智慧城市中基于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的智慧家居

雍蓉

（西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西西安，710109）

0 引言

隨著現(xiàn)代智能家居城市建設(shè)的不斷深入，由于現(xiàn)代家居生活智慧、智慧居住社區(qū)以及現(xiàn)代智能手機(jī)等多功能線路延伸等新的要求，城市的發(fā)展將帶動(dòng)現(xiàn)代智能家居行業(yè)突破城市原有的尷尬，依托現(xiàn)代智能家居城市基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用開發(fā)，向現(xiàn)代智能家居過渡。為了進(jìn)一步優(yōu)化提高智慧智能家庭安居中所有網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)的質(zhì)量,節(jié)點(diǎn)延長(zhǎng)使用壽命,針對(duì)實(shí)際家庭物理應(yīng)用環(huán)境的信息多樣性,采用異構(gòu)型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與多種通信連接方式應(yīng)用來設(shè)計(jì)構(gòu)建一個(gè)智慧家居網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

1 智慧家居平臺(tái)的構(gòu)成

智慧家居系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能加劇平臺(tái)構(gòu)成示意圖

包含的主要功能子系統(tǒng)項(xiàng)目有:智慧家庭的家庭網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智慧、家庭環(huán)境和照明管理系統(tǒng)的功能和環(huán)境安全控制系統(tǒng)和家庭環(huán)境安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、背景音樂、家庭影院多媒體電視監(jiān)控系統(tǒng)、家庭安全控制等八個(gè)子系統(tǒng)的環(huán)境管理體系。其中智慧家居安防控制系統(tǒng)、家居網(wǎng)絡(luò)安防照明控制系統(tǒng)、家居環(huán)境系列是必備的安防監(jiān)控系統(tǒng)、家居網(wǎng)絡(luò)布線監(jiān)控系統(tǒng)、家居網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)、背景音樂、家庭影院電視多媒體監(jiān)控系統(tǒng)、家庭環(huán)境安全控制管理系統(tǒng)為主要可選應(yīng)用系統(tǒng)。在制造商智慧家居應(yīng)用系統(tǒng)硬件產(chǎn)品的品牌識(shí)別方面，制造商研發(fā)生產(chǎn)的品牌智慧家居必須有屬于制造商真正必要的硬件系統(tǒng)，才能真正實(shí)現(xiàn)制造商智慧家居的主要應(yīng)用功能，真正稱得上是制造商的智慧家居。因此，智慧家居安全控制系統(tǒng)管理功能系統(tǒng)、家庭家居照明安全控制管理系統(tǒng)、家庭家居安全控制系統(tǒng)可以直接稱為家庭智慧家居。而所有可選的系統(tǒng)都不能直接稱之為智慧家居，只能用智慧家居系統(tǒng)加上一個(gè)結(jié)合具體功能的系統(tǒng)來表達(dá)這種方法，如果有可選的背景音樂系統(tǒng)，則稱為智能家居系統(tǒng)的背景音樂。把可選系統(tǒng)產(chǎn)品稱為智能家居是一種誤導(dǎo)。在識(shí)別智能家居環(huán)境時(shí)，只有安裝了所有必要的系統(tǒng)，且至少安裝了一個(gè)或多個(gè)可選系統(tǒng)，智能家居才能稱為智慧家居。

2 基于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的智慧家居特點(diǎn)

2.1 提高節(jié)點(diǎn)應(yīng)用年限

盡管現(xiàn)代智慧家具是在智能家具基礎(chǔ)上的延伸，但是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越多的壓力中國(guó)通信網(wǎng)絡(luò)、通信節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)越來越多,所有通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同的頻率,很多問題,比如現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的差異,從沒有滿足國(guó)內(nèi)需求。隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了有效地延長(zhǎng)無線節(jié)點(diǎn)日常使用的網(wǎng)絡(luò)壽命，許多專家學(xué)者正在研究利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各種智能無線路由管理算法來有效減少無線網(wǎng)絡(luò)資源消耗,提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用壽命。但實(shí)際使用這種算法處理只能在一定大的程度上有效改善網(wǎng)絡(luò)問題,從改變網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)硬件上細(xì)節(jié)入手處理才能更有效。

