胡曙敏 李德明 王煥磊 浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院

智能家居控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)家居內(nèi)電氣設(shè)備之間的互聯(lián)互通，還可以將整個家居系統(tǒng)連接至互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)家居與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息共享，從而實現(xiàn)安全舒適且環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。從智能家居的應(yīng)用層面來分析，目前主要存在三個方面的問題，限制了智能家居控制系統(tǒng)的普及與應(yīng)用。第一，標準不統(tǒng)一。目前沒有統(tǒng)一的行業(yè)技術(shù)標準，智能家居產(chǎn)品多樣化，導(dǎo)致了多個企業(yè)標準和通用協(xié)議公存的形式。第二，價格昂貴。智能家居系統(tǒng)在設(shè)計初就以高大上進行規(guī)劃，也導(dǎo)致了產(chǎn)品的價格虛高，老百姓難以接受，推廣受到一定的阻礙。第三，功能單調(diào)。市場上的智能家居產(chǎn)品幾乎均為燈光照明、窗簾、家電、視頻、音樂等家居監(jiān)控，但普通百姓急需的用水用氣等安全系列產(chǎn)品還很少，特別是對已居住家庭的產(chǎn)品更是難求一得。

一、基于物聯(lián)網(wǎng)的三防系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)依托傳感器、執(zhí)行器、物聯(lián)網(wǎng)等自主產(chǎn)品及專利技術(shù)，運用端口配置及軟件應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)用電、水管家、燃氣安保等安全防范與智能化監(jiān)控管理。與此對應(yīng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的家居三防系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

根據(jù)本產(chǎn)品的使用要求，整個系統(tǒng)分成四層，包括用戶監(jiān)控層、云服務(wù)器、現(xiàn)場控制層、傳感執(zhí)行層。本系統(tǒng)既有和現(xiàn)場監(jiān)測裝置相關(guān)的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，又有后臺客戶終端基于動態(tài)網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)瀏覽和管理系統(tǒng)，前者強調(diào)實時性、可靠性，后者強調(diào)可擴展性、易用性、功能性。所以本系統(tǒng)采用兩者既分離獨立、又聯(lián)系統(tǒng)一的設(shè)計原則。

(一)傳感執(zhí)行層

傳感執(zhí)行層主要實現(xiàn)了家居系統(tǒng)三防工作狀態(tài)檢測和現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動控制，包括門磁接近傳感器、水流及壓力的檢測、煤氣濃度檢測，以及水閥、煤氣閥、照明開關(guān)、報警、指示控制等。

(二)現(xiàn)場控制層

現(xiàn)場控制層采用基于ARM 架構(gòu)的高速處理器，實現(xiàn)各種傳感器狀態(tài)的實時檢測，處理并控制閥門/開關(guān)的開合控制，與云服務(wù)器采用WiFi、GPRS 雙通道互聯(lián)，也可根據(jù)用戶需求選配，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自動切換WiFi/GPRS 模式，WiFi 模式優(yōu)先，即時上報各參數(shù)狀態(tài)變化信息。通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析，得出系統(tǒng)的安全狀況，及時以聲音、短信、手機APP 方式報警。響應(yīng)遠程監(jiān)控的數(shù)據(jù)請求及數(shù)據(jù)設(shè)置，存儲各類狀態(tài)、參數(shù)信息。

(三)云服務(wù)層

應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)軟件內(nèi)部采用視圖和邏輯模型分離的方式，以保證架構(gòu)的靈活性、模塊的獨立性和系統(tǒng)的可擴展性。采用獨立的應(yīng)用、數(shù)據(jù)、連接服務(wù)器，便于擴展和管理，云服務(wù)器向上與遠程監(jiān)控終端/WEB 瀏覽器保持連接，接收用戶請求，向用戶推送各類狀態(tài)變更、報警信息、廣告信息，向下與現(xiàn)場控制主機/網(wǎng)關(guān)保持一對多常連接，接收主機上傳的狀態(tài)信息，報警信息；遠程設(shè)置主機參數(shù)。云服務(wù)器可實現(xiàn)用戶習(xí)慣的數(shù)據(jù)收集、分析，定向推送相關(guān)需求信息。

(四)遠程監(jiān)控層

遠程監(jiān)控層可通過手機APP、短信、PC 客戶端、WEB 方式進行系統(tǒng)的實時參數(shù)查看、設(shè)定，管理配置等。手機APP支持iOS 和Android 平臺，軟件基于C/S架構(gòu)，手機APP 通過標準XML 格式化/JSON 格式化文本與數(shù)據(jù)服務(wù)層進行通信，實現(xiàn)用戶鑒權(quán)、設(shè)備監(jiān)控、情景設(shè)定；支持模塊地址的遠程配置，包括電力載波模塊、Zigbee 模塊、紅外模塊等。手機可通過2G/3G/4G/WiFi 等多種方式實現(xiàn)與云服務(wù)器的互聯(lián)，PC 客戶端基于C/S 架構(gòu)，主要供系統(tǒng)管理者實現(xiàn)遠程系統(tǒng)管理，支持WEB 方式進行遠程監(jiān)控，基于B/S 架構(gòu)。采用JSP 構(gòu)建動態(tài)頁面，支撐用戶瀏覽器端的各種操作。所構(gòu)建的頁面具有自適應(yīng)功能，能夠適應(yīng)PC 終端、Android 終端、iOS 終端。

