◎陜西廣電網(wǎng)絡(luò)傳媒股份有限公司 王 鈺，楊 韜

物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。其有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)是指運用傳感器、射頻識別（RFID）、智能嵌入式等技術(shù)，使信息傳感設(shè)備感知任何需要的信息，按照約定的協(xié)議，通過可能的網(wǎng)絡(luò)（如基于WiFi的無線局域網(wǎng)、2G/3G等）接入方式，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換通信，在進行物與物、物與人泛在鏈接的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、控制和管理。

隨著家居智能化的快速興起，現(xiàn)代家居中的監(jiān)測、對講、安防、管理及控制等更多的功能被集成應(yīng)用，從而使得可視對講、家庭安防到家居的燈光、電器的智能控制等子系統(tǒng)越來越多，線路日趨復(fù)雜。在滿足功能需求不斷增長的同時，提高了系統(tǒng)的集成度，進一步提升系統(tǒng)的性價比，使安裝及維護工作更為簡單化，并能保證很好的靈活性，是現(xiàn)代家居智能化的發(fā)展趨勢。

對于廣電網(wǎng)絡(luò)來說，其入戶網(wǎng)絡(luò)在建筑建成時就已布置入戶，機頂盒也已成為每家每戶必備的設(shè)備。此外，廣電網(wǎng)絡(luò)不僅擁有極高帶寬的下行線路，可用于高質(zhì)量視頻信息的傳輸，同時也部署了數(shù)據(jù)上行線路，可以用于普通數(shù)據(jù)的上傳或者下載。廣電網(wǎng)路憑借其得天獨厚的優(yōu)勢，在無需重新布線和特殊設(shè)備改造的前提下，便可通過已有的機頂盒、手機等終端設(shè)備實現(xiàn)對室內(nèi)各種傳感器數(shù)據(jù)的收集以及對不同智能家居設(shè)備狀態(tài)的管理和控制。因此，廣電系統(tǒng)無疑是承載智能家居綜合控制和管理的最佳載體，并且能夠為將來的三網(wǎng)融合及與物聯(lián)網(wǎng)的接入提供更加豐富的應(yīng)用，極大地推動了感知中國、智慧城市的建設(shè)。

基于此，陜西廣電網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合清華物聯(lián)網(wǎng)實驗室共同研發(fā)搭建了基于廣電的物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺。該平臺以家庭網(wǎng)關(guān)為家庭中心結(jié)合各類傳感器，利用云計算、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的遠(yuǎn)程部署、升級、管控，同時為用戶提供了機頂盒、手機、PC等多種終端的訪問使用途徑。

系統(tǒng)設(shè)計

1 設(shè)計思路

通過廣電已建成的雙向網(wǎng)絡(luò)，在廣電服務(wù)器機房搭建一個以智能家居平臺后臺管理系統(tǒng)為中心，家電智能控制、家庭網(wǎng)絡(luò)、家庭能源智能計量等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用子系統(tǒng)并行的平臺系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)作為家庭接入終端，實現(xiàn)機頂盒、手機、PC等其他終端的物聯(lián)網(wǎng)智能家居的管控，不但保持了原有廣電業(yè)務(wù)，還可以擴展物聯(lián)網(wǎng)智能家居業(yè)務(wù)，并可以根據(jù)不同的用戶需求完成物聯(lián)網(wǎng)智能家居業(yè)務(wù)系統(tǒng)的升級、維護。

其中，作為廣電運營商主要建設(shè)、運營的智能家居后臺管理系統(tǒng)，可同時完成與第三方物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商相應(yīng)的服務(wù)子系統(tǒng)的對接工作，從而實現(xiàn)整個智能家居平臺系統(tǒng)的建設(shè)、運營。

2 平臺架構(gòu)

結(jié)合廣電實際情況，陜西廣電網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺系統(tǒng)邏輯架構(gòu)分為五層（見圖1）:

