基于RESTful Web Services的智能家居管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

李志華，谷全琦，唐建飛，薛 亮，趙繼軍

（河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 邯鄲 056038）

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)已逐漸由傳統(tǒng)有線連接方式轉(zhuǎn)向采用諸如Wi-Fi、ZigBee等無線通信技術(shù)構(gòu)建家庭無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了家電互聯(lián)和環(huán)境感知[1,2]。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)(internet of things)技術(shù)的興起[3]，使得大量具有計算能力、網(wǎng)絡(luò)通信能力的新型物理設(shè)備涌現(xiàn)，如智能電視、智能手機、智能燈泡等，參考文獻(xiàn)[4，5]將這些物理設(shè)備稱之為智能物體。由于智能物體所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可能會有所不同，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居能夠解決家庭異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)問題[6,7]。

目前的智能家居系統(tǒng)，在用戶管理層面一般通過動態(tài)或靜態(tài)的Web網(wǎng)頁為用戶提供遠(yuǎn)程家電管理和家庭環(huán)境信息訪問[8]。然而，隨著移動智能終端的普及以及大量基于Web的移動客戶端的出現(xiàn)，在移動智能終端上使用Web網(wǎng)頁管理家庭系統(tǒng)已無法滿足移動用戶的需求。鑒于移動客戶端不具備Web網(wǎng)頁的跨平臺能力，因此能夠保證不同平臺應(yīng)用服務(wù)的互操作性的Web Services技術(shù)在移動客戶端應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。該技術(shù)是一種支持網(wǎng)絡(luò)間M2M(machine to machine)互操作的軟件平臺，將家庭內(nèi)智能物體抽象為一種可重用的Web Services服務(wù)將有利于家庭管理客戶端的跨平臺操作。當(dāng)前的Web Services主要有兩種范式，即RESTful Web Services(RESTful WS)和傳統(tǒng)Web Services。其中RESTful WS為符合表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(REpresentationalstate transfer,REST)軟件設(shè)計風(fēng)格制約的Web Services，相對于傳統(tǒng)Web Services，RESTful WS更注重使用統(tǒng)一的無狀態(tài)操作管理Web資源，且具有更低的復(fù)雜度、更松散的架構(gòu)及更高的靈活性[9]。

ZigBee是一種低速率、短距離傳輸?shù)臒o線通信協(xié)議，以其低功耗、低成本、低速率、高可靠性和自組網(wǎng)等特點，在消費電子控制、森林環(huán)境監(jiān)測以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域獲得廣泛研究與應(yīng)用[10～12]。因此，本文采用ZigBee協(xié)議構(gòu)建了具有家電互聯(lián)和家庭環(huán)境監(jiān)控功能的家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor home area network，WSHAN)，并在家庭管理層面提出一種基于RESTful WS的智能家居管理系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)復(fù)雜度，增強系統(tǒng)的可擴展性和跨平臺能力，實現(xiàn)用戶使用移動智能終端獲取家庭內(nèi)智能物體運行的狀態(tài)信息，如溫度、濕度、家電的運行狀態(tài)等，同時能夠?qū)@些智能物體進(jìn)行實時控制。此外，鑒于RESTful WS的靈活性與跨平臺等特點，設(shè)計了基于Android的智能家居客戶端，提升了家庭管理的用戶體驗。最后對系統(tǒng)的分組丟失率和請求響應(yīng)時延進(jìn)行了測試。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計的智能家居管理系統(tǒng)由WSHAN、服務(wù)器和客戶端3部分組成，如圖1所示。

2.1 WSHAN的設(shè)計

WSHAN由Sink節(jié)點、感知節(jié)點和執(zhí)行節(jié)點組成，用于實現(xiàn)家庭內(nèi)智能物體的網(wǎng)絡(luò)連接、環(huán)境監(jiān)控與家電控制等功能，并能夠通過Sink節(jié)點完成與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。鑒于當(dāng)前家居中的家電設(shè)備很少具備聯(lián)網(wǎng)能力，本文通過將基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點嵌入到普通家電中使普通家電具有通信、計算與傳感和執(zhí)行等能力[5]。

