基于物聯網技術架構的家居環境智能監控系統

程洋　黃繪　劉鑫爽

【摘 要】基于物聯網的技術架構，設計一種新型自主式的家居環境智能監控系統；詳細介紹了系統的三層架構模型，系統各層的設計方案和主要技術；經過實驗測試，系統能夠依據用戶設定的狀態自主、安全和穩定地運行，多用戶可同時使用，整個系統結構清晰，方便維護和升級。

【關鍵詞】物聯網 ZigBee CC2430 ASP.NET B/S架構

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）06C-0184-03

近年來，被看作信息領域一次重大的發展和變革機遇的物聯網技術得到了快速的發展。“物聯網”的概念由美國麻省理工學院自動識別中心（Auto-ID）提出，主要以無線傳感器網絡和射頻識別技術為支撐。物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮，也被世界各國作為未來經濟發展的主要增長點。

物聯網可應用于智能家居、智能農業、智能交通、智能電網、智能安防、智能醫療等領域。隨著近十年世界范圍內的IT產業快速發展，相應的傳感技術、通信技術和計算機技術也取得突飛猛進的發展。我們國家居民生活水平顯著提高，對與自己息息相關的家居環境也有了新的、更高的要求。設計一種新型的家居環境智能監控系統模型，實現了對家庭溫度、濕度、亮度和煤氣濃度的動態監控，用戶能夠設置家居內相應時段不同的溫度、濕度、亮度，系統會依據用戶設置自動監控家居狀態，滿足日常生活。該系統模型比傳統的使用本地智能網關控制或家居內計算機控制的智能家居模型更加便捷、實用、高效，在系統日常維護、平臺移植與擴展、大數據管理等方面具有明顯優勢。

一、系統總體方案設計

一般認為物聯網典型的技術體系結構分為感控層、網絡層、應用層三大層次，本文設計的家居環境智能監控系統的整體設計方案如圖1所示，整個系統結構分為三層，分別負責家居內基礎信息的采集和外設控制、系統內數據信息的傳遞、系統數據信息的管理和系統功能應用等功能。圖2為該系統的硬件結構示意圖，用戶家居處于感控層中，主要包括家居內環境參數采集和控制的相關傳感器和設備，網絡層是一個智能網關，負責數據透傳，應用層是本系統服務器，負責接收和處理網絡層上傳的數據，向感控層發送數據，大數據存儲與管理等。

二、感控層的設計與實現

家居環境智能監控系統的感控層在功能上分為兩部分：一是數據采集與執行。數據采集主要是運用傳感器對家庭內的溫度、濕度、亮度、煤氣濃度狀態進行基礎信息采集。執行主要是負責接收和解析系統服務器發送來的控制命令，讀取或改變相應外設（如燈具、空調等家電）的工作狀態。二是短距離無線通信。短距離無線通信主要用來完成像家居內這種小范圍內的多個物品的信息集中與傳遞。由于無線短距離通信技術具有靈活安裝、可移動性強等特點，使其越來越多地被應用于智能系統中。目前技術比較成熟和常用的無線短距離通信技術有：Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、超寬帶。本設計選用了ZigBee無線通信方式，它相比其他幾種通信方式具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量等優勢。

ZigBee協議的物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定，可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz共3個頻段上。ZigBee網絡中的設備可分為協調器（Coordinator）、匯聚節點（Router）、傳感器節點（EndDevice）三種負責不同功能的角色。無信息傳輸時，傳感器節點可處于休眠狀態，當有信息傳輸時可自動喚醒進行數據傳遞，多節點以接力的方式傳遞信息，通信效率非常高，但功耗很低。ZigBee網絡拓撲結構有星型、樹型和網狀三種。為滿足穩定性要求，本設計選用了網狀拓撲結構。

根據家居環境智能監控系統內網和ZigBee技術的特點，本設計中的ZigBee無線網絡主要由路由器節點和協調器節點兩種節點類型組成。其中路由器節點不僅負責家居環境內相關數據（溫度值、濕度值、亮度值、煤氣濃度值、設備工作狀態值等）的采集，還負責網絡的管理與節點間的數據傳輸，控制外設的工作狀態；協調器節點主要負責網絡的建立、各路由節點的管理、數據的處理以及對外的接口。

本系統所采用的設備是搭載有TI/Chipcon公司生產的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee片上系統解決方案CC2430芯片的節點，負責家居內所有信息的采集、傳遞和外設控制。

三、網絡層的設計與實現

網絡層負責數據在系統感控層和應用層之間快速、安全、可靠地傳送。網絡層的通信功能主要由智能網關負責，使用Socket通信方式。由于因特網的通信特點，該智能網關需要設置靜態IP，同時工作于服務端和客戶端兩種模態下。工作在服務端模態下時，主要是接收系統服務器發送的數據（網關自動判斷是否是本網關需要接收的數據，主要由通信協議中包含的IP地址決定），并將數據解析后發送至本網關連接的家居監控網絡中。工作在客戶端模態下時，主要是接收到感控層上傳的信息后，主動連接系統服務器，將信息發送至系統服務器。

