邢珍珍 楊慧炯 何昌輝

摘 要：本文針對國內(nèi)智能家居行業(yè)各類產(chǎn)品軟硬件互不兼容，系統(tǒng)復雜操作不便，缺乏統(tǒng)一交互平臺等現(xiàn)狀，提出了使用當前國內(nèi)普及廣度大、性能穩(wěn)定，操作簡單的微信平臺作為統(tǒng)一控制平臺，采用功耗低，性能穩(wěn)定，穿透力強的Zigbee作為無線網(wǎng)絡搭建技術，構建多功能智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)對家電控制、家庭環(huán)境異常報警、樓宇對講等功能的統(tǒng)一控制和管理。

關鍵詞：智能家居系統(tǒng)；Zigbee技術；微信平臺；統(tǒng)一控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：2096-1472（2018）-11-46-03

1 引言（Introduction）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和云計算，大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，人們對自己的居住環(huán)境有了更高的要求[1]。為了使人們生活更為便捷，智能家居、智慧生活等概念應運而生，然而人們?nèi)菀捉邮懿V泛使用的產(chǎn)品卻寥寥無幾。究其原因在于國內(nèi)廠商的標準不統(tǒng)一，軟件硬件不兼容，App種類繁多，操作控制不統(tǒng)一，缺乏人性化的用戶交互等原因，因此很難打動消費者，也在很大層度上阻礙了國內(nèi)智能家居行業(yè)的發(fā)展。

本文旨在完成一個簡化用戶操作，改善用戶體驗的操控平臺。通過家庭控制中心將家中的電器的設備連接在一起，相關數(shù)據(jù)發(fā)送給微信公眾平臺，用戶通過掃描家庭控制中心上的二維碼關注微信公眾號，將智能手機變成智能遙控終端，實現(xiàn)了在同一平臺上對家中設備進行統(tǒng)一管理與控制。減少App安裝和更新等操作。主要實現(xiàn)安防、環(huán)境參數(shù)采集、照明、家電控制、樓宇對講等功能，打造一個安全、舒適、便捷的智能家居生活環(huán)境。

2 關鍵技術及算法（Key technology and algorithm）

2.1 Zigbee技術

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。是一種低功耗、低成本、低復雜度、自組織、低數(shù)據(jù)速率的無線通信技術。與其他無線協(xié)議如wifi，藍牙等相比更加簡單，成本更加低廉，能耗更低。在智能家居、智能建筑、自動控制智能醫(yī)療等領域有廣泛的應用[2-4]。

2.2 Zstack協(xié)議棧

Zstack協(xié)議棧是TI公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧軟件。在Zstack協(xié)議棧中，物理層、媒體訪問層位于最低層，且與硬件相關，網(wǎng)絡層、應用層和安全層建立在物理層和媒體訪問層之上，并且完全與硬件無關。Z-Stack協(xié)議棧是半開源的，在實際應用中底層驅(qū)動的程序只需要調(diào)用API函數(shù)即可[5]。Zstack協(xié)議棧在各個層中，采用各自最優(yōu)的算法來解決問題，從而滿足不同條件下的通信要求。

2.3 Android

Android是一種基于Linux的半開源操作系統(tǒng)，主要用于智能手機、平板電腦等移動設備。本文基于開放的Android系統(tǒng)進行控制終端App的設計，使用開源的SQLite結(jié)構數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，降低系統(tǒng)成本，為用戶提供了便利的使用條件[6]。

2.4 語義理解算法

語義理解使用廣度優(yōu)先搜索算法，以文字匹配、模糊匹配兩種方式對文字信息進行分析，匹配出相應的控制命令。本文通過微信開發(fā)平臺語音識別接口把用戶語音轉(zhuǎn)換為文字信息，然后使用語義理解算法把文字信息轉(zhuǎn)化為遙控家電的命令，從而實現(xiàn)語音遙控家電的功能。