WSHAN中的Sink節(jié)點用于建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并完成WSHAN與服務(wù)器之間的信息交互；執(zhí)行節(jié)點通過在ZigBee節(jié)點上外接專用的家電控制電路實現(xiàn)對家電的智能控制；感知節(jié)點通過環(huán)境傳感器實現(xiàn)對家庭光照強度、煙霧濃度以及溫度、濕度等信息的無線采集。每個節(jié)點在加入WSHAN后將通過Sink節(jié)點向服務(wù)器注冊智能物體的屬性與控制方法以實現(xiàn)服務(wù)器識別和管理WSHAN內(nèi)各個智能物體。系統(tǒng)工作時，感知節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)上傳至Sink節(jié)點，由Sink節(jié)點將數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器。當(dāng)Sink節(jié)點自串口接收到服務(wù)器的家電控制請求時，則將該請求轉(zhuǎn)發(fā)至執(zhí)行節(jié)點完成對家電的控制。

2.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

服務(wù)器處于整個系統(tǒng)的中間部位，用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端和WSHAN之間的信息交互與數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，并為訪問服務(wù)器的設(shè)備提供RESTful WS接口。RESTful WS是面向資源架構(gòu)的Web Services，它為每個Web資源分配統(tǒng)一資源標(biāo)識符（universal resource identifier,URI），并使用統(tǒng)一的無狀態(tài)操作來管理URI所指向的Web資源，如使用HTTP的PUT、DELETE、POST和GET等操作實現(xiàn)對Web資源的增、刪、改和查等功能。此外，RESTful WS中的每個Web資源都具有多重表述格式，如XML（extensible markup language）和JSON（JavaScript object notation）等，能夠方便各種設(shè)備解析Web資源。該架構(gòu)允許在家庭中新增智能物體時，系統(tǒng)只需在保留原有服務(wù)的基礎(chǔ)上對新增的智能物體編寫相應(yīng)的服務(wù)接口即可重新部署，進(jìn)而降低系統(tǒng)開發(fā)與維護(hù)的難度。

2.3 客戶端軟件設(shè)計

智能家居管理客戶端作為用戶與智能家居系統(tǒng)交互的最直接工具，是提升用戶體驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所設(shè)計的客戶端能夠通過Internet訪問服務(wù)器端的RESTful WS，并根據(jù)用戶請求實時顯示家庭當(dāng)前的環(huán)境信息、家電運行狀態(tài)以及調(diào)節(jié)家電工作模式，以便客戶端對智能物體進(jìn)行訪問與控制。通常情況下，傳統(tǒng)的智能家居在系統(tǒng)升級時（如對服務(wù)器端RESTful WS接口升級）客戶端需要用戶手動更新，進(jìn)而導(dǎo)致很多不確定性。當(dāng)前移動智能終端普遍內(nèi)置的應(yīng)用商店，顯著加快了應(yīng)用軟件的更新速度，并進(jìn)一步降低系統(tǒng)升級與維護(hù)的難度，使得終端用戶可以最快的速度獲得開發(fā)人員對系統(tǒng)的改進(jìn)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

設(shè)計與實現(xiàn)的系統(tǒng)原型如圖2所示。該系統(tǒng)由1臺PC服務(wù)器、1部智能手機、1個Sink節(jié)點、1個感知節(jié)點、1個執(zhí)行節(jié)點以及1個Wi-Fi路由器組成，如圖2(a)所示。其中感知節(jié)點、執(zhí)行節(jié)點和Sink節(jié)點完成了家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSHAN的構(gòu)建，實現(xiàn)了家庭環(huán)境信息監(jiān)測以及家電訪問與控制；PC服務(wù)器上的RESTful WS接口用于實現(xiàn)客戶端訪問與控制家庭智能物體，完成服務(wù)器與家庭智能物體之間的信息交換；基于Android智能手機上的應(yīng)用能夠通過調(diào)用RESTful WS接口對智能物體進(jìn)行訪問與控制，進(jìn)而實現(xiàn)在Android手機上查看家庭的環(huán)境信息或控制家電的功能。Wi-Fi路由器負(fù)責(zé)建立無線局域網(wǎng)以便Android手機能夠通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)訪問PC服務(wù)器。

3.1 WSHAN的構(gòu)建

基于節(jié)點發(fā)射功耗低、室內(nèi)障礙物多及網(wǎng)絡(luò)頑健性等因素的考慮，在Sink節(jié)點建立WSHAN時選擇了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，考慮到在家庭網(wǎng)絡(luò)中較為普及的Wi-Fi與ZigBee均采用2.4 GHz頻段，為避免家庭內(nèi)網(wǎng)絡(luò)間的干擾，在系統(tǒng)實現(xiàn)時依據(jù)參考文獻(xiàn)[13]對這兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所占信道的分析結(jié)果，指定 ZigBee選擇信道15、16、21、22中之一可有效避開Wi-Fi所占的信道。

