基于云計算和網絡服務的智能家居系統

盛軍，范銘平頂山工業職業技術學院

基于云計算和網絡服務的智能家居系統

盛軍，范銘
平頂山工業職業技術學院

摘要：智能家居可以通過監測家庭環境和控制家電最大限度地減少用戶干預。本文介紹了一種基于Web服務和云計算整合物聯網（IOT）的智能家居系統。該方法的重點是：（1）使用智能嵌入到Arduino平臺的傳感器和動作裝置;（2）采用ZigBee網絡技術;（3）使用云服務與物件進行交互;（4）改進使用JSON格式數據的數據交換效率。此外，我們用三個實例來證明該方法的可行性和有效性，即檢測家中環境，監控家電和控制門禁。

關鍵詞：智能家居；物聯網；云計算；Arduino的；Zigbee的；JSON

1、介紹

智能家居（SH）為檢測用戶家中環境（例如，濕度，溫度，光度等）提供了方便，可在最少的用戶干預下操縱并監控家用HVAC（供暖，通風和空調）裝置[1，2]。以這種方式，通過前級傳感器收集數據，中間級進行數據融合，然后在后級模塊來完成行為識別。

本文提出了一種方案，以方便實現智能家居系統。第二部分介紹了我們通過選擇案例設計，采用集成物聯網和云計算的方法，第三節詳細介紹了技術方案，第四部分提出了三種用途，第五節得出結論。

2、系統架構

該系統架構必須能夠達到檢測家中狀況，處理儀表數據，并監測電器的要求。我們利用微控制器驅動的傳感器，檢測家中狀況，使用微控制器驅動的動作裝置來監視家用電器。使用PaaS（平臺即服務）[3，4]和SaaS（軟件即服務）[5]的云計算在后端處理數據[6]。

圖1　智能家居系統結構

圖1說明了系統架構的智能家居。它包括以下主要組件：

微控制器驅動的傳感器：檢測家中狀況;微控制器解釋并處理儀表數據。

微控制器驅動的動作裝置：由微控制器接收并執行某些操作轉移命令。該命令是基于微控制器和云服務之間的交互發出的。

數據庫/數據存儲：從微控制器功能的傳感器和云服務進行數據分析和可視化存儲，并作為命令隊列發送到動作裝置。

后端和前端間的服務器/API層：便于處理從傳感器接收的數據和將數據存儲在數據庫中。

Web應用程序作為云服務：測量并可視化傳感器數據，并使用移動設備控制設備。

3、方案設計

采用了以下一些技術來實現設計。這些設計包括Arduino微控制器，ZigBee通信協議，JSON用于數據交換，Google App Engine用于云計算。以下分別介紹每一項技術。

A.使用Arduino進行物聯網編程

本設計采用Arduino平臺做原型，并通過Arduino UNO作為微控制器電路板，使用通信技術，如RFID和ZigBee，對各種類型的傳感器/動作裝置進行編程。

B.采用ZigBee使智能家居網絡化[7]

在家庭中部署Arduino嵌入式設備需要彼此通信以交換傳感器數據，觸發器，狀態消息等。本設計的ZigBee聯網智能家居系統，包括兩種Arduino的UNO微控制器板，第一板作為中心接收器連接到所有動作裝置，并通過以太網連接而連接到在Internet上的數據庫。第二板是中央發射機，連接到系統中的所有的傳感器，通過ZigBee技術在ZigBee的傳感器/動作裝置和中央Arduino板之間通信。

C.使用JSON進行數據交換

為了與云端進行通信，智能家居需要訪問因特網。我們使用多個傳感器，用于測量家中環境，傳感器讀數周期性地發送到中央服務器。同時，動作裝置節點接收中央服務器的命令來控制家電。為了減少傳輸負荷和帶寬的使用，使用JSON技術[8]。本設計需要4個Arduino UNO，每一個被分配1-4的編號，從中心發射機板通過ZigBee發送到中央接收器板,中央接收器板通過以太網連接到因特網和云端。