感知層：感知層主要完成信息的收集與簡單處理，該層由傳統(tǒng)的WSN、RFID和執(zhí)行器組成。

接入層：接入層主要完成各類設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入。該層重點強調(diào)各類接入方式，用戶家庭內(nèi)部以物聯(lián)網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)為家庭接入終端，以機頂盒、平板電腦、手機或者智能主控機作為家庭控制中心通過ZigBee、紅外等無線技術(shù)與感知層設(shè)備交互，將信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸給支撐層。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層為原有已建成的高清雙向網(wǎng)絡(luò)，主要完成信息的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)裙δ堋?/p>

支持層：支持層又稱中間件,或者業(yè)務(wù)層，對下需要對網(wǎng)絡(luò)資源進行認(rèn)知,進而達(dá)到自適應(yīng)傳輸?shù)哪康?。本層主要完成信息?shù)據(jù)的表達(dá)與處理，最終達(dá)到語義互操作和信息共享的目的。對上提供統(tǒng)一的接口與虛擬化支撐，虛擬化主要包括計算虛擬化及存儲虛擬化等內(nèi)容。

應(yīng)用層：應(yīng)用層主要完成服務(wù)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)呈現(xiàn)的工作，即主要的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供層。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

關(guān)鍵技術(shù)分析

1 感知層

智能家居旨在構(gòu)建智能、舒適、安全的家居體驗。作為物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺的基礎(chǔ)模塊，感知層為整套系統(tǒng)提供了最低層的數(shù)據(jù)支持。感知層通過環(huán)境感知、位置感知、RFID感知、控制感知和體感感知五大子模塊，采用異構(gòu)的感知設(shè)備獲取智能家居中的環(huán)境信息、用戶信息等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳支持層，以支撐高層的數(shù)據(jù)分享、管理和控制等功能。

由于感知層主要利用原有傳感器進行數(shù)據(jù)采集，因此，對于不同的數(shù)據(jù)源應(yīng)采取不同的通信協(xié)議從而提高系統(tǒng)的整體性能。例如，針對室內(nèi)環(huán)境感知主要依賴于智能家居內(nèi)部署的大量無線傳感器節(jié)點，這些節(jié)點能夠采集到各項室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)的實時信息，數(shù)據(jù)量較小，如使用ZigBee通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，則可在保證傳輸質(zhì)量的同時降低功耗；而對于視頻監(jiān)控這類視頻數(shù)據(jù)量大且實時性要求高的數(shù)據(jù)則需要通過WiFi技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 接入層和網(wǎng)絡(luò)層

物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺的接入層負(fù)責(zé)智能家居中家庭網(wǎng)關(guān)與各用戶終端（機頂盒、手機、PC等）、智能家居感知設(shè)備和智能家居的數(shù)據(jù)傳輸。家庭內(nèi)各組件和終端之間的通信協(xié)議根據(jù)設(shè)備不同而不同，包括ZigBee協(xié)議、WiFi協(xié)議和紅外協(xié)議。通過物聯(lián)網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，接收所有智能家居設(shè)備數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺與數(shù)據(jù)中心、第三方的通信。物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺在家庭以物聯(lián)網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)為中心，通過已建成的廣電雙向網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)家庭設(shè)備與數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)；用戶終端通過家庭網(wǎng)關(guān)連入廣電雙向網(wǎng)絡(luò)，與數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互，并經(jīng)由數(shù)據(jù)中心發(fā)送指令到需要的控制終端，從而間接地實現(xiàn)用戶終端與智能家居間的數(shù)據(jù)交互。

1）無線自組織傳感網(wǎng)

部署在智能家居中的無線傳感器節(jié)點配備有ZigBee通信模塊，可以通過ZigBee協(xié)議相互傳輸數(shù)據(jù)。這些節(jié)點具有自組網(wǎng)的功能，可自動構(gòu)成無線傳感網(wǎng)。當(dāng)周期性地獲取到環(huán)境采樣數(shù)據(jù)之后，這些節(jié)點經(jīng)過單跳或多跳，將獲取到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿渴鸬腟ink節(jié)點上。Sink節(jié)點通過家庭網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)匯集，利用廣電網(wǎng)絡(luò)的上行線路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇V電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，進行記錄備份。

