基于广电的物联网智能家居平台设计与应用

◎陕西广电网络传媒股份有限公司 王 钰，杨 韬

物联网，顾名思义，就是物物相连的互联网。其有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信。因此，物联网是指运用传感器、射频识别（RFID）、智能嵌入式等技术，使信息传感设备感知任何需要的信息，按照约定的协议，通过可能的网络（如基于WiFi的无线局域网、2G/3G等）接入方式，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换通信，在进行物与物、物与人泛在链接的基础上，实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、控制和管理。

随着家居智能化的快速兴起，现代家居中的监测、对讲、安防、管理及控制等更多的功能被集成应用，从而使得可视对讲、家庭安防到家居的灯光、电器的智能控制等子系统越来越多，线路日趋复杂。在满足功能需求不断增长的同时，提高了系统的集成度，进一步提升系统的性价比，使安装及维护工作更为简单化，并能保证很好的灵活性，是现代家居智能化的发展趋势。

对于广电网络来说，其入户网络在建筑建成时就已布置入户，机顶盒也已成为每家每户必备的设备。此外，广电网络不仅拥有极高带宽的下行线路，可用于高质量视频信息的传输，同时也部署了数据上行线路，可以用于普通数据的上传或者下载。广电网路凭借其得天独厚的优势，在无需重新布线和特殊设备改造的前提下，便可通过已有的机顶盒、手机等终端设备实现对室内各种传感器数据的收集以及对不同智能家居设备状态的管理和控制。因此，广电系统无疑是承载智能家居综合控制和管理的最佳载体，并且能够为将来的三网融合及与物联网的接入提供更加丰富的应用，极大地推动了感知中国、智慧城市的建设。

基于此，陕西广电网络联合清华物联网实验室共同研发搭建了基于广电的物联网智能家居平台。该平台以家庭网关为家庭中心结合各类传感器，利用云计算、数据分析等技术实现了物联网应用的远程部署、升级、管控，同时为用户提供了机顶盒、手机、PC等多种终端的访问使用途径。

系统设计

1 设计思路

通过广电已建成的双向网络，在广电服务器机房搭建一个以智能家居平台后台管理系统为中心，家电智能控制、家庭网络、家庭能源智能计量等物联网应用子系统并行的平台系统，利用物联网家庭网关作为家庭接入终端，实现机顶盒、手机、PC等其他终端的物联网智能家居的管控，不但保持了原有广电业务，还可以扩展物联网智能家居业务，并可以根据不同的用户需求完成物联网智能家居业务系统的升级、维护。

其中，作为广电运营商主要建设、运营的智能家居后台管理系统，可同时完成与第三方物联网服务提供商相应的服务子系统的对接工作，从而实现整个智能家居平台系统的建设、运营。

2 平台架构

结合广电实际情况，陕西广电网络物联网智能家居平台系统逻辑架构分为五层（见图1）:

感知层：感知层主要完成信息的收集与简单处理，该层由传统的WSN、RFID和执行器组成。

接入层：接入层主要完成各类设备的网络接入。该层重点强调各类接入方式，用户家庭内部以物联网家庭网关为家庭接入终端，以机顶盒、平板电脑、手机或者智能主控机作为家庭控制中心通过ZigBee、红外等无线技术与感知层设备交互，将信息数据通过网络层传输给支撑层。

网络层：网络层为原有已建成的高清双向网络，主要完成信息的远距离传输等功能。

支持层：支持层又称中间件,或者业务层，对下需要对网络资源进行认知,进而达到自适应传输的目的。本层主要完成信息数据的表达与处理，最终达到语义互操作和信息共享的目的。对上提供统一的接口与虚拟化支撑，虚拟化主要包括计算虚拟化及存储虚拟化等内容。

应用层：应用层主要完成服务发现和服务呈现的工作，即主要的物联网服务提供层。

图1 物联网智能家居平台系统架构图

关键技术分析

1 感知层

智能家居旨在构建智能、舒适、安全的家居体验。作为物联网智能家居平台的基础模块，感知层为整套系统提供了最低层的数据支持。感知层通过环境感知、位置感知、RFID感知、控制感知和体感感知五大子模块，采用异构的感知设备获取智能家居中的环境信息、用户信息等数据，并将数据上传支持层，以支撑高层的数据分享、管理和控制等功能。

由于感知层主要利用原有传感器进行数据采集，因此，对于不同的数据源应采取不同的通信协议从而提高系统的整体性能。例如，针对室内环境感知主要依赖于智能家居内部署的大量无线传感器节点，这些节点能够采集到各项室内环境指标的实时信息，数据量较小，如使用ZigBee通信协议进行数据传输，则可在保证传输质量的同时降低功耗；而对于视频监控这类视频数据量大且实时性要求高的数据则需要通过WiFi技术进行数据传输。

