基于互聯(lián)網(wǎng)的智能家居管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張君艷，董立勉，盧 寧，劉鶴靈，袁曉磊，高志強(qiáng)

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

基于互聯(lián)網(wǎng)的智能家居管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張君艷，董立勉，盧 寧，劉鶴靈，袁曉磊，高志強(qiáng)

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

針對(duì)傳統(tǒng)家居設(shè)備操作繁瑣的問題，設(shè)計(jì)了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的智能家居管理控制系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的總體架構(gòu)，以及WEB端設(shè)備管理模塊、通信服務(wù)器模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能設(shè)計(jì)，分析系統(tǒng)安全、短信服務(wù)、通信協(xié)議等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，認(rèn)為該系統(tǒng)可為智能小區(qū)用戶提供安全、舒適、便捷的數(shù)字化服務(wù)。

智能家居；互聯(lián)網(wǎng)；智能設(shè)備；控制系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。以下針對(duì)傳統(tǒng)家居的設(shè)備操作方面較繁瑣、不方便的缺陷[2]，設(shè)計(jì)了一種用于居民生活小區(qū)的智能家居管理控制系統(tǒng)，用戶輸入用戶名、密碼及手機(jī)驗(yàn)證碼，驗(yàn)證身份后，通過訪問互聯(lián)網(wǎng)可以隨時(shí)隨地操控家中的智能設(shè)備，為用戶提供了一種安全、舒適、便捷的生活環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能家居管理控制系統(tǒng)是一個(gè)基于WEB的設(shè)備管理平臺(tái)，主要由WEB端設(shè)備管理模塊、短信服務(wù)模塊、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及智能設(shè)備等部分組成，通過采用合理、有效的組網(wǎng)方式，對(duì)小區(qū)的智能設(shè)備進(jìn)行管理和控制。該系統(tǒng)總體架構(gòu)采用小區(qū)局域網(wǎng)連接互聯(lián)網(wǎng)的方式(見圖1)，即智能設(shè)備、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、通信服務(wù)器通過有線局域網(wǎng)組成小區(qū)局域網(wǎng)，WEB應(yīng)用服務(wù)器通過防火墻連接到互聯(lián)網(wǎng)并對(duì)用戶提供服務(wù)，從而達(dá)到小區(qū)居民通過互聯(lián)網(wǎng)能夠控制家中智能設(shè)備的目的。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意

該架構(gòu)方式適合于用戶量大且集中在某一區(qū)域范圍的情況，具有網(wǎng)絡(luò)速度快、網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)穩(wěn)定、受外界干擾小的特點(diǎn)，但是該方式存在建設(shè)成本高和對(duì)中心結(jié)點(diǎn)要求高的缺點(diǎn)。如果用戶分散且用戶量較小，可以采用系統(tǒng)直連到互聯(lián)網(wǎng)的方式部署，該方式成本較低，各節(jié)點(diǎn)之間比較獨(dú)立且無干擾，但是該方式網(wǎng)絡(luò)傳輸速度慢、傳輸信號(hào)不穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 WEB端設(shè)備管理模塊功能設(shè)計(jì)

WEB端設(shè)備管理模塊選用JAVA語言進(jìn)行開發(fā)，采用目前主流的J2EE框架，借鑒MVC(Model View Controller)模式構(gòu)建了瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的體系結(jié)構(gòu)，其中MVC設(shè)計(jì)模式見圖2。

圖2 MVC設(shè)計(jì)模式示意

系統(tǒng)采用瀏覽器訪問設(shè)備管理平臺(tái)的方式，大大降低了用戶安裝和維護(hù)系統(tǒng)的難度，為用戶提供了友好的操作管理界面，同時(shí)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可伸縮性和可擴(kuò)展性[3]。

WEB端設(shè)備管理模塊給小區(qū)用戶和管理員提供了基于WEB界面的設(shè)備管理工具，系統(tǒng)用戶通過輸入用戶名、密碼和手機(jī)驗(yàn)證碼完成身份識(shí)別后方可對(duì)具有權(quán)限的設(shè)備進(jìn)行管理和控制。WEB設(shè)備管理模塊主要包括設(shè)備控制、系統(tǒng)設(shè)置、日志管理、統(tǒng)計(jì)查詢、設(shè)備維修、設(shè)備管理、高級(jí)設(shè)置等功能，見圖3。