二、系統(tǒng)實現(xiàn)

(一)傳感執(zhí)行層模塊

Zigbee 技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4標準的短距離、低功耗、自組織的無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[2]。本文中的節(jié)點主要采用Zigbee 方式，并配備了擴展模塊接口，Zigbee 采用CC2530 主芯片，結(jié)合STM32CPU，適應(yīng)低功耗的要求，單節(jié)點配置了DI/DO、AI 輸入輸出接口，可進行漏水、門鎖、煤氣、閥位等相關(guān)信號的檢測，以及照明開關(guān)、水閥、防爆氣閥、門鎖等的輸出信號的驅(qū)動控制。傳感執(zhí)行層工作原理如圖2 所示。

(二)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)也是系統(tǒng)的控制主機，在整個三防系統(tǒng)中起著承上啟下的重要作用，是連接服務(wù)器與各現(xiàn)場分控設(shè)備的橋梁。主機與上層網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)，主要是通過WiFi網(wǎng)絡(luò)端口與GPRS 網(wǎng)絡(luò)端口進行的，主要考慮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有覆蓋性及用戶的服務(wù)性，防止出現(xiàn)“信息孤島”現(xiàn)象，增強網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛻?yīng)用的靈活性。

WiFi 網(wǎng)絡(luò)端口主要以進行服務(wù)器與主機間的大數(shù)據(jù)通信與傳輸。WiFi 是現(xiàn)有通信系統(tǒng)的一種主要通信手段。GPRS網(wǎng)絡(luò)端口主要實現(xiàn)主機與手機和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的實時上報、執(zhí)行、處理等。作為WiFi 網(wǎng)絡(luò)的一種補充，GPRS 網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)手機用戶端及服務(wù)綜合平臺終端雙重數(shù)據(jù)交互，保證了數(shù)據(jù)及信號執(zhí)行的準確性，同時，也滿足了不同地區(qū)不同客戶的使用需求。系統(tǒng)均采用ARM 內(nèi)核的STM32F103 作為處理器，同時外接一片CC2530 作為Zigbee 無線通信芯片，以及一片ESP8266 模塊作為Wifi 無線通信芯片。采用Wifi 和GPRS 三防網(wǎng)關(guān)工作原理如圖3 所示。

(三)云服務(wù)及終端

圖2 傳感執(zhí)行層工作原理方框圖

圖3 網(wǎng)關(guān)工作原理方框圖

圖4 手機APP 操作界面示圖

傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C；主機負責(zé)采集數(shù)據(jù)、處理和存儲數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)通過GPRS/Wifi 通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器主要將信息數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)服務(wù)器中，連接服務(wù)器主要負責(zé)網(wǎng)關(guān)信號的對接及信號報送，實施遠程控制設(shè)備的運行狀態(tài)傳送。為此以Windows Server 為平臺，以Delphi 為工具，使用TOMCAT/MySQL 數(shù)據(jù)庫，基于標準XML 格式化文本開發(fā)了一個家居三防應(yīng)用系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)應(yīng)用

項目實施過程中已獲得多項應(yīng)用專利，依托自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器和專利技術(shù)，具有非常高的性價比，產(chǎn)品已進行了多地場合的試用和推廣。DIY 自助安裝是我們的設(shè)計理念，無須布線，產(chǎn)品基于zigbee 無線技術(shù)，幾乎不會產(chǎn)生裝修費用。交直流供電，即插即用，免更換電池，即使在斷電的情況下，能維持系統(tǒng)的正常運行，方便用戶的使用，只要有一定動手能力的人們都能很快學(xué)會產(chǎn)品的安裝與調(diào)試。

圖4 為手機APP 操作切換界面。通過手機、平板電腦進行登錄，連接服務(wù)器平臺，可遠程操作與控制有關(guān)智能家居設(shè)備的工作，同時，有關(guān)事件的發(fā)生和狀態(tài)的變化，可實時反饋APP 平臺，隨時隨地掌握和監(jiān)控家中信息。

四、結(jié)語

本文設(shè)計了基于移動終端的家居三防系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)方式，以及硬件配置和服務(wù)器的實現(xiàn)方法，其功能在實際中得到了驗證。本系統(tǒng)重點解決家庭最急需的安全防護及生活管理，以模塊延伸的拓展方式，使智慧水務(wù)、用水健康、家電智能控制、家庭消防四個階層DIY疊加起來組成一個完整的無線家居系統(tǒng)。目前本系統(tǒng)可以實現(xiàn)即時報警、情景控制等功能，用戶可以靈活定制和遠程操控，但不能進行第三方設(shè)備的連接與控制，但通過網(wǎng)關(guān)中增設(shè)標準COM 口，就可以與COM 接口的設(shè)備雙向通信，以構(gòu)建一個較完整的智能家居系統(tǒng)。