於曉蘭

武漢職業(yè)技術(shù)學院計算機系

0 引言

智能家居結(jié)合網(wǎng)絡通信技術(shù)、音視頻技術(shù)和自動控制技術(shù)，將家庭住宅中的家電設備、通信設備等集成在一起，用戶可以遠程智能化監(jiān)測家電設備并進行有效控制。在4G時代下，操作大量的數(shù)據(jù)計算，完成信息資源的實時存儲，成為網(wǎng)絡系統(tǒng)后臺服務必須包含的功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用，未來可能會給每個物品都打上唯一的識別標簽，這些數(shù)據(jù)都需要保存到服務器進行加工解析。云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為智能家居控制系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)和云計算

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的網(wǎng)絡。通過有線通信方式或無線通信方式連接并全方位控制各種終端設備，諸如傳感器、移動終端、具有射頻識別標識的物品和視頻監(jiān)控產(chǎn)品都包含在內(nèi)，最終實現(xiàn)智能化應用以及環(huán)境信息化的目的。在物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中廣泛使用的無線通信技術(shù)主要有藍牙通信技術(shù)、紅外線通信技術(shù)、射頻識別技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)中終端節(jié)點信息數(shù)據(jù)、實時狀態(tài)以及環(huán)境變量等大量信息的收集和共享，在信息安全技術(shù)保障的前提下，進行有效的在線監(jiān)測、突發(fā)報警、遠程控制和分析統(tǒng)計等功能，從而對物進行智能化的管理。

云計算采用分布式計算技術(shù)，指在網(wǎng)絡“云”上拆分龐大的計算處理程序，這些分解后的小程序由多個服務器共同完成解析，計算得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶終端。對大量的數(shù)據(jù)保存和處理，需要進一步進行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析，云計算成為強大的系統(tǒng)服務后臺保障。為了響應全球化的智能家居系統(tǒng)應用的需要，云計算可以盡可能地整合大量需要計算和存儲的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)協(xié)同合作，并對相關(guān)資源進行靈活擴展。

2 面向云服務器的系統(tǒng)組網(wǎng)方案

智能家居控制系統(tǒng)主要由物聯(lián)網(wǎng)云服務器、終端節(jié)點設備、移動應用App和通信網(wǎng)絡4部分組成，如圖1所示。各種終端設備與物聯(lián)網(wǎng)云端相連。一些終端設備可以通過無線或有線網(wǎng)絡與云服務器直接連接，由于缺乏直接連接互聯(lián)網(wǎng)的通信接口，一些設備可以使用網(wǎng)關(guān)或智能手機間接與云服務器連接。連接完成后，設備將實時在線監(jiān)測感知到或收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，從而實現(xiàn)科學存儲、管理和分析數(shù)據(jù)，為后期的智能家居環(huán)境的監(jiān)管、評價和決策提供有力支持。

圖1 面向云服務器的智能家居控制系統(tǒng)

（1）物聯(lián)網(wǎng)云服務器是為用戶提供外網(wǎng)云訪問本地智能控制網(wǎng)關(guān)的訪問路徑。主要功能是云數(shù)據(jù)的聚合和分析。該平臺對設備終端采集的數(shù)據(jù)可以進行系統(tǒng)存儲、智能技術(shù)分析和處理。所有智慧應用程序都通過標準接口從云服務器中請求數(shù)據(jù)，并以對象形式返回。

（2）終端節(jié)點設備包括智能主機及家居設備、空調(diào)、電視、紅外分控制器、智能開關(guān)、智能插座、霧化窗玻璃、智能門鎖等設備，可實現(xiàn)遙感（RS）數(shù)據(jù)信息生成、現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)收集、環(huán)境溫濕度感應、現(xiàn)場家居設備維護管理身份識別與記錄、儀器自我診斷與遠程反控等功能。

（3）移動應用App的主要功能是對不同設備和系統(tǒng)進行控制和管理，同時協(xié)調(diào)各項服務。平臺通過身份認證防止非法設備進入；用戶可以通過平臺提供的移動應用App對終端設備進行管理控制；不同終端設備通過系統(tǒng)平臺實現(xiàn)彼此協(xié)調(diào)和聯(lián)動的功能，并且該設備可以由用戶預先設置連接規(guī)則進行自動調(diào)用。

