基于云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的智能家居系統(tǒng)

盛軍，范銘平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的智能家居系統(tǒng)

盛軍，范銘
平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

摘要：智能家居可以通過(guò)監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境和控制家電最大限度地減少用戶干預(yù)。本文介紹了一種基于Web服務(wù)和云計(jì)算整合物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的智能家居系統(tǒng)。該方法的重點(diǎn)是：（1）使用智能嵌入到Arduino平臺(tái)的傳感器和動(dòng)作裝置;（2）采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù);（3）使用云服務(wù)與物件進(jìn)行交互;（4）改進(jìn)使用JSON格式數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換效率。此外，我們用三個(gè)實(shí)例來(lái)證明該方法的可行性和有效性，即檢測(cè)家中環(huán)境，監(jiān)控家電和控制門禁。

關(guān)鍵詞：智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；Arduino的；Zigbee的；JSON

1、介紹

智能家居（SH）為檢測(cè)用戶家中環(huán)境（例如，濕度，溫度，光度等）提供了方便，可在最少的用戶干預(yù)下操縱并監(jiān)控家用HVAC（供暖，通風(fēng)和空調(diào)）裝置[1，2]。以這種方式，通過(guò)前級(jí)傳感器收集數(shù)據(jù)，中間級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后在后級(jí)模塊來(lái)完成行為識(shí)別。

本文提出了一種方案，以方便實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)。第二部分介紹了我們通過(guò)選擇案例設(shè)計(jì)，采用集成物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的方法，第三節(jié)詳細(xì)介紹了技術(shù)方案，第四部分提出了三種用途，第五節(jié)得出結(jié)論。

2、系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)必須能夠達(dá)到檢測(cè)家中狀況，處理儀表數(shù)據(jù)，并監(jiān)測(cè)電器的要求。我們利用微控制器驅(qū)動(dòng)的傳感器，檢測(cè)家中狀況，使用微控制器驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作裝置來(lái)監(jiān)視家用電器。使用PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）[3，4]和SaaS（軟件即服務(wù)）[5]的云計(jì)算在后端處理數(shù)據(jù)[6]。

圖1　智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1說(shuō)明了系統(tǒng)架構(gòu)的智能家居。它包括以下主要組件：

微控制器驅(qū)動(dòng)的傳感器：檢測(cè)家中狀況;微控制器解釋并處理儀表數(shù)據(jù)。

微控制器驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作裝置：由微控制器接收并執(zhí)行某些操作轉(zhuǎn)移命令。該命令是基于微控制器和云服務(wù)之間的交互發(fā)出的。

數(shù)據(jù)庫(kù)/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：從微控制器功能的傳感器和云服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和可視化存儲(chǔ)，并作為命令隊(duì)列發(fā)送到動(dòng)作裝置。

后端和前端間的服務(wù)器/API層：便于處理從傳感器接收的數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

Web應(yīng)用程序作為云服務(wù)：測(cè)量并可視化傳感器數(shù)據(jù)，并使用移動(dòng)設(shè)備控制設(shè)備。

3、方案設(shè)計(jì)

采用了以下一些技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)包括Arduino微控制器，ZigBee通信協(xié)議，JSON用于數(shù)據(jù)交換，Google App Engine用于云計(jì)算。以下分別介紹每一項(xiàng)技術(shù)。

A.使用Arduino進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)編程

本設(shè)計(jì)采用Arduino平臺(tái)做原型，并通過(guò)Arduino UNO作為微控制器電路板，使用通信技術(shù)，如RFID和ZigBee，對(duì)各種類型的傳感器/動(dòng)作裝置進(jìn)行編程。

B.采用ZigBee使智能家居網(wǎng)絡(luò)化[7]

在家庭中部署Arduino嵌入式設(shè)備需要彼此通信以交換傳感器數(shù)據(jù)，觸發(fā)器，狀態(tài)消息等。本設(shè)計(jì)的ZigBee聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，包括兩種Arduino的UNO微控制器板，第一板作為中心接收器連接到所有動(dòng)作裝置，并通過(guò)以太網(wǎng)連接而連接到在Internet上的數(shù)據(jù)庫(kù)。第二板是中央發(fā)射機(jī)，連接到系統(tǒng)中的所有的傳感器，通過(guò)ZigBee技術(shù)在ZigBee的傳感器/動(dòng)作裝置和中央Arduino板之間通信。

C.使用JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

為了與云端進(jìn)行通信，智能家居需要訪問(wèn)因特網(wǎng)。我們使用多個(gè)傳感器，用于測(cè)量家中環(huán)境，傳感器讀數(shù)周期性地發(fā)送到中央服務(wù)器。同時(shí)，動(dòng)作裝置節(jié)點(diǎn)接收中央服務(wù)器的命令來(lái)控制家電。為了減少傳輸負(fù)荷和帶寬的使用，使用JSON技術(shù)[8]。本設(shè)計(jì)需要4個(gè)Arduino UNO，每一個(gè)被分配1-4的編號(hào)，從中心發(fā)射機(jī)板通過(guò)ZigBee發(fā)送到中央接收器板,中央接收器板通過(guò)以太網(wǎng)連接到因特網(wǎng)和云端。