圖3 WEB端設(shè)備管理模塊功能示意

主要功能模塊說明如下：

a. 設(shè)備控制模塊是智能家居控制管理系統(tǒng)的核心，該功能包括家電控制和場(chǎng)景控制，用戶可以使用該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)自己家中的智能設(shè)備的開啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)等遠(yuǎn)程操作。

b. 設(shè)備維修模塊是在用戶設(shè)備故障時(shí)向物業(yè)申請(qǐng)維修的一個(gè)通道，管理員或物業(yè)維修人員收到用戶報(bào)修信息后及時(shí)對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行維修，維修完成后填寫維修記錄。設(shè)備維修界面包括查詢、添加、修改、查看、刪除維修記錄的功能。

c. 設(shè)備管理模塊是管理員對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行管理和查看的頁(yè)面，包括修改智能設(shè)備IP地址、設(shè)備密碼、系統(tǒng)時(shí)間及添加設(shè)備指令格式等功能。

2.2 通信服務(wù)器主要功能設(shè)計(jì)

采用成熟的三層體系結(jié)構(gòu)及C/S模式設(shè)計(jì)，選擇.Net技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，并且服務(wù)器支持Tomcat中間件系統(tǒng)。系統(tǒng)中通信服務(wù)器主要用于WEB端設(shè)備管理模塊與智能設(shè)備的信息交互，即通信服務(wù)器將從WEB端接收到的控制指令發(fā)送到智能設(shè)備控制器上，并將設(shè)備操作結(jié)果返回到通信服務(wù)器，通信服務(wù)器將設(shè)備最新狀態(tài)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)備的最終狀態(tài)在WEB界面中進(jìn)行展示。

系統(tǒng)中通信服務(wù)器主要由智能同步、智能控制、智能安全、智能日志、智能報(bào)警及智能識(shí)別等模塊組成。其中，智能同步模塊負(fù)責(zé)WEB端設(shè)備管理模塊與智能家居控制器之間數(shù)據(jù)的同步；智能控制模塊負(fù)責(zé)與智能設(shè)備進(jìn)行通信，包括前臺(tái)指令的發(fā)送、指令的獲取與轉(zhuǎn)發(fā)、反饋信息的呈現(xiàn)；智能日志模塊包括業(yè)務(wù)操作日志和程序異常日志兩類，其中業(yè)務(wù)操作日志是對(duì)智能設(shè)備發(fā)送的指令、兩者的同步信息過程、報(bào)警信息、控制指令的反饋等進(jìn)行日志的保存，以備數(shù)據(jù)查詢；智能安全模塊包括運(yùn)行安全、數(shù)據(jù)安全、操作安全三方面；智能報(bào)警模塊根據(jù)智能設(shè)備的報(bào)警信息向用戶手機(jī)發(fā)送短信、聲音等形式的報(bào)警；智能識(shí)別模塊是對(duì)智能設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行判斷和監(jiān)控，程序通過定時(shí)機(jī)制與智能設(shè)備進(jìn)行Socket嘗試連接，連接成功表示設(shè)備在線，連接失敗表示設(shè)備掉線，模塊獲取到的狀態(tài)及時(shí)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

由于My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)具有易操作性、易管理性等特點(diǎn)，結(jié)合智能家居管理控制系統(tǒng)在升級(jí)和可擴(kuò)展性等方面的要求，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)選用My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)安全技術(shù)

由于WEB應(yīng)用服務(wù)器架設(shè)在互聯(lián)網(wǎng)中，因此系統(tǒng)安全性尤為重要。智能家居管理控制系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)主要通過以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 用戶身份信息驗(yàn)證

系統(tǒng)采用“用戶名+密碼+手機(jī)驗(yàn)證碼”的方式對(duì)用戶身份進(jìn)行識(shí)別，用戶手機(jī)驗(yàn)證碼的接收是借助短信服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)的。在系統(tǒng)的個(gè)人信息設(shè)置中可以設(shè)置自己的密碼、用戶名、手機(jī)號(hào)碼、辦公電話、郵箱及地址等信息。如果用戶要修改個(gè)人信息需要輸入正確的手機(jī)驗(yàn)證碼方可保存，較好地保證了用戶的安全。

3.1.2 日志管理功能

系統(tǒng)設(shè)置了日志管理功能，包括用戶操作日志和用戶維護(hù)日志，對(duì)智能設(shè)備或用戶賬戶的操作將記錄到此模塊中。其中用戶操作日志是用戶對(duì)智能設(shè)備操作的記錄；用戶維護(hù)日志是除了用戶操作日志之外的日志，如修改用戶、添加用戶、添加指令等，日志管理功能，為用戶和管理員查詢?cè)O(shè)備操作記錄提供了接口，使得用戶對(duì)智能設(shè)備的遠(yuǎn)程操作更加安全。