2）協(xié)議轉(zhuǎn)換

由于設(shè)備的異構(gòu)性，平臺系統(tǒng)中使用多種協(xié)議進行通信。其中，作為物聯(lián)網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)的擴展設(shè)備，Sink節(jié)點通過USB連接到家庭網(wǎng)關(guān)；Kinect體感設(shè)備通過USB連接到Sink節(jié)點；視頻感知設(shè)備通過WiFi連接到Sink節(jié)點；環(huán)境感知設(shè)備通過ZigBee連接到Sink節(jié)點；對家電的控制使用紅外進行。

針對傳輸協(xié)議的多樣性，陜廣智能家居系統(tǒng)主要可實現(xiàn)以下協(xié)議的轉(zhuǎn)換：第一種是ZigBee與紅外線轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換由ZigBee紅外轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。轉(zhuǎn)換器接收ZigBee數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的編碼信息，將信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的紅外信號，用于控制電視、空調(diào)等家用電器，見圖2。

圖2 ZigBee—紅外線轉(zhuǎn)換示意圖

圖3 ZigBee—WiFi轉(zhuǎn)換示意圖

第二種轉(zhuǎn)換為ZigBee-WiFi轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換由Sink節(jié)點實現(xiàn)。Sink節(jié)點接收移動設(shè)備通過WiFi傳送控制信號后再將這些信號轉(zhuǎn)換為ZigBee信號發(fā)送至受控設(shè)備。同時，Sink節(jié)點也接收來自感知設(shè)備的ZigBee信號，將其中的感知數(shù)據(jù)上傳至廣電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，見圖3。

3）服務(wù)質(zhì)量（QoS）

在陜西廣電物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)隨著應(yīng)用的不同有著很大的差別。例如，傳感器收集到的數(shù)據(jù)尺寸往往比較小，且數(shù)據(jù)產(chǎn)生的頻率并不高。而攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)尺寸則比較大，且數(shù)據(jù)產(chǎn)生的頻率非常高。針對不同數(shù)據(jù)的不同特點，必須采取合適的策略，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳輸。

視頻數(shù)據(jù)具有體積大、流量高、實時性高的特點。傳感器數(shù)據(jù)則與之相反，具有體積小、流量低、實時性低的特點。為了實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)高效正確的傳輸，本項目采取以下措施來優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳輸方式：

在大數(shù)據(jù)傳輸時加入間隔，小數(shù)據(jù)設(shè)備監(jiān)聽傳輸信道，如果信道上無數(shù)據(jù)傳輸，則利用此間隔傳輸；

對小數(shù)據(jù)打包，使它們大小達(dá)到一定尺寸后再發(fā)送，提高帶寬利用率。

3 支持層

1）數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是平臺系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，最大的特點是數(shù)據(jù)成流狀形式。流數(shù)據(jù)是一組順序、大量、快速、連續(xù)到達(dá)的數(shù)據(jù)序列，一般情況下,數(shù)據(jù)流可被視為一個隨時間延續(xù)而無限增長的動態(tài)數(shù)據(jù)集合。流數(shù)據(jù)具有4個特點：（1）數(shù)據(jù)實時到達(dá)；（2）數(shù)據(jù)到達(dá)次序獨立，不受應(yīng)用系統(tǒng)所控制；（3）數(shù)據(jù)規(guī)模宏大且不能預(yù)知其最大值；（4）數(shù)據(jù)一經(jīng)處理，除非特意保存，否則不能被再次取出處理，或者再次提取數(shù)據(jù)時將付出昂貴的代價。