D.Web應(yīng)用程序與云計(jì)算

Web應(yīng)用程序被分類為兩個(gè)主要部分：前端和后端。前端作為Web客戶機(jī)與用戶進(jìn)行交互，后端為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)邏輯處理或存儲(chǔ)服務(wù)提供計(jì)算服務(wù)。使用HTML5技術(shù)，采用jQuery Mobile開(kāi)發(fā)web應(yīng)用程序界面。此外，使用Ajax創(chuàng)建異步Web應(yīng)用程序。后端服務(wù)，包括測(cè)量家里條件，監(jiān)控家電和控制門禁等。還可使用在云端托管的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)象和消息隊(duì)列服務(wù)。

4.用例分析

本節(jié)介紹的功能，包括測(cè)量家庭環(huán)境，管理設(shè)備，以及門禁控制。

A.測(cè)量家庭環(huán)境

這個(gè)用例使用云服務(wù)用于測(cè)量家庭環(huán)境，測(cè)量服務(wù)允許用戶存儲(chǔ)并看到環(huán)境數(shù)據(jù)，可在任何地方任何時(shí)間進(jìn)行查看，使用以下傳感器模塊：

近程和環(huán)境光傳感器VCNL4000。它能記錄在特定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境光總量，也記錄給定對(duì)象的接近情況。

溫濕度傳感器DHT22[9]是一個(gè)低成本的數(shù)字溫度和濕度傳感器。它采用電容式濕度傳感器和熱敏電阻測(cè)量周圍的空氣，并在數(shù)據(jù)引腳上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)（不需要模擬輸入引腳）。

B.管理家用電器

該用例借助谷歌的云服務(wù)管理家用電器。用戶可控制與家電關(guān)聯(lián)的智能動(dòng)作裝置，如閥和開(kāi)關(guān)，可執(zhí)行諸如打開(kāi)或關(guān)閉或在運(yùn)行中進(jìn)行調(diào)整的操作。并可執(zhí)行不同功能，如開(kāi)/關(guān)閥的百分比控制，流速控制，緊急停機(jī)（ESD）等操作。

C.門禁控制

我們使用125kHz的RFID標(biāo)簽和ID-12的RFID讀取器[10]控制門禁。閱讀器含一個(gè)12厘米以上讀取范圍的內(nèi)置天線，用戶都會(huì)有張唯一ID的RFID卡。離開(kāi)或進(jìn)入房子時(shí)，用戶在門旁的RFID閱讀器掃描RFID卡，掃描的ID從讀取器通過(guò)串行協(xié)議發(fā)送到關(guān)聯(lián)的Arduino板，Arduino板將ID通過(guò)控制服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的授權(quán)標(biāo)識(shí)進(jìn)行比較。

5.結(jié)論

本文探討了整合物聯(lián)網(wǎng)的Web服務(wù)和云計(jì)算的智能家居的概念。設(shè)計(jì)包括使用Arduino平臺(tái)的嵌入式智能傳感器和動(dòng)作裝置，使用Zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備，使用云服務(wù)在不同的地點(diǎn)都能與智能電器互動(dòng)，同時(shí)采用JSON改進(jìn)數(shù)據(jù)交換效率。該方法經(jīng)驗(yàn)證已成功用于測(cè)量家庭環(huán)境，監(jiān)控家用電器和控制門禁，有較大的使用價(jià)值和應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]李勇.基于上下文感知計(jì)算的智能家居系統(tǒng)研究[D].重慶大學(xué).2008

[2]梁明，李學(xué)瑞，石永華.中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司.智能家居能耗管理的研究進(jìn)展[J].日用電器.2012(12)

[3]劉禮建，張廣明.南京工業(yè)大學(xué).基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的智能家居管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展.2011(12)

[4]M.R.Alam,et al,"SPEED:An Inhabitant Activity Prediction Algorithm for Smart Homes,”IEEE Trans.on Systems,Man and Cy?bernetics,vol.42,pp.985–990,2012.

[5]劉浩.智能家居中基于用戶行為的服務(wù)算法研究[D].湖南大學(xué).2013

[6]岳敬華.基于云服務(wù)的智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué).2014

[7]呂君可.浙江師范大學(xué).ZigBee家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量與傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用.2013(03)

[8]管健.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué).基于XML和本體的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù).2012(04)

[9]"DHT22 temperature-humidity sensor,"http://www.Adafruit.com/products/385,accessedon4/19/2013.

[10]"RFID ReaderID-12,"https://www.Sparkfun.com/data-sheets/Sensors/ID-12-Datasheet.pdf.

盛軍（1977-），男，漢族，河南省鄧州市人，碩士學(xué)歷，講師，單位：平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：機(jī)電一體化；

范銘（1985-），男，漢族，河南省平頂山市人，本科學(xué)歷，助教，單位：平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：電子技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：