3.1.3 統(tǒng)計(jì)查詢功能

系統(tǒng)設(shè)置了設(shè)備控制、安防報(bào)警等方面的查詢統(tǒng)計(jì)功能。其中設(shè)備控制統(tǒng)計(jì)查詢包括智能設(shè)備IP、控制指令內(nèi)容、操作結(jié)果、操作時(shí)間、指令操作人、指令返回時(shí)間及返回狀態(tài)等詳細(xì)信息的查詢；安防報(bào)警統(tǒng)計(jì)查詢包括報(bào)警時(shí)間、報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警用戶等信息。通過統(tǒng)計(jì)查詢功能的設(shè)置為用戶智能設(shè)備的操作和家庭的安全提供了保障。

3.2 集成短信服務(wù)功能

智能家居管理控制系統(tǒng)集成了短信服務(wù)的功能，在系統(tǒng)單獨(dú)的模塊中對(duì)短信服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)、用戶名、密碼等信息進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)需要發(fā)送信息或接收指令時(shí)直接調(diào)用短信服務(wù)模塊的接口即可。在智能家居管理控制系統(tǒng)中，短信服務(wù)模塊的消息發(fā)送功能包括操作智能設(shè)備的用戶身份驗(yàn)證，發(fā)送安防報(bào)警信息，向用戶發(fā)送通知公告等；短信服務(wù)模塊的消息接收功能主要是接收用戶發(fā)送的指令，如用戶通過手機(jī)編輯短信“空調(diào)，開啟”發(fā)送到短信服務(wù)模塊，該信息接收后存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過將信息按照協(xié)議轉(zhuǎn)換成智能設(shè)備可以識(shí)別的指令，該指令通過系統(tǒng)發(fā)送到智能設(shè)備上從而達(dá)到用戶操作智能設(shè)備的目的。

3.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在智能家居管理控制系統(tǒng)中用戶與智能設(shè)備的交互是通過通信服務(wù)器中通信協(xié)議的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。為保證用戶與智能設(shè)備的通信，需要在通信服務(wù)器上設(shè)置智能設(shè)備的IP地址、子網(wǎng)掩碼、監(jiān)聽端口及報(bào)警監(jiān)聽端口等參數(shù)，并將設(shè)置好的信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便服務(wù)器調(diào)用。用戶與智能設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)只有發(fā)送指令的密碼正確，命令才會(huì)被執(zhí)行, 如果密碼錯(cuò)誤，命令會(huì)執(zhí)行失敗。在通信服務(wù)器上設(shè)置定時(shí)監(jiān)測(cè)智能控制器狀態(tài)的配置，用于數(shù)據(jù)同步并將智能設(shè)備的在線狀態(tài)反饋給用戶。

4 結(jié)論

居民生活小區(qū)的智能化是一個(gè)全新的概念，與普通的住宅相比，智能小區(qū)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)[4]?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的智能家居管理控制系統(tǒng)是利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的對(duì)智能設(shè)備遠(yuǎn)程控制和管理的平臺(tái)，該系統(tǒng)適合于統(tǒng)一部署、集中管理的智能小區(qū)用戶對(duì)智能設(shè)備的管理和控制。用戶只要能夠訪問互聯(lián)網(wǎng)即可登錄到該系統(tǒng)對(duì)智能設(shè)備(空調(diào)、電視、窗戶、窗簾等)進(jìn)行操作，系統(tǒng)采用“用戶名+密碼+手機(jī)驗(yàn)證碼”方式進(jìn)行身份識(shí)別，安全性較高；此外系統(tǒng)還具有短信控制、安防短信報(bào)警、用戶操作記錄查詢等功能，可為小區(qū)居民提供安全、舒適、便捷的數(shù)字化服務(wù)。

[1] 羅思晟.論智能小區(qū)的安防系統(tǒng)[J]. 智能建筑，2009(106)：72-75.

[2] 馬 明，徐保國(guó)，鐘 強(qiáng).物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].傳感器世界，2012,18(6)：27-30.

[3] 董立勉,劉 巖,盧 寧.基于信息內(nèi)外網(wǎng)的電力技術(shù)監(jiān)督管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].河北電力技術(shù)，2012,31(3)：21-23.

[4] 張自強(qiáng).復(fù)式住宅中智能家居系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安科技大學(xué),2006.

本文責(zé)任編輯：齊勝濤

Design and Implementation of Smart Home Management Control System Based on Internet

This paper designes a kind of the Smart Home Management Control System based on internet,in view of traditional home devices operation cumbersome,introduces system structure,and function design of WEB end device management module,communication server,system database,analyzes the key technology implement of system safety,message service,communication protocol,considers that this system can provide safe,comfortable,portable digital service for intelligent community

smart home;internet；smart device;control system;system design

2013-01-31

張君艷(1985-)，女，助理工程師，主要從事電力信息化等相關(guān)工作。

TP399

B

1001-9898(2013)04-0028-03