2.2 降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本

智慧家居有一個(gè)非常顯著的特點(diǎn)，就是系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和日常維護(hù)的前期工作量是非常大的，需要大量的時(shí)間、人力和物力的長(zhǎng)期投入，已經(jīng)成為制約家居行業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。針對(duì)這一復(fù)雜問題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就規(guī)定要充分考慮系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維護(hù)的便捷性，通過異構(gòu)物理互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)試與安裝維護(hù)，再通過無線網(wǎng)絡(luò),不僅可以使每個(gè)住戶家庭能夠輕松實(shí)現(xiàn)基于家庭廚房智能化監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制管理功能,還可以允許系統(tǒng)工程技術(shù)人員在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢查監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作運(yùn)行狀況,對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障情況進(jìn)行及時(shí)診斷。這樣,系統(tǒng)版本設(shè)置與軟件版本自動(dòng)更新工作可以在多機(jī)異地同時(shí)進(jìn)行,從而大大程度方便了系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用與系統(tǒng)維護(hù),提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度,降低了系統(tǒng)維護(hù)管理成本。

2.3 促進(jìn)智慧家居發(fā)展

在多個(gè)底層節(jié)點(diǎn)傳感器組成節(jié)點(diǎn)耗能數(shù)量相同的使用條件下,異構(gòu)型節(jié)點(diǎn)體系與單一節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相比, 同時(shí)，節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量會(huì)更多，系統(tǒng)整體能耗會(huì)增加，但單個(gè)部件節(jié)點(diǎn)的能耗也會(huì)顯著降低，主要部件節(jié)點(diǎn)的整體能耗會(huì)降低，這將直接大大提高物聯(lián)網(wǎng)的使用壽命。同時(shí)，隨著家居系統(tǒng)應(yīng)用功能的不斷增加，系統(tǒng)管理節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，數(shù)據(jù)量的不斷增加也將是未來智能家居的發(fā)展趨勢(shì)。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)的智能家居平臺(tái)能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代化的發(fā)展需求，從根本上推動(dòng)智能家居的發(fā)展趨勢(shì)。

3 智慧城市中基于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的智慧家居結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 確定結(jié)構(gòu)

基于異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)智能家居時(shí)，BSS拓?fù)溆梢粋€(gè)無線接入點(diǎn)和多個(gè)連接到它的終端組成。終端可以且只能通過無線接入點(diǎn)接入外部網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)客戶端僅限于Wi-Fi模式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中不同的終端相互通信時(shí)，數(shù)據(jù)只能通過無線接入點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，而不能像IBSS結(jié)構(gòu)中那樣直接訪問。每個(gè)BSS網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)SSID標(biāo)識(shí)。不同標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的終端之間不能互通。在BSS網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)路由器與移動(dòng)終端的距離在70米以內(nèi)，傳輸5000個(gè)包時(shí)，無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中幾乎沒有丟包率。

3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在智慧家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中，信息采集以家庭為單位。不同的家庭有不同的家用電器，所以收集的信息也不同。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)家庭的所有家電都組成了一個(gè)局域網(wǎng)。家電信息通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采集，音視頻信息通過家庭網(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)在公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。家庭局域網(wǎng)由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、樹莓PI等信息采集節(jié)點(diǎn)組成。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種支持IEEE802.11AC標(biāo)準(zhǔn)，采用OpenWRT系統(tǒng)的路由器。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)使用樹莓PI進(jìn)行信息采集時(shí)，樹莓PI通過支持802.11ac的無線網(wǎng)卡與路由器相連，也可以使用其他支持IEEE802.11ac的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)并沒有保存家電歷史信息。用戶需要訪問登錄信息、歷史電表、水表等信息，還需要通過Internet訪問公網(wǎng)服務(wù)器，服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.3 模塊設(shè)計(jì)