由于智能網關連接了互聯網和ZigBee網絡兩個網絡，因此為保證數據正常傳遞，智能網關必須能夠進行ZigBee協議和TCP/IP協議之間的轉換。本設計中采用協調器和網關通過串口直接連接，先由ZigBee硬件完成ZigBee協議與RS-232協議的轉換，再由網關實現RS-232協議與TCP/IP協議的轉換，最終實現TCP/IP協議和ZigBee協議的高效轉換，智能網關工作流程如圖3所示。

四、應用層的設計與實現

系統應用層是整個系統的“大腦”，主要功能是完成網關上傳的數據的接收、匯總、互通、分析、決策，數據下發等功能，是整個系統的控制和決策中心。根據物聯網關于應用層的定義，本設計的應用層具體包括兩部分：一個是系統服務器；另一個是終端設備。系統服務器負責所有數據的接收、分析、存儲、修改，根據控制算法進行決策和控制命令發送等。終端設備是電腦、智能手機等智能終端，用戶可通過這些設備搭載的Web瀏覽器訪問系統服務器發布的網站站點，實現系統功能的使用，而不再是傳統的在終端上安裝相應的軟件，這就大大降低了對用戶的硬件要求，增強了系統的實用性。

系統服務器由Web站點服務器、業務處理服務器、數據庫服務器三部分組成，分別完成Web頁面發布、數據接收和控制決策、數據管理等功能，如圖4所示即為系統服務器的架構圖，三個服務器是分別設計和獨立運行的，但又是相互關聯的，其中業務處理服務器與Web服務器通過數據庫服務器進行連接和數據交換。

（一）Web服務器

為減輕客戶端的負擔，增加系統實用性，Web服務器的設計采用了目前流行的瀏覽器/服務器（browser/server，B/S）結構模型。B/S結構下的應用程序、邏輯處理和數據全部集中安放在Web服務器上，而用戶只需要統一使用瀏覽器即可訪問Web服務器，通過用戶界面使用本系統功能。

系統采用的是Microsoft的Web服務器Internet Information Server（IIS），網站開發技術使用的是ASP.NET。ASP.NET技術具有很高的頁面處理速度和運行效率，節省系統資源，完全面向對象，具有平臺無關性且安全可靠，特別適合應用于頁面和遠程系統服務器之間數據交互比較頻繁的系統。數據訪問采用了與ASP.NET同一框架（.NET Framework ）下的ADO.NET技術，實現Web服務器與SQL Server 2008數據庫的數據交互。ADO.NET確保了Web服務器能夠根據用戶的需求快速、準確地訪問到數據庫，實現數據的存儲、查詢、更新和刪除等操作。

（二）數據庫服務器

本系統的數據庫服務器采用Microsoft SQL Server 2008設計，主要負責存儲和管理系統內的所有數據，具體操作由Web服務器和業務處理服務器調用。數據庫服務器共設置了用戶信息管理模塊、用戶設置管理模塊、室內環境狀態管理模塊和設備狀態管理模塊四個模塊。數據庫服務器是一個“被動”服務器，只負責數據的存儲和管理，存儲的數據是由業務處理服務器或Web服務器寫入、刪除或修改。

（三）業務處理服務器

業務處理服務器工作于服務端模式，向智能網關開放服務器端的IP和端口，時刻偵聽智能網關是否有數據上傳。接收數據后，會進行數據包的解析、數據類型分析、數據提取、邏輯處理和控制決策。其中的業務處理功能可分為兩個部分：第一部分是將系統感控層上傳來的數據或處理結果準確存儲到數據庫中，保障業務處理服務器程序和Web服務器程序進行合法查詢；第二部分是系統輪詢服務，系統能夠實時不斷地查詢所有用戶的設置信息，根據用戶設置和當前家居狀態進行控制決策，判斷當前系統時間是否到達用戶設置的某個子狀態的更改時刻，如果滿足條件，會根據用戶設置更改和控制家庭內部的環境狀態。業務處理服務器運行界面如圖5所示。

在實驗室條件下，經過實際測試，該系統能夠智能、穩定地工作，達到預期目標，如圖6所示。采用三層架構的系統模型的結構十分清晰，既可節約投資成本，又方便維護、升級和改造。此外，可將系統服務器移植到云平臺（如微軟Azure云平臺、IBM云平臺、新浪云平臺等），借助云平臺強大的計算和存儲能力，能夠在處理和儲存能力、穩定性、安全性和可移植性上獲得高幅提升，具有較好的應用前景。

【參考文獻】

[1]高守瑋，吳燦陽，楊超等. ZigBee技術實踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2011

[2]陳彥明，王秋光.ZigBee的msstatePAN協議棧移植[J].單片機與嵌入式應用，2008，4（9）

【作者簡介】程 洋（1988- ），男，廣西柳州人，碩士，柳州鐵道職業技術學院講師，研究方向：鐵道供電與智能控制。黃 繪（1973- ），女，廣西柳州人，工程碩士，柳州鐵道職業技術學院講師，研究方向：鐵道供電。劉鑫爽（1987- ），女，廣西柳州人，碩士，柳州鐵道職業技術學院講師，研究方向：智能控制。

（責編 丁 夢）