2 接入层和网络层

物联网智能家居平台的接入层负责智能家居中家庭网关与各用户终端（机顶盒、手机、PC等）、智能家居感知设备和智能家居的数据传输。家庭内各组件和终端之间的通信协议根据设备不同而不同，包括ZigBee协议、WiFi协议和红外协议。通过物联网家庭网关完成协议转换，接收所有智能家居设备数据。

网络层负责物联网智能家居平台与数据中心、第三方的通信。物联网智能家居平台在家庭以物联网家庭网关为中心，通过已建成的广电双向网络，实现家庭设备与数据中心的互联；用户终端通过家庭网关连入广电双向网络，与数据中心进行数据交互，并经由数据中心发送指令到需要的控制终端，从而间接地实现用户终端与智能家居间的数据交互。

1）无线自组织传感网

部署在智能家居中的无线传感器节点配备有ZigBee通信模块，可以通过ZigBee协议相互传输数据。这些节点具有自组网的功能，可自动构成无线传感网。当周期性地获取到环境采样数据之后，这些节点经过单跳或多跳，将获取到的数据传输到所部署的Sink节点上。Sink节点通过家庭网关进行数据汇集，利用广电网络的上行线路将数据传输到广电系统的数据中心，进行记录备份。

2）协议转换

由于设备的异构性，平台系统中使用多种协议进行通信。其中，作为物联网家庭网关的扩展设备，Sink节点通过USB连接到家庭网关；Kinect体感设备通过USB连接到Sink节点；视频感知设备通过WiFi连接到Sink节点；环境感知设备通过ZigBee连接到Sink节点；对家电的控制使用红外进行。

针对传输协议的多样性，陕广智能家居系统主要可实现以下协议的转换：第一种是ZigBee与红外线转换。该转换由ZigBee红外转换器实现。转换器接收ZigBee数据，根据数据的编码信息，将信息转换为相应的红外信号，用于控制电视、空调等家用电器，见图2。

图2 ZigBee—红外线转换示意图

图3 ZigBee—WiFi转换示意图

第二种转换为ZigBee-WiFi转换。该转换由Sink节点实现。Sink节点接收移动设备通过WiFi传送控制信号后再将这些信号转换为ZigBee信号发送至受控设备。同时，Sink节点也接收来自感知设备的ZigBee信号，将其中的感知数据上传至广电网络数据中心，见图3。

3）服务质量（QoS）

在陕西广电物联网智能家居平台系统中，数据随着应用的不同有着很大的差别。例如，传感器收集到的数据尺寸往往比较小，且数据产生的频率并不高。而摄像头采集到的视频数据尺寸则比较大，且数据产生的频率非常高。针对不同数据的不同特点，必须采取合适的策略，以保证数据准确无误地传输。

视频数据具有体积大、流量高、实时性高的特点。传感器数据则与之相反，具有体积小、流量低、实时性低的特点。为了实现各项数据高效正确的传输，本项目采取以下措施来优化数据的传输方式：

在大数据传输时加入间隔，小数据设备监听传输信道，如果信道上无数据传输，则利用此间隔传输；

对小数据打包，使它们大小达到一定尺寸后再发送，提高带宽利用率。

3 支持层

1）数据中心

数据中心是平台系统中最为关键的技术之一，最大的特点是数据成流状形式。流数据是一组顺序、大量、快速、连续到达的数据序列，一般情况下,数据流可被视为一个随时间延续而无限增长的动态数据集合。流数据具有4个特点：（1）数据实时到达；（2）数据到达次序独立，不受应用系统所控制；（3）数据规模宏大且不能预知其最大值；（4）数据一经处理，除非特意保存，否则不能被再次取出处理，或者再次提取数据时将付出昂贵的代价。

2）数据架构

数据库集群：用多台PC Server组成一个存储节点阵列，通过MySQL自身的Replication或者应用自身的处理，可以很好地保证容错（允许部分节点失效），保证应用的健壮性和可靠性。在集群环境中，开启MySQL数据库服务器的master-slave模式，利用数据库服务器在主从服务器间进行同步，应用只把数据写到主服务器，而读数据时则根据负载选择一台从服务器或者主服务器来读取，将数据按不同策略划分到不同的服务器（组）上，以分散数据库压力。

服务器集群与负载均衡：服务器群集中每个服务结点运行一个所需服务器程序的独立拷贝，而网络负载均衡则将工作负载在这些主机间进行分配。负载均衡建立在现有网络结构之上，其提供了一种廉价有效的方法扩展服务器带宽和增加吞吐量，以加强网络数据处理能力，提高网络的灵活性和可用性。其主要完成以下任务：解决网络拥塞问题，服务就近提供，实现地理位置无关性；为用户提供更好的访问质量；提高服务器响应速度；提高服务器及其他资源的利用效率；避免了网络关键部位出现单点失效。