3 系統(tǒng)拓撲結(jié)構及詳細設計（System topology and detailed design）

3.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構

系統(tǒng)拓撲結(jié)構圖如圖1所示，每個用戶都由家庭控制中心、Zigbee控制節(jié)點、用戶微信公眾號和樓宇對講設備這幾部分構成。每個用戶遠程或者在家中，都可使用手機微信平臺進行遙控操作。云服務器向家庭控制中心發(fā)送相關的命令來控制家中照明設備自動打開，家里的空調(diào)自動啟動并調(diào)整到合適的溫度；如果有人來訪按動對講門鈴可以通過手機和來訪人視頻對講并且選擇是否開門；當主人外出，家中的安防設備自動開啟，如出現(xiàn)漏氣和外人闖入時發(fā)出報警信息并快速通知主人。

3.2 詳細設計

本文采用zigbee技術組成無線局域網(wǎng)負責智能家居環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸，選擇微信作為手機遙控端。該系統(tǒng)基于C/S結(jié)構，由Zigbee網(wǎng)絡、家庭控制中心、手機微信控制端、樓宇對講構成。Zigbee傳感網(wǎng)是基于Zigbee技術的自組織網(wǎng)（用來組織所有的傳感器）。傳感器設置有溫濕度傳感器，人體紅外傳感器，可燃氣體傳感器。手機微信控制端是指開發(fā)基于微信公眾平臺的公眾號來實現(xiàn)對家中電器的遙控。

3.2.1 Zigbee網(wǎng)絡層

系統(tǒng)中采用Zigbee的星型拓撲網(wǎng)絡將家中的傳感器設備連接在一起組成無線局域網(wǎng)。通過編寫Zstack的OSAL層代碼，完成傳感器的初始化、信息采集、遠程控制、自組網(wǎng)等工作。處于網(wǎng)絡中的Zigbee節(jié)點都有屬于自己的唯一標識，每一個Zigbee節(jié)點都是基于Zstack的OSAL層來工作，使得網(wǎng)絡中的節(jié)點都可以高效有序的執(zhí)行。在Zigbee的星型拓撲網(wǎng)絡中，所有節(jié)點只能與協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通信，而他們相互之間的通信是禁止的，從而保證信息傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。此外，本系統(tǒng)中的家電控制方式采用了集成的紅外遙控模塊，通過UART發(fā)送命令的方式來進行家用電器的控制。

3.2.2 家庭控制中心

家庭控制中心負責接收來自微信公眾平臺發(fā)送的命令并將該命令經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)發(fā)給相應的zigbee節(jié)點?；蛘呓邮語igbee傳感器發(fā)來的相關數(shù)據(jù)（溫濕度、報警）經(jīng)過處理后發(fā)送到微信公眾平臺。本系統(tǒng)采用Android實驗箱作為家庭控制中心。

家庭控制中心是服務器與Zigbee的中間媒介，主要負責傳輸、處理數(shù)據(jù)信息[7]。本程序中通過開啟一個后臺服務實現(xiàn)家電和服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸，當家電數(shù)據(jù)有變化時，會發(fā)出通知并刷新用戶界面。

3.2.3 微信公眾平臺

微信公眾平臺主要功能有家庭溫濕度記錄、語音控制家電、預警消息提示及記錄、房間設置與家電綁定、情景模式的設置與執(zhí)行。該平臺采用MVC架構，實現(xiàn)用戶交互界面與業(yè)務邏輯有效的分離[8]。微信公眾平臺設計、編碼、維護嚴格遵照微信公眾開發(fā)者文檔，采用OAuth2.0機制，使用標準的MYSQL引擎。在微信平臺和云服務器的數(shù)據(jù)傳輸上，使用AJAX技術以JSON數(shù)據(jù)格式訪問PHP接口，盡可能的減小時延。

3.2.4 樓宇對講系統(tǒng)

由于微信公眾平臺未提供實時音視頻傳輸接口等原因，本系統(tǒng)采用WebRTC技術來實現(xiàn)樓宇對講功能。WebRTC是一個新型的實時語音對話或視頻對話的技術，具有數(shù)據(jù)容錯率高，安全性強，穩(wěn)定性好，音視頻數(shù)據(jù)傳輸快，保真度高等特點。具體解決方案如下所述。

