了一個局域網。家電信息通過物聯網網關采集，音視頻信息通過家庭網關存儲在公共網絡服務器中。家庭局域網由物聯網網關、樹莓PI等信息采集節點組成。物聯網網關是一種支持IEEE802.11AC標準，采用OpenWRT系統的路由器。當采集節點使用樹莓PI進行信息采集時，樹莓PI通過支持802.11ac的無線網卡與路由器相連，也可以使用其他支持IEEE802.11ac的節點。當然，物聯網網關并沒有保存家電歷史信息。用戶需要訪問登錄信息、歷史電表、水表等信息，還需要通過Internet訪問公網服務器，服務器查詢數據庫獲取相應數據。

3.3 模塊設計

（1）網關模塊

物聯網網關主要負責通信功能，其中涵蓋智慧家居服務器、智慧家居設備以及移動客戶端等等，完成數據的接收、處理、轉發和發送功能。詳細介紹了物聯網網關和服務器以及物聯網網關和移動客戶端兩個方面。物聯網網關與公網服務器通信公網服務器作為智慧家居系統的核心組件，完成對不同用戶的家電設備信息的處理和存儲，為移動用戶提供家居信息查詢和控制功能。當智能家電的信息提交給物聯網網關,物聯網網關將消息發送到公共網絡服務器或移動客戶端根據消息的來源,然后是公共網絡服務器或移動客戶端反饋的消息,并將其網關。在物聯網網關中，網關客戶端模塊相對于服務器模塊，服務器作為服務器，網關作為客戶端。與智能家電信息采集模塊相比，物聯網網關作為服務器端，家電信息采集模塊作為客戶端。使用TCP協議完成兩者之間的數據傳輸。

（2）邏輯模塊

在對物聯網中邏輯模塊進行設計時，為智能家電提供服務的GatewayServer模塊采用Netty架構完成。它負責家電信息的連接、發送和接收，使用TCP協議進行連接。GatewayClient模塊與公網服務器模塊一一對應。因此，采用非阻塞異步通信方式完成兩個模塊之間的通信，通信協議為TCP。Handler Process類負責兩個部分的功能，一個是服務器模塊和客戶端模塊的交互數據處理，包括解密、加密處理，另一個是用來處理移動終端的請求和反饋。Map Termina對應的數據結構用來保存移動客戶端的標識，即IP地址。Map Server類的相應實例負責記錄設備信息的標識。

（3）收集模塊

樹莓PI組成的信息采集部分一般分為三個模塊:GPIO模塊、包處理模塊和客戶端模塊。GPIO模塊負責智能家電與樹莓PI之間的信息交互。處理模塊需要完成兩種不同的功能。一種是將來自家電設備的傳感器信息格式從底層格式轉換為JSON格式，然后提交給客戶端模塊。另一種方法是從網關解析格式，將其轉換為底層格式，并將其推送到GPIO模塊。客戶端模塊作為套接字通信的客戶端，負責網關與物聯網之間的信息傳輸。樹莓PI中的每個模塊對應一個處理線程。客戶端線程與網關通信，接收到的消息存儲在“接收隊列”上，等待發送的消息存儲在“發送隊列”上。處理線程從“接收隊列”中讀取待處理的項并將結果存儲在“設備發送隊列”中，或者從“設備接收隊列”中讀取項(如果該隊列不是空的)并將結果存儲在“發送隊列”中。GPIO線程從“設備發送隊列”和“設備接收隊列”讀取和存儲數據，并將數據傳輸給ZigBee協調器或家用設備。

（4）設備模塊

終端節點連接智能家電，其功能可分為兩部分。首先通過串口接收家電信息，封裝成相應的格式，其次通過ZigBee無線網絡傳輸給協調器，最后接收協調器發送的控制信息，通過串口發送給家電。協調器負責樹莓PI與終端節點之間的信息交互。Raspberry PI采用GPIO引腳與協調器進行信息傳輸，協調器與終端節點之間的信息交互通過ZigBee無線網絡實現。ZigBee終端的發送模塊通過接口zb_SendDataRequest將數據發送給ZigBee協調器，協調器中的zb_ReceiveDataIndication模塊負責接收數據，并通過data_pack數據結構對數據進行處理。最后通過接口HalUARTWrite傳輸到樹莓PI，由樹莓PI的GPIO模塊進行處理。