采用IAR嵌入式集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計與實現(xiàn)了基于CC2530的Sink節(jié)點，如圖2(b)所示。該節(jié)點初始化后選擇上述4個信道之一建立網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。若該節(jié)點接收到其他節(jié)點入網(wǎng)請求，則允許其加入網(wǎng)絡(luò)并分配網(wǎng)絡(luò)地址信息，同時將節(jié)點的注冊信息通過串口轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器。來自感知節(jié)點的環(huán)境信息和執(zhí)行節(jié)點的家電狀態(tài)消息同樣會被Sink節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器。

感知節(jié)點如圖2(c)所示，其中傳感器模塊集成了SHT11溫濕度傳感器芯片和ISL29028A感光芯片，實現(xiàn)了家庭的溫濕度和光照強度采集。感知節(jié)點初始化后將掃描周邊已存在的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其檢測到由Sink節(jié)點建立的網(wǎng)絡(luò)時將申請加入并注冊節(jié)點自身屬性信息，隨后即開始周期性地采集環(huán)境信息并發(fā)送至Sink節(jié)點。由于感知節(jié)點采用電池供電，因此節(jié)點在兩個采集周期之間將進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低能源消耗。

圖2 系統(tǒng)原型

執(zhí)行節(jié)點與感知節(jié)點類似，其不同之處在于執(zhí)行節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后即進(jìn)入到監(jiān)測狀態(tài)并開始等待服務(wù)器的控制指令。通過將CC2530微控制器嵌入到普通照明燈具實現(xiàn)了該燈具向智能物體的轉(zhuǎn)換，如圖2(d)所示，并在此基礎(chǔ)上驗證了執(zhí)行節(jié)點的執(zhí)行功能。在該原型系統(tǒng)中，與燈具相連的執(zhí)行節(jié)點在啟動后首先向服務(wù)器發(fā)送注冊信息，并且以操作數(shù)1或0表示燈具的打開或關(guān)閉操作，從而簡化開發(fā)人員編寫服務(wù)器端的訪問與控制接口。

3.2 RESTful WS實現(xiàn)

服務(wù)器上所部署的RESTful WS選用了免費、開源且增強了對于RESTful WS支持的Spring 4.0框架，并在構(gòu)建RESTful WS時遵循了模塊化設(shè)計思想，將服務(wù)器劃分為3個模塊：串口通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和RESTful WS模塊，如圖3所示。其中數(shù)據(jù)庫作為串口與RESTful WS之間的通信橋梁，除完成Sink節(jié)點上傳信息的存儲與讀取外，還用于家電控制信息的存儲與檢索。此外，通過采用數(shù)據(jù)庫緩存和交換控制家電請求的方式實現(xiàn)了串口通信進(jìn)程和RESTful WS進(jìn)程的異步通信，進(jìn)而避免了RESTful WS直接調(diào)用串口向Sink節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)家電控制請求信息，導(dǎo)致系統(tǒng)模塊間耦合度的提高的問題。

在實現(xiàn)RESTful WS時，依據(jù)其設(shè)計規(guī)則將系統(tǒng)中現(xiàn)存的家電節(jié)點和環(huán)境節(jié)點分別抽象為整體與個體的關(guān)系，并依據(jù)節(jié)點類型分別為其設(shè)置URI，如對所有家電節(jié)點分配URI為“/appliances”，對于單個家電節(jié)點分配“/appliances/{id}”，且每個URI資源采用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP方法進(jìn)行資源狀態(tài)的更改，見表1。

3.3 Android客戶端軟件實現(xiàn)

本文以開源且免費的Android 2.3.3操作系統(tǒng)為平臺設(shè)計了智能家居管理系統(tǒng)客戶端，且在開發(fā)過程中引入了Fragment機制和Spring for Android框架。其中Fragment機制使得應(yīng)用程序能夠根據(jù)手機和平板的屏幕分辨率自動適配，避免了Android較嚴(yán)重的碎片化現(xiàn)象所導(dǎo)致的需要為不同屏幕分辨率的智能終端做適配的情況發(fā)生。Spring for Android專為Android系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的REST客戶端框架，這兩種引用在為用戶帶來統(tǒng)一的用戶體驗的同時大大簡化了Android的Web應(yīng)用開發(fā)。此外，在具體實現(xiàn)時，作者將網(wǎng)絡(luò)請求放入了子線程中，并使用Android提供的Handler線程間通信機制進(jìn)行頁面更新，以此避免由于網(wǎng)絡(luò)時延、不可靠等特點所導(dǎo)致的應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頁面更新時所出現(xiàn)的頁面卡頓或請求失敗等現(xiàn)象。

