智能家居交互平臺系統研究

何 峰

（北京中建海外裝飾工程有限公司，北京 100000）

基于國內當下智能家居行業還沒有統一的標準、企業各自發展的現狀，從2003年起，陸續涌出了多種智能家居產品。這些智能家居產品雖都有其各自的優勢和適用性，但是單獨的一種技術都很難去為終端用戶提供一套完成的智能控制的解決方案。目前多數智能家居廠商都在積極的推動各種技術的“整合”，來完善自己的產品結構，但是多數廠商都有其專屬的應用程序與控制技術，不同廠商的終端智能產品之間不具有兼容性，無法實現相互間的互聯與互通。

終端客戶的需求和智能家居技術的發展，必然不斷地接入新的技術、驅動與接口，不斷豐富系統的多樣性，為此智能家居交互平臺系統隨著科技的發展會具有越來越強大的兼容性，會“整合”更多的技術，會有更多的智能家居廠商來“對接”智能家居交互平臺。因此，構建智能家居統一交互平臺系統，使智能家居各廠商產品能夠既獨立運行，又在交互平臺系統中應用，就像萬能遙控器一樣，既能使用原裝遙控器去控制家電，又能匹配萬能遙控器去控制家電。設備既能在各家子系統的平臺管理下運行，又能在統一平臺下集中運行，打破孤島，使智能家居產業真正的融為一體，以滿足當下終端消費者對智能家居產品的需求。

1 智能家居系統架構

智能家居系統架構決定了該系統的功能特性及安全性等諸多問題，當前國內較常用的系統架構可分為“公有云+C/S系統架構”和“私有云+P2P系統架構”兩種。

1.1 公有云+C/S架構

公有云（public cloud）是基于標準云計算（cloud computing）的一個模式，服務供應商提供資源，智能家居廠家租用公共云資源用于應用和存儲，終端用戶可以通過網絡獲取這些資源的模式。由于許多云服務將直接通過公共Internet訪問，所以安全性成為使用云服務處理重要信息的最大障礙。同時，當服務供應商系統故障或智能家居廠商停止租用服務公共云資源時，終端用戶的智能家居系統將無法繼續使用。

C/S架構（Client/Server架構）是大家熟知的客戶機和服務器架構。它是智能家居軟件系統體系架構，通過它可以充分利用兩端硬件環境的優勢，將任務合理分配到Client端和Server端來實現[1]。該架構系統的通訊受網絡環境影響較大，且在數據傳輸過程中存在著數據延遲、外泄等因素，因此智能家居的終端用戶將會遭遇體驗感差和不可估計的損失。

智能家居公有云+C/S架構，如圖1所示。由于該架構智能家居廠商前期投入少，所以是目前大多數智能家居廠商采用的架構體系。

圖1 公有云+C/S架構

1.2 私有云+P2P架構

私有云（Private Clouds）是為一個客戶單獨使用而構建的，因而提供對數據、安全性和服務質量的最有效控制[2]。私有云是智能家居終端用戶的專用設備，并可以在此設備上部署應用程序、數據存儲、邏輯運算等；私有云可部署在防火墻內，因此在智能家居領域為用戶提供了更安全保障。

P2P（peer-to-peer，對等式網絡）架構，又稱點對點技術，是依靠智能家居系統設備終端（peers）交換信息的通訊體系，它的作用在于減低網路傳輸中的節點，以降低資料遺失的風險。P2P網絡的一個重要的目標就是讓所有的終端都能提供資源，擁有較佳的并行處理能力，大幅度提高性能；不用投資大量金錢在服務器的軟、硬件設備，適用于小規模的網路，維護容易。

智能家居私有云+P2P架構如圖2所示。該架構智能家居廠商開發成本和智能家居主機成本均比較高，但該架構體系的優勢性也非常明顯的，適合中高端用戶選用。

圖2 私有云+P2P系統架構

2 智能家居交互平臺系統的研究

智能家居交互平臺系統是利用計算機技術、網絡技術、通信技術，在遵循通訊協議、端口協議、轉換協議的基礎上，開發的一套可以對信息、系統、協議等進行交互的嵌入式平臺系統[3]。智能家居交互平臺系統需安裝在Android、IOS、windows系統的平板電腦主機上，智能家居交互式平臺對各子系統的數據進行接收、邏輯分析、執行、存儲、交互等操作，該平板電腦主機即為智能家居主機。