2）數(shù)據(jù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)庫集群：用多臺PC Server組成一個存儲節(jié)點陣列，通過MySQL自身的Replication或者應(yīng)用自身的處理，可以很好地保證容錯（允許部分節(jié)點失效），保證應(yīng)用的健壯性和可靠性。在集群環(huán)境中，開啟MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的master-slave模式，利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在主從服務(wù)器間進行同步，應(yīng)用只把數(shù)據(jù)寫到主服務(wù)器，而讀數(shù)據(jù)時則根據(jù)負(fù)載選擇一臺從服務(wù)器或者主服務(wù)器來讀取，將數(shù)據(jù)按不同策略劃分到不同的服務(wù)器（組）上，以分散數(shù)據(jù)庫壓力。

服務(wù)器集群與負(fù)載均衡：服務(wù)器群集中每個服務(wù)結(jié)點運行一個所需服務(wù)器程序的獨立拷貝，而網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡則將工作負(fù)載在這些主機間進行分配。負(fù)載均衡建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上，其提供了一種廉價有效的方法擴展服務(wù)器帶寬和增加吞吐量，以加強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性。其主要完成以下任務(wù)：解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，服務(wù)就近提供，實現(xiàn)地理位置無關(guān)性；為用戶提供更好的訪問質(zhì)量；提高服務(wù)器響應(yīng)速度；提高服務(wù)器及其他資源的利用效率；避免了網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部位出現(xiàn)單點失效。

緩存集群：使用緩存能有效應(yīng)對大負(fù)載，減少數(shù)據(jù)庫的壓力，并顯著提高多層應(yīng)用程序的性能，如果某個用戶多次請求同一資源，則可以從緩存返回該資源，從而避免了重新從服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫請求該資源而產(chǎn)生的系統(tǒng)開銷。緩存可以通過減少獲取請求資源所需的時間，提高應(yīng)用程序性能。緩存還可以通過減少到服務(wù)器的往返次數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)通信量。

圖4 數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

4 應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺可為用戶帶來智能化、人性化、可視化的家居體驗，為用戶提供便捷舒適的生活。整個平臺提供了多樣化的用戶終端，配合感知層感知獲得的數(shù)據(jù)，用戶隨時隨地可以掌握智能家居內(nèi)的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，并且對智能家居進行管理和控制。

該層主要利用支持層數(shù)據(jù)接口，對接第三方應(yīng)用從而結(jié)合相應(yīng)傳感器，以實現(xiàn)第三方物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的引入。例如，位置服務(wù)（ILocationService）接口提供了某個設(shè)備在一段時間內(nèi)的位置跟蹤，內(nèi)部只包含一個方法：

ListfindPositions(Long devi?ceId,Long startTime,Long endTime)

返回值為設(shè)備的位置信息，位置信息包括四個屬性：Longtitude經(jīng)度；Latitude 緯度；Altitude高度；limestamp（時間戳）。

基于廣電的物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺可實現(xiàn)功能見表1。

功能實現(xiàn)

1 室內(nèi)環(huán)境檢測

通過在室內(nèi)關(guān)鍵位置，例如廚房、客廳、臥室和衛(wèi)生間等，分別布置各種相關(guān)的傳感器，包括一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器和粉塵顆粒傳感器等等，用于實時地收集和檢測室內(nèi)各個部位的環(huán)境情況，并將數(shù)據(jù)傳輸給后臺，用于在前端設(shè)備實時顯示和數(shù)據(jù)分析。用戶也可以向數(shù)據(jù)中心請求查看歷史數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)收集及保存

從各式傳感器、智能家居設(shè)備中記錄下來的數(shù)據(jù)和攝像頭記錄下來的視頻數(shù)據(jù)均通過ZigBee首先傳輸給物聯(lián)網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)，然后再由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過廣電網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺數(shù)據(jù)中心保存。

3 智能用戶控制

將各個智能家居設(shè)備通過ZigBee與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行無線連接，對于智能家居的控制，可分為以下3種模式：

