一種物聯網智能家居系統的研究

俞文俊 凌志浩，2

(華東理工大學自動化系1，上海 200237;化工過程先進控制與優化技術教育部重點實驗室2，上海 200237)

0 引言

為了滿足社會對生產、生活各個環節不斷增長的智能化、便捷化的要求，物聯網(internet of things，IoT)伴隨著電信技術、互聯網技術和IT技術的發展融合應運而生。所謂物聯網就是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執行能力的嵌入式芯片及軟件，使這些實體成為“智能物體”，并通過網絡設施實現信息傳輸、協同和處理，最終實現物與物、物與人之間的通信[1]。物聯網主要具備以下三個特征：①全面感知，即能夠隨時隨地獲取實體的信息;②可靠傳遞，即要求將實體的感知信息實時準確地傳遞出去;③智能處理，即要求對海量的數據信息進行高效的分析和處理并實現對實體的智能化控制。

目前，物聯網的應用領域主要包括物流監控、污染監控、智能檢索、遠程醫療、智能交通和智能家居(smart home)等[2]。其中，智能家居因其應用前景廣闊、潛在市場需求巨大且發展迅猛而受到廠商的廣泛關注。智能家居就是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術和音視頻技術，實現家居設備的集成，從而構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，滿足用戶對家居的安全性、舒適性需求。

1 系統框架結構設計

智能家居系統依據全面感知、可靠傳遞、智能處理的功能需求，可劃分為感知層、網絡層和應用層三個層次。

①感知層

感知層包括各類搭載了ZigBee無線通信模塊的家用電器、照明設備和安防設備等，實現對家庭環境的全面感知，并由智能家庭網關實現感知層和網絡層的數據交互。

②網絡層

網絡層包括一臺數據庫服務器和一臺Web站點服務器。數據庫服務器用于同家庭數據網關進行數據交互;Web站點服務器通過訪問上述數據庫服務器獲取數據將信息，并通過Web站點發布到互聯網上。

③應用層

應用層包括各類搭載了Web瀏覽器的終端設備，用戶可通過Web瀏覽器訪問上述站點實現對智能家居系統的管理和控制。

智能家居系統的總體架構如圖1所示。

圖1 系統框架結構Fig.1 Framework of system

2 系統硬件設計

智能家居系統的硬件主要包括無線傳感網絡、智能網關、數據庫服務器等的設計，具體介紹如下。

首先，對處于感知層的ZigBee無線傳感網絡進行設計，包括多個ZigBee終端/路由節點和一個ZigBee協調器節點。通過在家居設備節點上搭載上述ZigBee通信控制節點，將散布在家庭環境中的各個設備節點組成無線傳感網絡，從而實現各類家居設備的連接以及智能化。其中，ZigBee協調器負責整個無線傳感網絡的組網和路由維護，并實時地將無線傳感網內節點的感知數據上傳給監控用PC，同時接收并轉發由上述監控用PC發送來的控制數據。

然后，將上述監控PC機通過WiFi或以太網，與Internet路由器相連接組成家庭智能網關。其中，PC機在數據下行側與無線傳感網絡中的協調器通過RS-232串行通信接口相連接;路由器在數據上行側與數據庫服務器通過互聯網相連接，通過“PC機+路由器”的模式實現了連接傳感網與互聯網間的網關功能。通過上述“PC機+路由器”的模式，實現了連接傳感網與互聯網間的網關功能。

同時，在互聯網中搭建一個基于 Microsoft SQL Sever 2005的數據庫服務器，用于與上述路由器進行數據交互，并對這些數據進行智能分析處理和存儲;另外搭建一個基于.NET框架的Web站點服務器，通過訪問上述數據庫服務器獲得實時的家居環境數據，并通過Web站點發布給用戶;接著將在Web頁面上接收到的用戶指令交遞給數據庫服務器。

最終，遠程用戶通過各類搭載了Web瀏覽器的終端設備訪問Web站點，以實現對家居設備的監視和控制。

整個系統主要由無線傳感網絡、監控用PC、路由器、數據庫服務器、Web站點服務器以及各類終端設備組成，系統硬件架構如圖2所示。

圖2 系統硬件架構Fig.2 Hardware framwork of system

3 無線組網技術

智能家居領域的組網技術一般可分為有線組網和無線組網兩種技術。目前，有線組網技術應用于電話線、電力線和以太網等，有線組網都不同程度地存在著布線繁瑣、擴展性差、影響家居美觀等缺點。新興的無線組網技術在智能家居應用領域中則具有得天獨厚的優勢，其無需布線、便于安裝和后期維護、容易遷移和擴展等特點，特別適合靈活的家居應用場景。這些優勢使無線組網技術正逐漸取代有線組網技術，成為智能家居系統末梢網的主流組網技術[3]。