在樓宇對講的用戶端，用戶通過手機號在App上登錄，將手機號提交到服務器，手機號作為每個家庭的唯一標識，在系統(tǒng)中使用。每個房門號都有唯一的手機號碼與其相對應。當有訪客來訪時，按下房門號，服務器通過邏輯分析，得出相應的手機號，云服務器便推送通知給用戶。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)（System implementation）

4.1 網(wǎng)絡遙控系統(tǒng)

通過微信平臺，系統(tǒng)提供手動模式、情景模式，語音對講模式三種方式來實現(xiàn)遠程遙控功能。

（1）手動模式

以房間為單位對家電進行分類，主人需提前設置房間中對應的家電，通過微信平臺家電遙控模塊選擇房間中對應的家電，在彈出的遙控界面中，對家電進行相應的遙控，空調(diào)遙控手動模式效果圖如圖3（a）所示。

（2）情景模式

情景模式是根據(jù)不同情景而選擇的一套遙控家電的應答模式，主人可預先設置多個情景模式，并對不同的情景模式設置相應的遙控家電動作。設置好后，主人只需執(zhí)行情景模式即可自動執(zhí)行其中對應的多個動作。情景模式效果圖如圖3（b）所示。

（3）語音對講模式

本系統(tǒng)在以上兩種遙控方式的基礎上增加了語言識別，語義理解功能，即主人可以在微信平臺上以文字或語音對話的方式，對情景模式單個家電遙控或者執(zhí)行對應的情景模式。文本對講模式效果圖如圖3（c）所示。

4.2 安防系統(tǒng)

當家中的環(huán)境參數(shù)發(fā)生異?；蛴蟹欠ㄈ肭謺r，包括溫濕度超出預警值、天然氣泄漏、外人闖入，家庭控制中心會向主人以微信推送的方式發(fā)送報警信息，如主人未收到消息，平臺會通過短信的方式直接通知用戶。

4.3 樓宇對講系統(tǒng)

系統(tǒng)采用插件化方式來實現(xiàn)樓宇對講功能。當有訪客撥打?qū)姆块g號時，服務器通過邏輯分析，得出訪客撥打的房間號，繼而向主人的手機發(fā)送推送消息，用戶接通視頻對講，與訪客進行視頻并選擇是否開門。樓宇對講的樓宇端與客戶端界面如圖5所示。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文闡述了以Zigbee作為無線網(wǎng)絡搭建技術，以微信作為控制平臺，構建多功能智能家居系統(tǒng)的總體設計思路和詳細設計過程。整個智能家居控制系統(tǒng)通過語音識別，語義理解完成對家電控制、樓宇對講、異常情況報警等功能的控制操作。開發(fā)成本低，操作方便，方便用戶生活，值得相關企業(yè)及人員研究與實踐。

參考文獻（References）

[1] ZHANG M，WANG C Y，WANG J T，et al.A new approach to security analysis of smart home authentication system[J].Fundamenta Informaticae，2018，157（1/2）：153-165.

[2] Han.D，Jae-Hyun.L.Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and Zigbee[J].Consumer Electronics，2010，56：1403-1410.

[3] 戴繼泳.基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)關鍵技術研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2016：7-15.

[4] 畢贛斌，何勇，趙詩辭.基于ZigBee技術的智能家居控制系統(tǒng)的設計[J].計算技術與自動化，2017，36（01）：74-77.

[5] 王彤.基于Z-Stack協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)實現(xiàn)[D].保定：河北大學，2012：32-36.

[6] 莫太平，胡俊波，趙佩斯.基于Android的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2015，1（01）：33-36.

[7] 曾濤.基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)控制中心的設計與實現(xiàn)[D].電子科技大學，2014：21-30.

[8] STRASIFTAK A，MUDRONCIK D，PETERKOYA A.Rule making algorithms for smart home control[J].Applied Mechanics and Materials，2014，3592（693）：451-456.

作者簡介：

邢珍珍（1987-），女，碩士，講師.研究領域：計算機應用.

楊慧炯（1972-），男，碩士，副教授.研究領域：圖形圖像處理，移動互聯(lián).

何昌輝（1994-），男，本科生.研究領域：軟件開發(fā).