1）用戶在室內(nèi)時，可以通過機頂盒、手機等終端發(fā)送控制命令給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或者通過移動控制主控機將命令發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)再對命令進行解析，發(fā)送給相應(yīng)的智能家居設(shè)備，進行相應(yīng)的控制。

2）用戶在室外時，可以通過移動終端連接Internet訪問廣電系統(tǒng)后臺服務(wù)器來發(fā)送控制命令，服務(wù)器再將命令發(fā)送到相應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，最后物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送該控制命令到具體的智能設(shè)備進行相應(yīng)控制。

表1 基于廣電的物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺可實現(xiàn)功能

圖5 平臺接入終端系統(tǒng)展示

4 智能感知控制

在平臺系統(tǒng)中，該平臺通過環(huán)境監(jiān)測、用戶位置識別、用戶指令識別等方式，獲取智能家居中的各項環(huán)境指標(biāo)以及用戶的需求情況，通過智能化計算，并且配合用戶的預(yù)設(shè)需求，智能家居就可智能地提供給用戶最需要的服務(wù)。

5 智能安防系統(tǒng)

通過在智能家居內(nèi)設(shè)置攝像頭、紅外探測等方式，實時監(jiān)測室內(nèi)異常、非法物體進入，以實現(xiàn)智能家居內(nèi)的安全防護功能。同時，可根據(jù)用戶當(dāng)前活動狀態(tài)和位置，自動轉(zhuǎn)換智能家居當(dāng)前的安防等級，且可兼顧安全性、節(jié)能性和智能性。

6 智能健康服務(wù)平臺

通過智能家居的感知能力，獲取用戶及其周邊環(huán)境的信息，創(chuàng)建用戶電子健康檔案，通過醫(yī)療機構(gòu)的統(tǒng)計和分析，為用戶提供量身定制的疾病預(yù)防、發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測、治療等一系列遠(yuǎn)程健康服務(wù)。

應(yīng)用與發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)并非新技術(shù)，而是將現(xiàn)有的傳感技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及自動控制技術(shù)等進行高度融合。因此，如何利用已有設(shè)備，構(gòu)建符合廣電產(chǎn)業(yè)需求的實驗環(huán)境將是物聯(lián)網(wǎng)實驗室平臺建設(shè)的關(guān)鍵。

基于廣電的物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺系統(tǒng)合理地利用了廣電的自身優(yōu)勢，對下可接入多種行業(yè)終端，對上則可支持多種行業(yè)應(yīng)用，把各種垂直的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用整合成一個扁平的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)體系，建立了一套適合廣電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式：在用戶家庭通過物聯(lián)網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)完成組網(wǎng)，利用廣電的雙向網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺的遠(yuǎn)程升級、管控。例如，當(dāng)用戶想要添加物聯(lián)網(wǎng)智能安防系統(tǒng)時，對于廣電，首先應(yīng)對接第三方專業(yè)智能安防服務(wù)公司，完成接口對接以確保平臺支持智能安防業(yè)務(wù)；對于用戶，只需要購買所需的監(jiān)控攝像頭或者紅外探測儀，即可在廣電開通智能安防業(yè)務(wù)體驗服務(wù)（傳感器設(shè)備也可根據(jù)廣電業(yè)務(wù)打包向用戶贈送等）。通過以上方式，可以降低成本，快速地部署廣電物聯(lián)網(wǎng)智能家居業(yè)務(wù)，從而擴展服務(wù)范圍，加速廣電與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的融合。

小結(jié)

對廣電而言，家庭物聯(lián)網(wǎng)是一個不可放棄也不能放棄的領(lǐng)地。廣電網(wǎng)絡(luò)運營商應(yīng)利用物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與廣電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合點，抓住機遇、明確方向、突出重點，以物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)傳輸平臺建設(shè)和三網(wǎng)融合建設(shè)為基礎(chǔ)，推進物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展，全方位拓展廣電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，從而有效帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。