在智能家居系統的實際應用環境中，一般對設備節點的信息采集速率和命令發送速率要求都比較低。典型情況下，一般要求采集速率和發送速率為十幾kbit/s左右即可滿足要求[4]，但對信息傳輸的可靠性和網絡容量要求較高。在目前常見的無線組網技術中，與脈沖無線電、Z-Wave、藍牙、Wi-Fi等技術相比，ZigBee作為一種低功耗、低成本、低速率和低復雜度的近程無線通信技術，特別適合智能家居系統的應用特點，并被業界廣泛采用[5]。

在ZigBee無線傳感網絡的建立過程中，首先需要由協調器初始化網絡。為了避免與其他工作在2.4 GHz設備間的信號干擾，協調器首先在其16個信道中掃描并選擇出一個能量最小的信道，并在其上建立自己的網絡。由于信道的個數只有有限的16個，所以在復雜的應用場景中還可能存在多個網絡共享一個信道的情況。ZigBee協調器通過給網絡指定不同的個域網網絡標志符(personal area network ID，PANID)來解決這個問題。PANID的設定范圍是0x0001～0x3FFF，不同的ZigBee網絡通過不同的PANID來識別彼此間的區別，避免干擾。當路由器和終端設備啟動之后，在沒有被強制指定過PANID的情況下，協調器會定時掃描16個信道，在發現網絡之后會自動加入，從而實現家居設備的自組網過程[6]。

4 系統軟件設計

4.1 數據庫管理系統設計

位于智能家居系統網絡層的數據庫服務器，匯聚了由感知層傳來的各類節點的數據信息。為了將眾多數據進行有效的歸納匯總，并且最終實現智能的分析管理，就需要用到數據庫管理系統。數據庫管理系統是一個通過數據結構來管理和存儲數據的計算機軟件系統，具有數據安全性控制、數據完整性控制、并發控制以及故障發現和恢復等功能[7]，能夠對存儲在計算機內的數據集合提供高效、靈活的訪問方式。。

本系統采用Microsoft SQL Sever 2005作為數據庫管理系統，并通過設計用戶信息管理模塊、設備信息及活動狀態管理模塊和漢英互譯模塊三個模塊，來滿足智能家居應用的具體需求。

用戶信息管理模塊包括一張存儲用戶ID、用戶登錄名、登錄密碼、訪問權限以及計費信息的表單。計費信息表單以用戶ID作為主鍵，每個用戶ID對應一條不重復的記錄。用戶只有在通過認證后才能登陸Web站點并獲取數據服務，同時依據其具有的訪問權限對自有設備進行管理和控制，并且按照一定的計費方法支付給服務提供商費用。

設備信息及活動狀態管理模塊由四張表單組成，分別為節點信息注冊表、設備實時活動狀態記錄表、設備歷史活動記錄表和節點類型記錄表。

①節點信息注冊表，它用于保存節點的靜態描述信息，包括節點ID、節點類型和節點所有者等信息。該表單使用節點ID作為主鍵，每個節點通過節點ID對應一條不重復的記錄，用于記錄節點的各種基本屬性。

②設備實時活動狀態記錄表，它用于保存節點的動態描述信息，即節點當前的活動狀態信息，包括節點ID、當前指令執行內容、當前指令執行狀態和當前節點活動狀態。該表使用節點ID作為主鍵，每個裝置節點通過節點ID對應一條不重復的記錄，并根據感知層發送上來的信息對其進行實時更新。

③設備歷史活動記錄表，它用于保存節點的歷史活動信息，包括節點ID、節點歷史事件時間記錄和節點歷史事件內容記錄。該表使用節點ID作為主鍵，每個裝置節點通過節點ID對應多條不重復的歷史活動記錄，以備數據庫管理系統訪問調取。

④節點類型記錄表，它用于保存不同類型節點的能力描述信息和指令集信息，包括節點類型和節點可執行指令。該表單以節點類型為主鍵，每個節點類型對應多條不重復的記錄，每條記錄對應一條不同的可執行指令，如照明類型節點需要有開關指令和亮度調節指令，空調設備需要有模式控制和溫度設定等指令。

在感知層和網絡層的信息及指令交互過程中，為了便于各個功能模塊對數據進行處理以及轉發操作，系統內部均采用了英語作為交互語言;而在通過Web頁面向用戶呈現節點狀態及接收用戶控制指令時又需要將上述信息進行漢化，故設計了英漢互譯模塊。漢英互譯模塊包括一張用于英漢互譯的漢英字符串互譯對照表。該表單以英語字符串為主鍵，每條英語字符串對應一條相應語義的漢語字符串。

