基于ZigBee網絡及WebOS云計算技術的智能家居安防系統設計

羅 隆

（廣州工程技術職業學院，廣東廣州 510075）

0 引言

隨著自動化與智能控制技術的發展，加上人們對生活環境的要求大幅提高，家居控制的智能化與便捷性越來越重要，智能家居系統得到了飛速發展，各種智能產品、智能電器、智能家居極大地豐富了人們的生活。智能家居以人工智能技術、計算機通信技術、自動化技術、語音識別與圖像識別技術等為基礎，將家庭各種用電設備進行系統集成，構建一個方便快捷的住宅與家庭管理系統，為人們的生活提供了舒適與便利[1]?？梢灶A見，隨著科學技術的不斷進步，它將為人們帶來更多的居住幸福感。

傳統的智能家居設備側重于控制家用電器方面，如果用戶需要兼顧安防方面的需求，就需要額外購買監控攝像機、防盜系統等設備，這就增加了用戶的投入，使智能家居一直停留在高端市場，而不能走進百姓家庭[2]。而且家庭控制主機由于運算性能有限，只能完成數據采集、簡單控制的功能，但隨著科技的發展，出現了語音控制、行為控制等新需求，傳統的智能家居控制技術已不能滿足未來的需要[3]。隨著云計算的誕生，這些高級的控制需求有了新的解決方式。針對這些問題，本文設計開發了一種基于ZigBee網絡及WebOS云計算技術的智能家居系統，該系統集成有網絡攝像頭，用戶既能在遠程控制家電，還能即時通過網絡攝像頭功能觀看視頻，布防防盜系統，利用本地控制主機進行數據采集，遠程云服務器進行分析、存儲，再回傳數據至本地控制主機執行，實現云服務，從而做到一套系統滿足智能家居控制、視頻監視、防盜報警三種功能。

1 系統架構

本智能家居安防系統由三層網絡組成，底層為感知控制層ZigBee網絡，中間層為Internet以太網網絡，頂層為應用層，底層與中間層之間通過控制主機相連進行數據交互，后臺是強大的云服務器群。

本系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

2 智能家居控制主機的設計

控制主機是感知控制層ZigBee 網絡與中間層Internet以太網網絡相連的網關，是本系統開發中的關鍵設備，它是一個嵌入式的智能前端，采用ARM架構的Linux系統平臺，其通過有線、Wi-Fi或5G上網卡對外連接Internet，并提供一個WebOS服務管理系統，負責網絡管理、ZigBee設備管理、情景模式管理、布防管理等，人機控制界面為WebOS，具有很強的可操作性，兼容未來的HTML6技術，支持新一代的瀏覽器[4]；可以利用計算機、智能手機等各種具有瀏覽器的智能終端設備，通過互聯網遠程訪問中心控制器內置的Web界面，實現人機交互，進行家電設備操作、視頻監控、防盜布置等操作，方便易用。

通過它用戶可以實現家庭設備的無線控制、紅外遙控的在線學習、音視頻自動環境檢測、主動或被動報警等功能。控制主機集成有網絡攝像頭的功能，用戶既能遠程控制家電，還能即時通過網絡攝像頭功能觀看視頻，還可以錄制監控視頻、設置錄制觸發模式等。

每個家庭有一個或多個控制主機設備，每個設備管理一部分的無線傳感器或無線控制器。接收這些設備的數據上傳到云服務中心，這些數據包括音頻數據、視頻數據、溫度、濕度等，云服務中心根據用戶注冊的信息及用戶社交網絡的信息建立對應每個家庭的專家系統，實現家庭的智能化。

控制主機中的WebOS使用了最新的HTML5標準和基于HTTP長連接的“服務器推”，使得富客戶端程序成為可能。通過HTML5，用戶操作界面像操作系統一樣便于操作，像普通的Web應用一樣方便修改和升級。通過“服務器推”技術，服務器的信息可以及時推送到瀏覽器客戶端，例如實現攝像頭視頻推送，實現設備狀態信息報警等[4]。傳統上這些必須通過C/S模式實現，這也是其與傳統智能家居終端主要的區別之一。

