基于B/S架構(gòu)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡應(yīng)坤++湯才++趙文龍++全頌華

文章編號(hào)：2095-6835（2017）04-0118-02

摘 要：鑒于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟以及人們對(duì)智能家居的需求，詳細(xì)、深入地介紹了一套基于B/S架構(gòu)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，展開(kāi)分析控制系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)、軟件部分，給出了家居網(wǎng)關(guān)、家居通信的具體設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的相關(guān)辦法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；控制系統(tǒng)；B/S架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.04.118

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們生活水平和知識(shí)層次的不斷提高，人們將越來(lái)越多的注意力放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性上，因此，也就有了家居智能化的需求。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)等高科技越來(lái)越多地融入到了傳統(tǒng)的家居電器設(shè)備之中，促成了智能家居系統(tǒng)的出現(xiàn)。當(dāng)下，享受智能化家居生活已經(jīng)成為可能，并成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，它的實(shí)現(xiàn)讓我們向“萬(wàn)物互聯(lián)”這一目標(biāo)邁進(jìn)了一步。從物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)層次的角度將智能家居系統(tǒng)分為4個(gè)層次，即感知層、傳輸層、智能層和應(yīng)用層。

1.1 感知層

通過(guò)感知層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的感知，獲取相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)，主要包括光線傳感器，溫濕度傳感器，與安防有關(guān)的門磁感應(yīng)器、紅外感應(yīng)器，與安全有關(guān)的煤氣傳感器、火焰感應(yīng)器等?？刂葡嚓P(guān)終端的設(shè)備包括攝像頭、窗簾、電燈等。這些感知終端有搭乘ZigBee通信模塊的，也有通過(guò)藍(lán)牙或Wi-Fi控制的。

1.2 傳輸層

傳輸層負(fù)責(zé)感知終端節(jié)點(diǎn)的信息和控制信息的傳輸，針對(duì)不同通信協(xié)議的終端結(jié)點(diǎn)，可運(yùn)用相應(yīng)的組網(wǎng)技術(shù)將感知到的信息匯集到家庭網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)礁h(yuǎn)的地方——將大量的設(shè)備數(shù)據(jù)交給智能層處理。

1.3 智能層（服務(wù)管理層）

智能層主要是將智能家居感知層的終結(jié)點(diǎn)通過(guò)家居網(wǎng)關(guān)（傳輸層）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)匯集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等智能處理，并為應(yīng)用層提供物理世界所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。

1.4 應(yīng)用層（終端控制層）

智能家居的終端控制采用基于Cordova的跨平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制實(shí)現(xiàn)，一次開(kāi)發(fā)，處處運(yùn)行，無(wú)需再因?yàn)榭刂平K端的平臺(tái)差異重新開(kāi)發(fā)。任何配備Web瀏覽器的終端設(shè)備都能對(duì)家庭里的智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)“無(wú)差異”的控制。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

智能家居控制系統(tǒng)總體架構(gòu)采用B/S架構(gòu)，終端應(yīng)用采用Cordova開(kāi)發(fā)，以屏蔽操作系統(tǒng)的差異性，實(shí)現(xiàn)智能終端應(yīng)用的跨平臺(tái)。家居服務(wù)器是基于JavaWeb開(kāi)發(fā)的，運(yùn)用成熟的MVC框架，采用迭代式基于組件的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)前端基于HTML5開(kāi)發(fā)響應(yīng)式的Web頁(yè)面，以適應(yīng)PC/Mobile phone等不同平臺(tái)的瀏覽器。家居網(wǎng)關(guān)在ARM開(kāi)發(fā)板上燒寫(xiě)Ubuntu系統(tǒng)，采用移植性較好的Qt進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

2.1 Cordova移動(dòng)終端跨平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

目前國(guó)內(nèi)外有很多實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)的中間件。其中Cordova出現(xiàn)得較早，基于HTML、CSS和JavaScript創(chuàng)建的跨平臺(tái)移動(dòng)應(yīng)用的快速開(kāi)發(fā)方法也比較成熟。當(dāng)前支持的平臺(tái)包括iOS、Android、BlackBerry、WebOS、Windows Phone、Ubuntu等。

Cordova實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)是通過(guò)繼承和擴(kuò)展WebView類以屏蔽底層硬件的差異?；贑ordovaPlugins庫(kù)，就可以用網(wǎng)頁(yè)腳本語(yǔ)言JavaScript與移動(dòng)平臺(tái)的系統(tǒng)建立本地連接，調(diào)用終端系統(tǒng)的Native API。通過(guò)Cordova開(kāi)發(fā)的WebApp，不再依賴智能終端的操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)一套代碼在多個(gè)平臺(tái)的運(yùn)行，并且達(dá)到APP在各移動(dòng)平臺(tái)之間差異比較小的目的。