2.1 智能家居交互平臺系統的構成

目前主流技術是利用HTML5設計的人機交互界面。因特爾公司推出基于HTML5智能家居圖形化編程環境原型，它可以讓家庭自動化工程師拖放元素來完成整個智能家居系統的設計，對于智能家居設計工程師來說，這一功能可以大大提高效率，并且具有高度的靈活性，人機交互得到了更好的發展，如圖3所示。

圖3 人機交互界面

2.2 MySQL數據庫

智能家居交互平臺系統主機采用的是MySQL數據庫[4-5]，該數據庫為一款完全免費的產品，可以運行在windows平臺，且MySQL數據庫的跨平臺性是一個很大的優勢，極大地方便了開發和后期應用移植。

本文研究的智能家居交互平臺系統，其兼容性很高，系統內置對RS232/485技術、紅外技術、藍牙技術、Z-Wave技術、標準RF433技術的核心控制功能，其設備添加和控制以及數據及交互均在MySQL數據庫內進行。智能家居交互平臺主機系統和MySQL數據同時在智能家居交互平臺主機運行，設備狀態信息和操作指令實時的在系統和數據庫之間進行傳遞和存儲。

2.3 開放的通訊協議及接口函數

智能家居交互平臺采用SSDP和UDP通訊協議進行與子系統的端口對接；采用TCP或HTTP傳輸協議進行傳輸；傳輸內容能通過HTML5、XML、JSON技術進行編輯。

子系統欲實現與智能家居交互平臺進行控制和數據交互，需兼容以上通訊協議和技術進行開發。本文研究的智能家居交互平臺系統通訊基于JSON-RPC 2.0，使用TCP短連接。

3 與外部網絡之間的數據交互

本文研究的智能家居平臺主機與外部網絡是通過TCP遠程驅動接入智能家居交互平臺HomeCenter系統，云對云驅動也使用此協議；TCP遠程驅動使用JSON作為數據交換格式。開發者可以通過TCP驅動，或rhome命令來開發和調試TCP Driver，開發一個TCP遠程驅動需要以下3個命令，見表1。

表1 開發TCP遠程驅動常用的命令

此外，在Windows10系統下設置防火墻，用于識別通過網絡傳輸的指令是否為合法指令，而不是“黑客”非法指令。因此，智能家居交互平臺既是家庭信息的交通樞紐，又是防火墻。

智能家居交互平臺應實現家庭內部網絡與外部網絡之間的數據交互，能與廣域網連接，實現遠程控制、遠程管理，如圖4所示。

圖4 內/外部網絡的數據交互

基于無線技術智能家居交互平臺擴展總線或無線技術在室內環境中的交互式平臺主機是通過橋接器或路由器與各個子系統或終端設備進行物理連接。智能家居交互平臺主機“整合”技術之間通過MySQL數據庫進行存儲與交互；與智能家居交互平臺主機“對接”的子系統，其數據交互是通過TCP傳輸協議傳輸JSON的數據格式的數據包，實現與其他智能主機進行數據交互與控制，如圖5所示。

圖5 智能家居交互平臺主機與子系統之間的數據交互圖

4 智能家居交互平臺“整合”的幾種控制技術

4.1 紅外技術的“整合”

紅外技術在智能家居領域得到了廣泛的應用，是因為常用的家用電器設備都有紅外接收功能，也就是說很多電器都有紅外功能的遙控器。隨著終端用戶的各種家用電器的需求不斷增加，遙控器的數量也隨之增多，為此也給生活帶來了不便。隨著智能家居紅外轉發技術的不斷成熟和完善，終端用戶也體驗到智能家居給生活帶來的改變。

與此同時，紅外技術有一個致命的弱點，就是紅外線在傳輸過程中穿透力很弱，隔房間或物體時，是不能對設備進行控制的。紅外轉發技術可以解決這個難題，但數據交互過程會出現延遲等情況，降低了客戶對智能家居的體驗感。

本文研究和實施的紅外轉發器ZEN-Ball是與智能家居交互平臺系統主機之間通過網線進行連接的，且串聯并延伸到各個房間。當智能家居交互平臺主機執行某一紅外設備的控制時，主機會下發射“紅外碼”，該“紅外碼”通過網線進行傳輸至某一特定的紅外發射器，紅發轉發器發射紅外碼，來實現對該紅外設備的控制。