控制主機將用戶的點擊、設置等操作，發送ZigBee控制命令到各對應ZigBee控制模塊，模塊接收命令識別后執行對應的操作，包括開關家用電器、發送紅外遙控命令等，同時接收及顯示各ZigBee模塊的狀態信息。

3 基于ZigBee 無線組網技術的控制節點與傳感節點模塊開發

位于系統底層感知控制層ZigBee網絡的控制節點與傳感節點模塊也是本系統重要組成部分?；赯igBee無線組網技術的控制節點屬于系統控制信息硬件輸出部件，通過ZigBee芯片接收控制主機發送的控制信息控制節點上的各種設備。無線傳感節點屬于系統外部信息硬件接入部件，節點上各種傳感器轉化為的數字信號通過ZigBee傳輸到控制主機，再由控制主機響應處理。另外，還可以通過設置節點間的強關聯，使得節點可以脫機聯動控制。

ZigBee控制節點與傳感節點模塊均采用8051內核的單片機芯片為控制器，通過SPI接口連接ZigBee無線芯片實現無線網絡通信。節點模塊負責實現控制主機發送的命令，具體來說可以實現以下主要功能：

（1）可控插座，可以實現家電設備的開關控制。

（2）照明開關，可以實現照明設備的開關控制。

（3）紅外轉發器，可以實現將對應的ZigBee無線信號轉為紅外遙控信號，實現各種帶紅外遙控功能的家電設備控制，例如電視機、電風扇、功放音響、空調等控制。

（4）燈光控制器，可以實現燈光亮度的控制。

（5）窗簾控制器，可以實現電動窗簾開合控制。

（6）溫度濕度監視器，可以實現溫度、濕度的監視。

（7）人體紅外防盜監視器、安防防盜設備，能夠檢測人體紅外信號，配合其他模塊實現設防、撤防和報警等功能。

（8）有害氣體檢測器，可以檢測煤氣、煙火、一氧化碳等各種有毒氣體。

（9）火焰檢測器，可以檢測明火，起到檢測火災發生的作用。

4 WebOS云計算技術在智能家居方面的應用開發設計

本設計的云服務器主機采用LAMP平臺技術，采用Linux+Apache+Mysql+Python來搭建后臺數據處理的動態網站，多臺LAMP服務器主機組成云服務器群，共同組成了一個強大的Web應用程序平臺[5]。本系統的服務后臺采用云計算技術為每個家庭建立對應的智能系統，用戶數據存儲在以數據存儲和管理為核心的云計算系統，可以實現語音控制、行為控制等高級控制，并有著很高的可靠性，且很容易動態拓展[6]。本系統的云技術網絡架構如圖2所示。

圖2 系統云技術網絡架構

網絡層包括在每個智能家庭控制主機內的基于WebOS技術的嵌入式服務器，負責本地及遠程訪問控制ZigBee網絡中各個聯網設備，實現Web管理控制界面，保存記錄各相關數據狀態。Web站點服務器通過訪問上述數據庫服務器獲取數據信息，并通過Web站點發布到互聯網上的應用層[7]。

應用層包括各類搭載了Web瀏覽器的終端設備，利用電腦、手機、平板電腦等各種具有瀏覽器的設備，通過Internet遠程訪問中心控制器內置的Web界面，實現人機交互，進行家電設備操作、視頻監控、防盜布置等操作。另外，用戶還可以在智能用戶終端上直接安裝運行于Android、iOS、Windows Phone操作系統的App應用程序，以實現在Web上暫時無法實現的功能，例如語音控制、手勢控制等。

5 結語

本系統將ZigBee網絡技術及WebOS云計算技術用于智能家居安防系統，兼容新一代互聯網HTML6技術，中心控制器集成有網絡攝像頭的功能，將ZigBee與WebOS云計算技術用于智能家居設備的研發，開發控制主機及網絡控制與傳感節點模塊，利用后臺的云計算平臺實現智能家居的語音控制、行為控制等高級控制，將家居控制、視頻監視、防盜報警等功能集成到一套家居控制系統中，能夠有效降低用戶成本，簡化用戶操作難度，提升家居防盜安全水平，減少因家庭電器操作失當造成的水電浪費，推動智能家居產業發展。