表1 REST標(biāo)準(zhǔn)方法

所實現(xiàn)的智能家居管理系統(tǒng)客戶端如圖4和圖5所示。其中圖4為環(huán)境信息列表，用于顯示家庭內(nèi)各個環(huán)境采集節(jié)點所采集的最新環(huán)境數(shù)據(jù)；圖5為家電管理界面，負(fù)責(zé)顯示和控制家電狀態(tài)。

圖5 家電管理界面

4 系統(tǒng)測試

為了驗證所開發(fā)原型系統(tǒng)的性能，本文在實驗室環(huán)境下對其節(jié)點分組丟失率及請求響應(yīng)時延進(jìn)行了測試。

4.1 分組丟失率測試

家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性對于智能家居系統(tǒng)的可靠性和用戶體驗起著關(guān)鍵作用。如果感知節(jié)點和執(zhí)行節(jié)點的分組丟失率過高，將會導(dǎo)致所采集環(huán)境數(shù)據(jù)不夠?qū)崟r，家電無法及時響應(yīng)用戶控制請求等問題，這些因素最終將影響整個智能家居系統(tǒng)的用戶體驗。

針對WSHAN內(nèi)的節(jié)點的分組丟失率以及系統(tǒng)層面的分組丟失率進(jìn)行了測試。在測試過程中通過不斷增加感知節(jié)點每分鐘發(fā)送數(shù)據(jù)分組的次數(shù)，逐漸增大Sink節(jié)點的接收負(fù)擔(dān)。根據(jù)Sink節(jié)點收到的數(shù)據(jù)分組總數(shù)計算得出如圖6所示的節(jié)點分組丟失率。由圖6可知，當(dāng)請求次數(shù)小于300次/min時，Sink節(jié)點具有較低的分組丟失率。但隨著每分鐘請求次數(shù)的不斷增加，節(jié)點的分組丟失率逐漸上升。當(dāng)請求次數(shù)從300次/min上升至360次/min時，分組丟失率上升至3%。該測試結(jié)果表明，在300次/min的合理請求范圍內(nèi)，本系統(tǒng)能夠滿足可靠性需求。因此，較為合理的請求次數(shù)為每分鐘300次以內(nèi)。

得益于前文提到的使用數(shù)據(jù)庫緩存家電控制請求指令機制，即連接請求緩沖池技術(shù)，使得系統(tǒng)能夠在不影響系統(tǒng)實時性的條件下，避免系統(tǒng)層面的分組丟失情況發(fā)生。并通過Android設(shè)備以同樣的測試方法對系統(tǒng)層面的分組丟失率進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，在請求次數(shù)為360次/min范圍內(nèi)，請求經(jīng)過服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫緩存后，總能通過Sink節(jié)點到達(dá)執(zhí)行節(jié)點，系統(tǒng)分組丟失率始終為0，表明系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

4.2 請求響應(yīng)時延測試

本節(jié)通過測試系統(tǒng)請求響應(yīng)時延和服務(wù)器處理時延評估了系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)響應(yīng)時延由Android客戶端發(fā)出控制燈具請求的時間戳與服務(wù)器收到執(zhí)行節(jié)點響應(yīng)的時間戳之差計算得出。通過不斷增加請求次數(shù)測試系統(tǒng)在高并發(fā)請求下的實時性，測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，系統(tǒng)請求響應(yīng)時延基本在130 ms上下浮動，服務(wù)器處理時延基本在64～76 ms范圍浮動，而不隨每分鐘請求次數(shù)的增加而大幅度抖動，該時延穩(wěn)定性主要得益于服務(wù)器端連接請求緩沖池的使用。

圖6 分組丟失率測試

圖7 請求響應(yīng)時延

5 結(jié)束語

本文所開發(fā)的基于RESTful WS的智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)了利用Android手機訪問與控制家庭智能物體的功能，該系統(tǒng)增強了智能家居管理體系的可擴展能力、跨平臺能力和用戶體驗。此外，性能測試表明本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和實時性。鑒于RESTful WS技術(shù)固有的跨平臺特點，本系統(tǒng)中的客戶端除在Android系統(tǒng)中應(yīng)用外，還可靈活地移植到iOS和Windows Phone系統(tǒng)。此外考慮到氣候變暖、能源危機等全球化問題的加劇，若在該系統(tǒng)上引入智能家居能源調(diào)度算法對家電狀態(tài)加以合理的調(diào)度，將能進(jìn)一步提高家庭用電效率，減少家庭用電費用，降低社會能源消耗。

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