智能家居系统的组网及移动端控制实现

高延增+邓毅华

摘 要：介绍一种智能家居系统组网及移动端控制实现技术。控制中心由嵌入式服务器构建，采用ZigBee将家居设备组成无线网络系统，然后通过本地WiFi接入的移动App提供网络服务;云服务器是整个系统的核心，负责为家居控制中心提供云服务、为移动App提供外网接入功能。试验结果表明，该系统性能稳定，达到实际需求，适合家居系统的物联网化应用。

关键词：智能家居;ZigBee;云服务器;移动应用

中图分类号：TP273                        文献标识码：A           文章编号：2095-1302（2015）01-00-03

0  引  言

物联网的目的[1，2]是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制，就像人们对智能家居设备的监控需求。伴随着物联网技术的不断发展及智能手机的普及，人们的物质生活水平不断提高，传统的家居系统安全性、易用性、舒适性差，无法满足人们需求，于是要求借助于智能手机和物联网技术实现“安全的、方便的、可视的、实时的”家居控制系统[3]。物联网大潮下的智能家居行业具有广阔的前景，就目前的发展趋势分析，预计在今后的几年全球将有近亿的家庭构建智能家居系统[4]。一个智能家居系统成功的关键在于系统的设计和配置是否经济合理并且系统能否成功运行，系统的使用、管理和维护是否方便以及系统或产品的技术是否成熟适用[5]。

在智能家居应用中，人们需要随时随地控制家居设备，这就需要一个后台随时为智能家居系统提供接入服务。而云服务融合了分布式计算、互联网技术、大规模资源管理等技术，其涵盖了数据中心管理、资源虚拟化、海量数据处理、计算机安全等重要内容[6]，非常适合为智能家居系统提供后台服务。ZigBee技术的功耗低、成本低、时延短、网络容量大、抗干扰性能好、可靠、安全等特点[7]，非常适合用于智能家居系统中家居设备与家居服务器之间的组网。鉴于智能手机的普及程度，若以设计合理的手机端应用程序作为整个智能家居系统的用户接口，将在提高用户体验的同时降低系统成本。

本文作者综合家居活动特点对家居设备进行分类，在对智能家居系统进行用例分析的基础上给出了智能家居系统的整体架构图及软件体系结构，并给出了移动接入App的实现效果。本文设计并实现了一个稳定可靠，方便管理、维护、升级的智能家居系统。

1  智能家居系统分析

1.1  家居常见设备分析

根据家居活动的特点，可将家居设备分为图 1所示的三大类：（1）生活、安防类，此类家居设备满足家庭成员的日常生活起居、防火防盗等基本需求，是必不可少的家居设备;（2）娱乐、休闲类，是主要家居设备，是家庭成员工作、学习之余在家庭中进行的主要活动，此类设备功能要求较多、接口较为复杂、控制方式要求多样;（3）工作、社交类，是家庭成员居家工作、学习、及支撑家庭社交的设备，此类设备对数据通信的速度、稳定性等要求较高。

从图 1中对家居设备的接口类型分析可知，需要通过两个步骤实现对家居设备的联网：（1）对部分家居设备的通信接口进行改造，方便其与其它家居设备的通信并实现联网;（2）需要一个控制中心将家居设备中数据业务量小的设备进行集中管理实现联网。

图1  家居设备组成框图

1.2  智能家居系统用例分析

将智能家居系统分为家庭控制中心子系统、云服务器、移动接入App三个子系统，对每个子系统进行用例分析。

（1）家庭控制中心子系统

以物联网的思想构建智能家居的家庭控制中心子系统。在局域网中，家庭控制中心充当移动接入App的服务器;在广域网中，移动App通过接入云服务器实现对家庭控制中心的访问和控制。控制中心子系统是将家居设备的采集信号、控制信号进行联网的中继，具体的用例分析如图2。

图2  家庭控制中心子系统用例

智能家居的家庭端控制中心设计为基于Arm + Linux的嵌入式系统，它的运算和存储能力都有限，因此对于大数据的存储和比较耗费计算资源的智能运算都由后台的云服务器承担。智能家居系统的用户通过移动端App接入，当处在控制中心同一子网时，直接接入家庭端控制中心，在广域网时通过云服务器监控智能家居设备。一方面，提高用户体验;另一方面，最大限度为用户节省移动上网资费。

（2）云服务器

云服务器的用例分析用例如图 3，智能家居系统中的云服务器为众多安装了智能家居系统的家庭提供服务，是所有智能家居系统的后台。云服务器为智能家居家庭控制中心提供复杂数据运算、信息识别、大数据存储等服务，为移动App提供远程监控智能家居服务等。角色划分为家庭控制中心、移动接入App。家庭控制中心负责将采集到的重要家居设备运行状态（如安防设备状态）上传给云服务器、请求服务器的云计算服务等;移动接入App负责智能家居用户与云服务器的交互，负责根据接收到的用户指令进行家居设备远程监控、历史数据查询、家庭社交等。

