盛軍，范銘平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院

基于云計算和網(wǎng)絡服務的智能家居系統(tǒng)

盛軍，范銘
平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院

摘要：智能家居可以通過監(jiān)測家庭環(huán)境和控制家電最大限度地減少用戶干預。本文介紹了一種基于Web服務和云計算整合物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的智能家居系統(tǒng)。該方法的重點是：（1）使用智能嵌入到Arduino平臺的傳感器和動作裝置;（2）采用ZigBee網(wǎng)絡技術;（3）使用云服務與物件進行交互;（4）改進使用JSON格式數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換效率。此外，我們用三個實例來證明該方法的可行性和有效性，即檢測家中環(huán)境，監(jiān)控家電和控制門禁。

關鍵詞：智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；云計算；Arduino的；Zigbee的；JSON

1、介紹

智能家居（SH）為檢測用戶家中環(huán)境（例如，濕度，溫度，光度等）提供了方便，可在最少的用戶干預下操縱并監(jiān)控家用HVAC（供暖，通風和空調(diào)）裝置[1，2]。以這種方式，通過前級傳感器收集數(shù)據(jù)，中間級進行數(shù)據(jù)融合，然后在后級模塊來完成行為識別。

本文提出了一種方案，以方便實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)。第二部分介紹了我們通過選擇案例設計，采用集成物聯(lián)網(wǎng)和云計算的方法，第三節(jié)詳細介紹了技術方案，第四部分提出了三種用途，第五節(jié)得出結論。

2、系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)架構必須能夠達到檢測家中狀況，處理儀表數(shù)據(jù)，并監(jiān)測電器的要求。我們利用微控制器驅動的傳感器，檢測家中狀況，使用微控制器驅動的動作裝置來監(jiān)視家用電器。使用PaaS（平臺即服務）[3，4]和SaaS（軟件即服務）[5]的云計算在后端處理數(shù)據(jù)[6]。

圖1　智能家居系統(tǒng)結構

圖1說明了系統(tǒng)架構的智能家居。它包括以下主要組件：

微控制器驅動的傳感器：檢測家中狀況;微控制器解釋并處理儀表數(shù)據(jù)。

微控制器驅動的動作裝置：由微控制器接收并執(zhí)行某些操作轉移命令。該命令是基于微控制器和云服務之間的交互發(fā)出的。

數(shù)據(jù)庫/數(shù)據(jù)存儲：從微控制器功能的傳感器和云服務進行數(shù)據(jù)分析和可視化存儲，并作為命令隊列發(fā)送到動作裝置。

后端和前端間的服務器/API層：便于處理從傳感器接收的數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。

Web應用程序作為云服務：測量并可視化傳感器數(shù)據(jù)，并使用移動設備控制設備。

3、方案設計

采用了以下一些技術來實現(xiàn)設計。這些設計包括Arduino微控制器，ZigBee通信協(xié)議，JSON用于數(shù)據(jù)交換，Google App Engine用于云計算。以下分別介紹每一項技術。

A.使用Arduino進行物聯(lián)網(wǎng)編程

本設計采用Arduino平臺做原型，并通過Arduino UNO作為微控制器電路板，使用通信技術，如RFID和ZigBee，對各種類型的傳感器/動作裝置進行編程。

B.采用ZigBee使智能家居網(wǎng)絡化[7]

在家庭中部署Arduino嵌入式設備需要彼此通信以交換傳感器數(shù)據(jù)，觸發(fā)器，狀態(tài)消息等。本設計的ZigBee聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，包括兩種Arduino的UNO微控制器板，第一板作為中心接收器連接到所有動作裝置，并通過以太網(wǎng)連接而連接到在Internet上的數(shù)據(jù)庫。第二板是中央發(fā)射機，連接到系統(tǒng)中的所有的傳感器，通過ZigBee技術在ZigBee的傳感器/動作裝置和中央Arduino板之間通信。

C.使用JSON進行數(shù)據(jù)交換

為了與云端進行通信，智能家居需要訪問因特網(wǎng)。我們使用多個傳感器，用于測量家中環(huán)境，傳感器讀數(shù)周期性地發(fā)送到中央服務器。同時，動作裝置節(jié)點接收中央服務器的命令來控制家電。為了減少傳輸負荷和帶寬的使用，使用JSON技術[8]。本設計需要4個Arduino UNO，每一個被分配1-4的編號，從中心發(fā)射機板通過ZigBee發(fā)送到中央接收器板,中央接收器板通過以太網(wǎng)連接到因特網(wǎng)和云端。