（4）通信網(wǎng)絡是由局域網(wǎng)和外網(wǎng)組成。局域網(wǎng)的通信方式有很多種，如藍牙、紅外線、ZigBee技術(shù)等，藍牙技術(shù)可以在物體之間建立短距離連接，適用于低成本、短距離的應用。由于成本低廉，IrDA紅外技術(shù)早已應用于電視、空調(diào)等家居用品。ZigBee技術(shù)成本低、功耗也低然，而容量很大。外部網(wǎng)絡包括WiFi、GPRS等，可作為外部接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡媒介。用戶通過通信網(wǎng)絡接入物聯(lián)網(wǎng)云服務器，通過物聯(lián)網(wǎng)云服務器接入智能控制網(wǎng)關(guān)，再通過局域網(wǎng)接入各終端設備。

3 智能家居通信控制系統(tǒng)主要模塊實現(xiàn)

智能家居通信控制系統(tǒng)是由多個智能節(jié)點設備組成的一個物物相聯(lián)的網(wǎng)絡，其感知層是以不同廠商設備為基礎(chǔ)建立的。為了方便云服務器對這些設備進行統(tǒng)一管理，要求對設備接口進行標準化、規(guī)范化管理。采用傳感器、監(jiān)控設備和遙感等前端節(jié)點感應設備，為云服務數(shù)據(jù)中心收集數(shù)據(jù)信息，云服務平臺還要綜合考慮現(xiàn)有的智能應用，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的交換和整合。

3.1 智能家居控制系統(tǒng)功能

物聯(lián)網(wǎng)智能家居通信控制系統(tǒng)主要功能如下。

（1）智能管理設備。通過互聯(lián)網(wǎng)、電話線接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和監(jiān)測控制。包括對重要家用電器實施遠程監(jiān)控，如開燈、開空調(diào)、電視開啟、音量調(diào)節(jié)、溫度升降等，只需在App操作相應設備即可實現(xiàn)控制。

（2）智能家居儀表。通過計算機和藍牙設備進行電表、水表和天然氣表的遠程抄表。

（3）家居環(huán)境安防。智能門磁、煙霧傳感器和溫濕度傳感器等終端設備，可實時監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境變化。當檢測到異常發(fā)生時，檢測數(shù)據(jù)會傳送給智能主機，智能主機再向服務器發(fā)送信息，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給終端用戶。當智能門鎖監(jiān)控到開門異常時，自動上鎖功能立即啟動，將監(jiān)控報警信息數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機，向家居用戶報警，同時也通過通信網(wǎng)絡向監(jiān)控中心示警。

3.2 主要模塊的實現(xiàn)

在智能家居控制系統(tǒng)中，需要建立一個數(shù)據(jù)處理服務器，利用云服務器可以完成數(shù)據(jù)處理。云服務器可以采集諸如天氣、日出等城市環(huán)境信息，這些信息使其智能地控制空調(diào)設備、電動窗簾和照明設備等。通過Java語言完成服務器程序編譯，開發(fā)環(huán)境為eclipse。

管理服務程序（Servlet）是一個獨立于網(wǎng)絡協(xié)議跨平臺的服務提供者，實現(xiàn)網(wǎng)絡的遠程動態(tài)加載。其接收來自請求者的請求并且執(zhí)行操作，也會把對應的接口和相關(guān)信息發(fā)送給云服務注冊中心，方便服務使用者發(fā)現(xiàn)該服務并對其進行訪問。如果同一個服務有多種不同的表現(xiàn)，那么可以在Servlet程序中為每個傳入的請求選擇最合適的目標服務。首先通過客戶端向Servlet提交請求信息和Servlet接收請求。其次在服務器端完成程序的編譯，最后把結(jié)果數(shù)據(jù)反饋給客戶端。通過Java語言完成Servlet服務程序，同時具備安全性和可移植性的特點。JSP使用Java語言，在普通HTML文件中內(nèi)嵌程序語句，在第一次調(diào)用時首先編譯，其次由Java虛擬機執(zhí)行，和Tomcat引擎配合使用后，通過Apache服務器進行Servlet的解決方案的實現(xiàn)。