（3）移动接入App

移动App是用户与智能家居系统的接口，通过局域网或广域网监控智能家居设备。用例分析如图 4，每个家庭有一个管理员用户对其所在的智能家居系统普通成员进行管理。在局域网中用户直接与家庭控制中心相连，广域网中通过云服务器与家庭控制中心相连。

2  智能家居系统设计与实现

2.1  系统架构

从前面对家居常见设备的分析可知，由于通信接口多样，要将所有家居设备单独连网较困难，本文设计了一个家庭服务器作为家居设备的控制中心，负责家居设备与手机端移动App、后台云服务器连接的中继。基于云计算的智能家居数据服务中心是未来的发展方向[8]，是智能家居的数据、计算、服务中心。移动App是指工作于智能手机上的、方便用户对拥有的智能家居设备进行控制的专用软件，它使用户随时随地、直接或间接（通过云服务器）与家庭端智能家居服务器通信。

图3  云服务器用例图

图4  移动App用例图

智能家居三个子系统的架构关系如图 5所示。后台云服务器为每个使用智能家居的家庭提供一个虚拟服务，与家庭中基于Arm+Linux的服务中心相连，为家居中的防火、防盗等安防设备提供监控数据分析服务，为门禁系统的视频设备提供视频识别、情景归类等计算服务;同时为家庭用户提供实时外网接入功能。智能家居家庭服务器端通过一个专用的ZigBee协调节点与智能家居设备上的ZigBee终端节点通信，实现对它们的监控，将监控数据和复杂运算请求通过互联网传送到后台云服务器;同时它还通过WiFi为移动App提供局域网接入功能。移动App和浏览器直接面向用户，为用户提供家居设备的监控接口。

图5  智能家居系统架构图

2.2  软件体系结构设计

通过用例分析，整个智能家居软件分为4层：表现层、通讯层、本地处理层、服务层，见图6。

表现层又分家居设备表现层和移动App表现层，提供用户操作接口（包括图形界面），是用户通过网络或直接对家居设备进行控制的接口。

通讯层主要负责系统中各个子系统间的通讯，通过ZigBee连接的家居设备和家居服务器之间、家居服务器和云服务器之间、移动App和家居服务器之间、移动App和云服务器之间进行数据通信。这包括ZigBee节点间通信、WiFi本地服务、多进程管理、云服务器虚拟资源调度等。

本地处理层工作在家居服务器中，包括本地数据处理、本地运算处理两个主要功能。具备本地身份验证、家居设备指令处理、本地数据存储等功能。

云服务器层是整个智能家居系统中的核心层级，提供数据组织与管理、数据集成与管理、分布式并行处理、数据分析服务等。

图6  智能家居层级架构图

2.3  移动App应用效果

手机端App的应用效果如图 7，程序主界面由三行两列的列表视图构成。列表主界面的前两行能够左右滑动，用户可以通过左右滑动找到家居设备的控制按钮进入对应的控制界面。最下面一行是设置按钮和退出按钮，用户可以通过设置按钮进入网络参数、用户参数、以及家居服务器属性参数设置的选择界面然后进入相应的设置界面。整个用户界面较为简洁，操作方便。

图7  移动App主界面效果图

3  结  语

本文以云服务和物联网的思想为指导设计了智能家居系统，实现了家居设备的本地和远程控制。由家居服务器、云服务器、手机移动App三部分组成的智能家居系统可以方便地实现系统扩展及增值服务，例如可以在云服务器上扩展以家庭为单位的社交服务，方便邻里及亲属之间的互动，有利于和谐社会的构建。进一步研究的重点为：（1）整合家居中已有的智能设备、降低智能家居系统的应用成本;（2）进一步完善云服务器功能，增加用户粘度 。

参考文献

[1] Darianian M， Michael M P. Smart Home Mobile RFID-Based Internet-of-Things Systems and Services[C]. Advanced Computer Theory and Engineering， 2008. ICACTE '08. International Conference on， 2008： 116-120.

[2] Atzori L， Iera A， Morabito G. The Internet of Things： A survey[J]. Computer Networks， 2010， 54（15）： 2787-2805.

[3]高小平. 中国智能家居的现状及发展趋势[J]. 低压电器， 2005（4）： 18-21.

[4]邵鹏飞， 王喆， 张宝儒. 面向移动互联网的智能家居系统研究[J]. 计算机测量与控制， 2012（2）： 474-476，479.

[5] De Silva L C， Morikawa C， Petra I M. State of the art of smart homes[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence， 2012， 25（7）： 1313-1321.

[6]罗军舟， 金嘉晖， 宋爱波.云计算：体系架构与关键技术[J]. 通信学报， 2011 （7）： 3-21.

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[8]刘正伟， 文中领， 张海涛. 云计算和云数据管理技术[J]. 计算机研究与发展， 2012 （S1）： 26-31.