（1）網(wǎng)關(guān)模塊

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)通信功能，其中涵蓋智慧家居服務(wù)器、智慧家居設(shè)備以及移動(dòng)客戶端等等，完成數(shù)據(jù)的接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)送功能。詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器以及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和移動(dòng)客戶端兩個(gè)方面。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與公網(wǎng)服務(wù)器通信公網(wǎng)服務(wù)器作為智慧家居系統(tǒng)的核心組件，完成對(duì)不同用戶的家電設(shè)備信息的處理和存儲(chǔ)，為移動(dòng)用戶提供家居信息查詢和控制功能。當(dāng)智能家電的信息提交給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將消息發(fā)送到公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或移動(dòng)客戶端根據(jù)消息的來源,然后是公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或移動(dòng)客戶端反饋的消息,并將其網(wǎng)關(guān)。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中，網(wǎng)關(guān)客戶端模塊相對(duì)于服務(wù)器模塊，服務(wù)器作為服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)作為客戶端。與智能家電信息采集模塊相比，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為服務(wù)器端，家電信息采集模塊作為客戶端。使用TCP協(xié)議完成兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）邏輯模塊

在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中邏輯模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為智能家電提供服務(wù)的GatewayServer模塊采用Netty架構(gòu)完成。它負(fù)責(zé)家電信息的連接、發(fā)送和接收，使用TCP協(xié)議進(jìn)行連接。GatewayClient模塊與公網(wǎng)服務(wù)器模塊一一對(duì)應(yīng)。因此，采用非阻塞異步通信方式完成兩個(gè)模塊之間的通信，通信協(xié)議為TCP。Handler Process類負(fù)責(zé)兩個(gè)部分的功能，一個(gè)是服務(wù)器模塊和客戶端模塊的交互數(shù)據(jù)處理，包括解密、加密處理，另一個(gè)是用來處理移動(dòng)終端的請(qǐng)求和反饋。Map Termina對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來保存移動(dòng)客戶端的標(biāo)識(shí)，即IP地址。Map Server類的相應(yīng)實(shí)例負(fù)責(zé)記錄設(shè)備信息的標(biāo)識(shí)。

（3）收集模塊

樹莓PI組成的信息采集部分一般分為三個(gè)模塊:GPIO模塊、包處理模塊和客戶端模塊。GPIO模塊負(fù)責(zé)智能家電與樹莓PI之間的信息交互。處理模塊需要完成兩種不同的功能。一種是將來自家電設(shè)備的傳感器信息格式從底層格式轉(zhuǎn)換為JSON格式，然后提交給客戶端模塊。另一種方法是從網(wǎng)關(guān)解析格式，將其轉(zhuǎn)換為底層格式，并將其推送到GPIO模塊。客戶端模塊作為套接字通信的客戶端，負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)之間的信息傳輸。樹莓PI中的每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)處理線程。客戶端線程與網(wǎng)關(guān)通信，接收到的消息存儲(chǔ)在“接收隊(duì)列”上，等待發(fā)送的消息存儲(chǔ)在“發(fā)送隊(duì)列”上。處理線程從“接收隊(duì)列”中讀取待處理的項(xiàng)并將結(jié)果存儲(chǔ)在“設(shè)備發(fā)送隊(duì)列”中，或者從“設(shè)備接收隊(duì)列”中讀取項(xiàng)(如果該隊(duì)列不是空的)并將結(jié)果存儲(chǔ)在“發(fā)送隊(duì)列”中。GPIO線程從“設(shè)備發(fā)送隊(duì)列”和“設(shè)備接收隊(duì)列”讀取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器或家用設(shè)備。

（4）設(shè)備模塊

終端節(jié)點(diǎn)連接智能家電，其功能可分為兩部分。首先通過串口接收家電信息，封裝成相應(yīng)的格式，其次通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器，最后接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制信息，通過串口發(fā)送給家電。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)樹莓PI與終端節(jié)點(diǎn)之間的信息交互。Raspberry PI采用GPIO引腳與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息傳輸，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間的信息交互通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。ZigBee終端的發(fā)送模塊通過接口zb_SendDataRequest將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器中的zb_ReceiveDataIndication模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，并通過data_pack數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后通過接口HalUARTWrite傳輸?shù)綐漭甈I，由樹莓PI的GPIO模塊進(jìn)行處理。