（1）中心控制模塊。負責各個子模塊的數(shù)據(jù)收集和保存，并作分析和決策。嵌入式芯片技術(shù)的快速發(fā)展使得中心控制模塊集成度越來越高，功能也越來越完善。中心控制器使用總線與各種子模塊進行信息互換，通過通信網(wǎng)絡與外界建立連接。執(zhí)行控制模塊內(nèi)置程序命令后，并將指令發(fā)送至各單元控制子模塊，目的是控制所連接的各種家居設備。數(shù)據(jù)采集主要完成接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（為平臺的標準數(shù)據(jù)）的功能。云平臺采用分布式協(xié)同處理機制，各類原始數(shù)據(jù)經(jīng)過各個連接器，提取出環(huán)境數(shù)據(jù)（包括必要的可視化感知數(shù)據(jù)、圖像信息），根據(jù)采集規(guī)則和轉(zhuǎn)換規(guī)則（在設備規(guī)則上定義），把數(shù)據(jù)映射為標準的平臺數(shù)據(jù)。中心控制模塊使得龐大數(shù)據(jù)信息的高性能計算得以實現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對智能家居設備的實時狀態(tài)和趨勢變化進行準確判斷，完成對環(huán)境突發(fā)情況的預警操作、態(tài)勢判斷和應急聯(lián)動等。該模塊能提供輔助決策服務、數(shù)據(jù)分析和報表等服務，借鑒詳實數(shù)據(jù)和可靠分析高效地進行宏觀決策。

（2）安防控制模塊。該模塊對造成家居安全問題的各種情況進行防范，對異常事件發(fā)出報警信息。例如避免陌生人的干擾，可使用可視對講系統(tǒng)；入室盜竊報警，可使用窗磁傳感開關(guān)和門磁傳感開關(guān)。該模塊設置報警上下限，異常值上下限。報警的數(shù)據(jù)類型可以根據(jù)用戶需求靈活設置。信息數(shù)據(jù)通用化格式的選擇以及語義的規(guī)范化描述，使得交換和共享環(huán)境數(shù)據(jù)信息形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，從而滿足各個設備廠商在數(shù)據(jù)操作方面不同的技術(shù)需求。該模塊獲取設備的監(jiān)控數(shù)據(jù)，對獲取的數(shù)據(jù)進行處理，其中包括對數(shù)據(jù)的糾正。對處理后的數(shù)據(jù)進行信息提取，這些信息包括設備參數(shù)信息，家居環(huán)境質(zhì)量狀況現(xiàn)狀與動態(tài)變化信息、安全狀況信息等。這些信息被轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所定義的格式，進入數(shù)據(jù)中心。

（3）通信控制模塊。該模塊完成實時信息數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。實時數(shù)據(jù)通過監(jiān)測設備和通信終端預先定義的通信接口協(xié)議傳輸?shù)酵ㄐ沤K端。通信終端設備建立與RS232端口的連接，通過GPRS外部接入網(wǎng)絡傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云服務器。物聯(lián)網(wǎng)云服務器給出的控制系統(tǒng)命令可以通過網(wǎng)絡通信終端傳送給監(jiān)測設備，監(jiān)測設備接收指令后作出回應。家居智能終端設備把實時收集的異常數(shù)據(jù)發(fā)送給服務端后，服務端迅速給予響應，進行分析處理，并把結(jié)果及時推送給用戶。

4 結(jié)束語

在整個通信過程中，進行穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，是智能家居通信控制系統(tǒng)運行的重中之重。智能家居控制系統(tǒng)中的智能家居終端設備獨立于其他單元控制模塊，可進行實時數(shù)據(jù)的采集，其搭建的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同時具備智能化，集成化和自動化的特點。家庭網(wǎng)絡技術(shù)配合運營商網(wǎng)絡技術(shù)，能夠有效滿足智能家居系統(tǒng)在信息處理過程中的各種需求，達到通信的目的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)和其他重要技術(shù)的科學應用，使得家居智能化功能得以進一步擴展，給人們帶來越發(fā)便捷和智能化的家居生活。