D.Web應用程序與云計算

Web應用程序被分類為兩個主要部分：前端和后端。前端作為Web客戶機與用戶進行交互，后端為數據存儲邏輯處理或存儲服務提供計算服務。使用HTML5技術，采用jQuery Mobile開發web應用程序界面。此外，使用Ajax創建異步Web應用程序。后端服務，包括測量家里條件，監控家電和控制門禁等。還可使用在云端托管的數據庫，對象和消息隊列服務。

4.用例分析

本節介紹的功能，包括測量家庭環境，管理設備，以及門禁控制。

A.測量家庭環境

這個用例使用云服務用于測量家庭環境，測量服務允許用戶存儲并看到環境數據，可在任何地方任何時間進行查看，使用以下傳感器模塊：

近程和環境光傳感器VCNL4000。它能記錄在特定區域內的環境光總量，也記錄給定對象的接近情況。

溫濕度傳感器DHT22[9]是一個低成本的數字溫度和濕度傳感器。它采用電容式濕度傳感器和熱敏電阻測量周圍的空氣，并在數據引腳上產生對應的數字信號（不需要模擬輸入引腳）。

B.管理家用電器

該用例借助谷歌的云服務管理家用電器。用戶可控制與家電關聯的智能動作裝置，如閥和開關，可執行諸如打開或關閉或在運行中進行調整的操作。并可執行不同功能，如開/關閥的百分比控制，流速控制，緊急停機（ESD）等操作。

C.門禁控制

我們使用125kHz的RFID標簽和ID-12的RFID讀取器[10]控制門禁。閱讀器含一個12厘米以上讀取范圍的內置天線，用戶都會有張唯一ID的RFID卡。離開或進入房子時，用戶在門旁的RFID閱讀器掃描RFID卡，掃描的ID從讀取器通過串行協議發送到關聯的Arduino板，Arduino板將ID通過控制服務與數據庫中的授權標識進行比較。

5.結論

本文探討了整合物聯網的Web服務和云計算的智能家居的概念。設計包括使用Arduino平臺的嵌入式智能傳感器和動作裝置，使用Zigbee技術的網絡智能設備，使用云服務在不同的地點都能與智能電器互動，同時采用JSON改進數據交換效率。該方法經驗證已成功用于測量家庭環境，監控家用電器和控制門禁，有較大的使用價值和應用范圍。

參考文獻：

[1]李勇.基于上下文感知計算的智能家居系統研究[D].重慶大學.2008

[2]梁明，李學瑞，石永華.中國電器科學研究院有限公司.智能家居能耗管理的研究進展[J].日用電器.2012(12)

[3]劉禮建，張廣明.南京工業大學.基于ZigBee無線技術的智能家居管理系統設計[J].計算機技術與發展.2011(12)

[4]M.R.Alam,et al,"SPEED:An Inhabitant Activity Prediction Algorithm for Smart Homes,”IEEE Trans.on Systems,Man and Cy?bernetics,vol.42,pp.985–990,2012.

[5]劉浩.智能家居中基于用戶行為的服務算法研究[D].湖南大學.2013

[6]岳敬華.基于云服務的智能家居系統的研究與設計[D].杭州電子科技大學.2014

[7]呂君可.浙江師范大學.ZigBee家庭自動化網絡的測量與傳感節點的設計與實現[J].計算機系統應用.2013(03)

[8]管健.首都經濟貿易大學.基于XML和本體的物聯網數據交換標準體系研究[J].物聯網技術.2012(04)

[9]"DHT22 temperature-humidity sensor,"http://www.Adafruit.com/products/385,accessedon4/19/2013.

[10]"RFID ReaderID-12,"https://www.Sparkfun.com/data-sheets/Sensors/ID-12-Datasheet.pdf.

盛軍（1977-），男，漢族，河南省鄧州市人，碩士學歷，講師，單位：平頂山工業職業技術學院，研究方向：機電一體化；

范銘（1985-），男，漢族，河南省平頂山市人，本科學歷，助教，單位：平頂山工業職業技術學院，研究方向：電子技術。

作者簡介：