缓存集群：使用缓存能有效应对大负载，减少数据库的压力，并显著提高多层应用程序的性能，如果某个用户多次请求同一资源，则可以从缓存返回该资源，从而避免了重新从服务器或数据库请求该资源而产生的系统开销。缓存可以通过减少获取请求资源所需的时间，提高应用程序性能。缓存还可以通过减少到服务器的往返次数，降低网络通信量。

图4 数据中心数据架构图

4 应用层

物联网智能家居平台可为用户带来智能化、人性化、可视化的家居体验，为用户提供便捷舒适的生活。整个平台提供了多样化的用户终端，配合感知层感知获得的数据，用户随时随地可以掌握智能家居内的各项指标数据，并且对智能家居进行管理和控制。

该层主要利用支持层数据接口，对接第三方应用从而结合相应传感器，以实现第三方物联网应用的引入。例如，位置服务（ILocationService）接口提供了某个设备在一段时间内的位置跟踪，内部只包含一个方法：

ListfindPositions(Long devi⁃ceId,Long startTime,Long endTime)

返回值为设备的位置信息，位置信息包括四个属性：Longtitude经度；Latitude 纬度；Altitude高度；limestamp（时间戳）。

基于广电的物联网智能家居平台可实现功能见表1。

功能实现

1 室内环境检测

通过在室内关键位置，例如厨房、客厅、卧室和卫生间等，分别布置各种相关的传感器，包括一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、湿度传感器、温度传感器、光照传感器和粉尘颗粒传感器等等，用于实时地收集和检测室内各个部位的环境情况，并将数据传输给后台，用于在前端设备实时显示和数据分析。用户也可以向数据中心请求查看历史数据。

2 数据收集及保存

从各式传感器、智能家居设备中记录下来的数据和摄像头记录下来的视频数据均通过ZigBee首先传输给物联网家庭网关，然后再由物联网网关通过广电网络上传到后台数据中心保存。

3 智能用户控制

将各个智能家居设备通过ZigBee与物联网网关进行无线连接，对于智能家居的控制，可分为以下3种模式：

1）用户在室内时，可以通过机顶盒、手机等终端发送控制命令给物联网网关或者通过移动控制主控机将命令发送给物联网网关，物联网网关再对命令进行解析，发送给相应的智能家居设备，进行相应的控制。

2）用户在室外时，可以通过移动终端连接Internet访问广电系统后台服务器来发送控制命令，服务器再将命令发送到相应物联网网关，最后物联网网关发送该控制命令到具体的智能设备进行相应控制。

表1 基于广电的物联网智能家居平台可实现功能

图5 平台接入终端系统展示

4 智能感知控制

在平台系统中，该平台通过环境监测、用户位置识别、用户指令识别等方式，获取智能家居中的各项环境指标以及用户的需求情况，通过智能化计算，并且配合用户的预设需求，智能家居就可智能地提供给用户最需要的服务。

5 智能安防系统

通过在智能家居内设置摄像头、红外探测等方式，实时监测室内异常、非法物体进入，以实现智能家居内的安全防护功能。同时，可根据用户当前活动状态和位置，自动转换智能家居当前的安防等级，且可兼顾安全性、节能性和智能性。

6 智能健康服务平台

通过智能家居的感知能力，获取用户及其周边环境的信息，创建用户电子健康档案，通过医疗机构的统计和分析，为用户提供量身定制的疾病预防、发现、监测、治疗等一系列远程健康服务。

应用与发展

物联网并非新技术，而是将现有的传感技术、计算机网络技术、通信技术以及自动控制技术等进行高度融合。因此，如何利用已有设备，构建符合广电产业需求的实验环境将是物联网实验室平台建设的关键。

基于广电的物联网智能家居平台系统合理地利用了广电的自身优势，对下可接入多种行业终端，对上则可支持多种行业应用，把各种垂直的物联网应用整合成一个扁平的应用网络体系，建立了一套适合广电的物联网应用模式：在用户家庭通过物联网家庭网关完成组网，利用广电的双向网络实现物联网智能家居平台的远程升级、管控。例如，当用户想要添加物联网智能安防系统时，对于广电，首先应对接第三方专业智能安防服务公司，完成接口对接以确保平台支持智能安防业务；对于用户，只需要购买所需的监控摄像头或者红外探测仪，即可在广电开通智能安防业务体验服务（传感器设备也可根据广电业务打包向用户赠送等）。通过以上方式，可以降低成本，快速地部署广电物联网智能家居业务，从而扩展服务范围，加速广电与物联网产业的融合。

小结

对广电而言，家庭物联网是一个不可放弃也不能放弃的领地。广电网络运营商应利用物联网产业与广电网络的结合点，抓住机遇、明确方向、突出重点，以物联网基础传输平台建设和三网融合建设为基础，推进物联网应用的技术发展，全方位拓展广电物联网业务，从而有效带动相关产业的全面发展。