為了在應用層向用戶提供更為直觀的數據服務，需要將這些數據在Web頁面顯示時進行漢化。

4.2 基于ADO.NET的數據庫訪問技術

在網站程序開發過程中，涉及到網站對數據管理系統的數據訪問。本系統中采用了基于ADO.NET的數據訪問技術，以實現數據管理系統與SQL Sever 2005數據庫管理系統的數據交互。基于ADO.NET的數據訪問技術與ASP.NET同屬.NET應用框架。ADO.NET可對可擴展標記語言(extensible markup language，XML)提供全面支持，并且提供全新的非連接數據緩沖模型。這使得其在構建結構松散的、非鏈接的Web應用程序時有著得天獨厚的優勢。ADO.NET包括兩個核心組件：NET框架下的數據提供程序(data provider)和數據集(dataset)。前者實現對數據的操作以及快速只讀訪問，后者則是具體的數據庫容器。數據提供程序包括四個對象：即用于實現與數據庫連接的Connection對象、在數據源中執行SQL命令的Command對象、通過Command對象實現對數據庫快速檢索的DataReader對象、使用Command對象將數據加載到DataSet中并確保DataSet中數據的更改與數據源保持一致的Data-Adapter對象。

數據庫的各類數據原語操作如下。

4.3 基于ASP.NET的網站設計

傳統的客戶端/服務器(client/server，C/S)結構雖然具有運行速度快、數據安全性高等優點，但其運行還需要在用戶訪問終端安裝額外的客戶端軟件。考慮到本系統需要支持手機對服務器的訪問，而手機設備往往由于自身資源有限而不足以支持客戶端的運行，因此，本系統采用瀏覽器/服務器 (browser/sever，B/S)結構進行設計[8]。

與C/S結構相比，B/S結構最大的特點就是無需安裝客戶端，可以在用戶不安裝額外軟件的情況下提供服務。B/S結構將應用程序和數據全部集中安放在Web服務器上，用戶則統一使用Web瀏覽器來訪問Web服務器，并運行加載在其上的程序和數據[9]。因為系統的更新維護以及數據管理都在服務器上進行，所以也可以很容易對其進行功能擴充。

Web服務器主要有 CGI、PHP、JSP 和 ASP.NET 四種開發技術，本系統采用了基于ASP.NET的技術作為網站開發技術。ASP.NET以其獨特的緩存技術，使得在處理用戶相同的Web訪問請求時無需重新加載頁面[10]。因此，這種技術具有很高的頁面處理速度和運行效率，特別適合應用于服務器和用戶信息交互頻繁的智能家居系統。

針對管理員、普通用戶和來賓這三種不同的用戶類型，網站被設計成了與之對應的三個模塊。整個網站的系統流程如圖3所示。

圖3 網站的系統流程圖Fig.3 Flowchart of the web site

5 結束語

隨著物聯網技術深刻而迅猛的發展，智能家居作為其中一塊應用前景廣泛而且潛在市場巨大的應用領域，其價值越來越引起各大廠商的關注。本文從智能家居系統的具體應用需求出發，針對用戶服務訪問設備資源有限的特點，設計了一個基于B/S架構的物聯網智能家居系統，提出了一種有效的智能家居系統實現方式。

[1]屈偉平.物聯網掀起新的信息技術革命浪潮[J].物流技術與應用，2009(11)：42 －45.

[2]朱仲英.傳感網與物聯網的進展與趨勢[J].微型電腦應用，2010(1)：1 －3.

[3]花鐵森.智能家居系統核心技術探討[J].智能建筑電氣技術，2009(2)：92－98.

[4]喻楚云.Zigbee在家庭遠程遙控管理系統中的應用[J].大連民族學院學報，2006(3)：60 －61.

[5]顧牧君.智能家居設計與施工[M].上海：同濟大學出版社，2004：15 －31.

[6]凌志浩.ZigBee無線通信協議的技術支持及其應用前景(上)[J].世界儀表與自動化，2006，10(1)：44 －47.

[7]王珊，薩師煊.數據庫系統概論[M].北京：高等教育出版社，2003：151 －199.

[8]黎卓虹.基于三層結構數據可視化的開發及應用[J].微計算機信息，2006(7x)：31 －33.

[9]Khosravi S.ASP.NET 2.0服務器控件與組件開發高級編程[M].郝剛，田亮君，陳文，譯.北京：人民郵電出版社，2007：34 －67.

[10]李英俊，畢斐.ASP.NET動態網站開發教程[M].北京：清華大學出版社，2006：82 －116.