D.Web應用程序與云計算

Web應用程序被分類為兩個主要部分：前端和后端。前端作為Web客戶機與用戶進行交互，后端為數(shù)據(jù)存儲邏輯處理或存儲服務提供計算服務。使用HTML5技術，采用jQuery Mobile開發(fā)web應用程序界面。此外，使用Ajax創(chuàng)建異步Web應用程序。后端服務，包括測量家里條件，監(jiān)控家電和控制門禁等。還可使用在云端托管的數(shù)據(jù)庫，對象和消息隊列服務。

4.用例分析

本節(jié)介紹的功能，包括測量家庭環(huán)境，管理設備，以及門禁控制。

A.測量家庭環(huán)境

這個用例使用云服務用于測量家庭環(huán)境，測量服務允許用戶存儲并看到環(huán)境數(shù)據(jù)，可在任何地方任何時間進行查看，使用以下傳感器模塊：

近程和環(huán)境光傳感器VCNL4000。它能記錄在特定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境光總量，也記錄給定對象的接近情況。

溫濕度傳感器DHT22[9]是一個低成本的數(shù)字溫度和濕度傳感器。它采用電容式濕度傳感器和熱敏電阻測量周圍的空氣，并在數(shù)據(jù)引腳上產(chǎn)生對應的數(shù)字信號（不需要模擬輸入引腳）。

B.管理家用電器

該用例借助谷歌的云服務管理家用電器。用戶可控制與家電關聯(lián)的智能動作裝置，如閥和開關，可執(zhí)行諸如打開或關閉或在運行中進行調(diào)整的操作。并可執(zhí)行不同功能，如開/關閥的百分比控制，流速控制，緊急停機（ESD）等操作。

C.門禁控制

我們使用125kHz的RFID標簽和ID-12的RFID讀取器[10]控制門禁。閱讀器含一個12厘米以上讀取范圍的內(nèi)置天線，用戶都會有張唯一ID的RFID卡。離開或進入房子時，用戶在門旁的RFID閱讀器掃描RFID卡，掃描的ID從讀取器通過串行協(xié)議發(fā)送到關聯(lián)的Arduino板，Arduino板將ID通過控制服務與數(shù)據(jù)庫中的授權標識進行比較。

5.結論

本文探討了整合物聯(lián)網(wǎng)的Web服務和云計算的智能家居的概念。設計包括使用Arduino平臺的嵌入式智能傳感器和動作裝置，使用Zigbee技術的網(wǎng)絡智能設備，使用云服務在不同的地點都能與智能電器互動，同時采用JSON改進數(shù)據(jù)交換效率。該方法經(jīng)驗證已成功用于測量家庭環(huán)境，監(jiān)控家用電器和控制門禁，有較大的使用價值和應用范圍。

參考文獻：

[1]李勇.基于上下文感知計算的智能家居系統(tǒng)研究[D].重慶大學.2008

[2]梁明，李學瑞，石永華.中國電器科學研究院有限公司.智能家居能耗管理的研究進展[J].日用電器.2012(12)

[3]劉禮建，張廣明.南京工業(yè)大學.基于ZigBee無線技術的智能家居管理系統(tǒng)設計[J].計算機技術與發(fā)展.2011(12)

[4]M.R.Alam,et al,"SPEED:An Inhabitant Activity Prediction Algorithm for Smart Homes,”IEEE Trans.on Systems,Man and Cy?bernetics,vol.42,pp.985–990,2012.

[5]劉浩.智能家居中基于用戶行為的服務算法研究[D].湖南大學.2013

[6]岳敬華.基于云服務的智能家居系統(tǒng)的研究與設計[D].杭州電子科技大學.2014

[7]呂君可.浙江師范大學.ZigBee家庭自動化網(wǎng)絡的測量與傳感節(jié)點的設計與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應用.2013(03)

[8]管健.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學.基于XML和本體的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標準體系研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術.2012(04)

[9]"DHT22 temperature-humidity sensor,"http://www.Adafruit.com/products/385,accessedon4/19/2013.

[10]"RFID ReaderID-12,"https://www.Sparkfun.com/data-sheets/Sensors/ID-12-Datasheet.pdf.

盛軍（1977-），男，漢族，河南省鄧州市人，碩士學歷，講師，單位：平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院，研究方向：機電一體化；

范銘（1985-），男，漢族，河南省平頂山市人，本科學歷，助教，單位：平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院，研究方向：電子技術。

作者簡介：