4.2 Z-Wave技術的“整合”[6]

Z-Wave傳輸協議是專為智能家居通訊而研發的一款協議，頻段純凈無干擾，兼容性好，在平臺協議內產品可互通；Z-Wave協議是開放的，其聯盟160多個國際廠商開發的1 000多種設備都是兼容的；本文研究的智能家居交互平臺主機系統中內置了所有的ZWave產品列表，并不斷完善與更新。因此，在終端用戶選用Z-Wave技術的智能家居系統時，可以不用另行采購智能家居主機系統，而是通過添加Z-Wave控制器來完成與其他Z-Wave設備間的雙向通訊。

本文研究的Z-Wave控制器是采用USB即插式連接方式，方便移動，適合各種復雜環境，我們稱之為USB Z-Wave網關控制器。用于實現系統內所有ZWave設備的雙向通訊，接收傳感器的回傳信號，通過設定聯動其他設備動作。亦可直接收命令，發出ZWave信令，控制Z-Wave終端設備做出動作。設備響應時間只有5 ms；信號衍射性強覆蓋性好室內傳輸30 m，室外傳輸100 m；內置記憶卡，不連接主機匹配信息也不會丟失。

USB Z-Wave網關控制器也可以通過USB延長線與智能家居交互平臺主機的橋接器的USB接口進行連接，如圖6所示。

圖6 Z-Wave網關控制器

4.3 標準RF433MHz射頻技術的“整合”

在國際上基于標準RF433MHz無線通訊協議開發的國際廠商眾多，滿足RF433通訊協議的產品更是不勝枚舉。其產品應用于安全報警、無線自動抄表、家居及工業自動化、遠端遙控等領域。遵循標準RF433無線通訊協議開發的產品之間能夠實現數據交互。因此，基于標準RF433無線通訊協議的智能家居產品在平臺協議內也是可以進行控制和數據交互。本文研究的智能家居交互平臺系統，對于標準的RF433產品進行“整合”，其設備添加和控制的原理與Z-Wave基本相同。

4.4 藍牙技術的“整合”

藍牙技術作為一種無線數據與語音通信技術，具有開放性和全球的統一規范，可提供低功耗、短距離的無線空中接口，傳輸距離小于10 m，在信號放大器的幫助下，通訊距離甚至可達100 m左右[2]，在固定設備與移動設備之間實現無線通信。基于藍牙技術開發的數據傳輸模塊，不僅可以用來進一步開發藍牙高層協議，而且還可作為通用的接口函數和模塊應用到多種無線場合[2]。

藍牙控制器，可直接連接在智能家居交互平臺的橋接器USB口上，也可以通過USB延長線，擴展到室內應用的場所。

智能家居交互平臺主機系統發送控制信令，藍牙適配器接收后將信令傳給出去，并被多個藍牙模塊或藍牙設備接收，經單片機或設備識別后完成相應的動作，從而實現了智能家居交互平臺與終端設備的無線控制功能。本文研究的智能家居交互平臺系統，對于標準的藍牙產品進行，其設備添加和控制的原理與ZWave基本相同。

4.5 RS485技術的“整合”

RS485設備通過USB轉485數據線與智能家居交互平臺主機的橋接器進行連接，在確保驅動程序正常的情況下，執行發射和接收RS485碼，實現對RS485設備的整合及控制，如圖7所示。

圖7 USB轉RS485接口數據線

4.6 RS232技術的“整合”

智能家居交互式平臺主機與RS232設備進行交互的原理和RS485設備的交互原理是相同的。不同的是通訊協議不同，設備端口線不同，功能按鍵的編碼不同。RS232通訊端口的設備很常見，一般家庭中的影音設備通常都具有RS232通訊接口，如電視機、機頂盒、公放機、DVD、投影儀等。隨著終端客戶對影音室的需求提升，多端口轉換設備應用出現，使得智能家居系統對影音設備的控制變得簡捷，如圖8所示。

圖8 RS233多端口轉換設備

5 發展趨勢

通過對智能家居領域多種通訊技術和系統架構進行深入的研究，研發出適合當下國情的智能家居產品體系和系統架構，構造出一套功能強大的智能家居交互平臺系統。打破了當下國內不同廠商生產的設備之間不能進行數據交互的窘境；同時，其他智能家居廠商，尤其是新進入智能家居領域的廠商在與“智能家居平臺系統”對接時，其通訊協議和接口函數要遵循“智能家居交互平臺系統”的定義，從而在一定程度上為智能家居統一規范起到了積極的推動作用。“智能家居交互平臺系統”是近階段國內智能家居行業發展的方向。