2.2 服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)智能終端或PC瀏覽器在訪問(wèn)智能家居控制系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際上是與家居服務(wù)器進(jìn)行交互。服務(wù)器處理了客戶端用戶的請(qǐng)求后再轉(zhuǎn)發(fā)給家庭網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而控制終端設(shè)備的節(jié)點(diǎn)。從感應(yīng)器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳給服務(wù)器，服務(wù)器先匯總、處理這些數(shù)據(jù)，再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將處理的結(jié)果顯示在終端，將信息反饋給用戶。所以，家居服務(wù)器才是智能家居體現(xiàn)“智能化”的關(guān)鍵，是整個(gè)家居控制系統(tǒng)的“大腦”。

智能家居服務(wù)器從功能上分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和Web服務(wù)兩部分。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分采用MySQL存儲(chǔ)用戶信息和家居終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以及對(duì)用戶操作日志的存儲(chǔ)。Apache+Tomcat作為智能家居的Web服務(wù)器，完成整個(gè)服務(wù)需要4個(gè)模塊，即命令解析模塊、邏輯處理模塊、指令轉(zhuǎn)發(fā)模塊和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊。

3 家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

智能家居網(wǎng)關(guān)搭乘ARM cortex-A9的Tiny4412開(kāi)發(fā)板，采用移植性比較好的Qt進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，軟件運(yùn)行在Ubuntu上。它在整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)中起到控制指令，監(jiān)聽(tīng)、接收，并分發(fā)到各終端結(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)作用。家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 家居網(wǎng)關(guān)功能視圖

實(shí)際上，家居網(wǎng)關(guān)在實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)扮演了Socket服務(wù)器端和客戶端的角色。對(duì)于家居服務(wù)器來(lái)說(shuō)，它是Socket Server端，

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*[基金項(xiàng)目]“廣東省一流高職院校建設(shè)計(jì)劃”成果

監(jiān)聽(tīng)并讀取來(lái)自家居服務(wù)器的指令。獲取指令后再作為Socket Client，將指令根據(jù)終端結(jié)點(diǎn)通信協(xié)議選擇是通過(guò)Zig-Bee通信模塊、Wi-Fi通信模塊，還是Bluetooth，最終分發(fā)到終端設(shè)備的協(xié)調(diào)器。

4 智能家居的通信設(shè)計(jì)

家居服務(wù)器與家居網(wǎng)關(guān)之間是通過(guò)Socket通訊的。Socket是網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設(shè)計(jì)模式中，Socket其實(shí)是一個(gè)外觀模式，這種模式用于將一組復(fù)雜的類包裝到一個(gè)簡(jiǎn)單的外部接口中。它將復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面。對(duì)于需要可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，比如控制指令和請(qǐng)求數(shù)據(jù)，可通過(guò)Socket TCP傳輸。對(duì)于可靠性要求不高，但對(duì)傳輸效率要求高的，比如視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可通過(guò)Socket UDP傳輸。家居網(wǎng)關(guān)與終端結(jié)點(diǎn)之間傳輸協(xié)議如表1所示。

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，發(fā)送幀和接收幀統(tǒng)一為定長(zhǎng)，都是9個(gè)字節(jié)。傳輸類型主要有3種，即節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)（JOIN）、請(qǐng)求傳感器（REQUEST）、控制相應(yīng)控制器（CONTROL）。

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送JOIN幀，協(xié)調(diào)器將JOIN幀發(fā)送到家居網(wǎng)關(guān)，再傳輸?shù)椒?wù)器。

當(dāng)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)向協(xié)調(diào)器發(fā)出REQUEST幀后，協(xié)調(diào)器將REQUEST幀發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)讀取傳感器數(shù)據(jù)，向協(xié)調(diào)器發(fā)送REPLY幀，協(xié)調(diào)器將REPLY幀發(fā)送到服務(wù)器作處理。當(dāng)服務(wù)器向協(xié)調(diào)器發(fā)出CONTROL幀，協(xié)調(diào)器將CONTROL幀發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制動(dòng)作，向協(xié)調(diào)器發(fā)送ACK幀，協(xié)調(diào)器將ACK幀發(fā)送到服務(wù)器，并反饋給用戶。幀類型說(shuō)明如表2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，在相關(guān)技術(shù)高速發(fā)展和人們對(duì)家居系統(tǒng)不斷提出更高要求的背景下，智能家居必將成為未來(lái)住宅的發(fā)展趨勢(shì)，走進(jìn)普通居民的生活中，進(jìn)一步提高居民的家居生活品質(zhì)和品味。這套智能家居控制系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，有效降低了開(kāi)發(fā)成本，提高了開(kāi)發(fā)效率，并且通過(guò)模擬實(shí)物制作和調(diào)試，能實(shí)現(xiàn)智能家居的功能，達(dá)到預(yù)期的效果。如果將其應(yīng)用到實(shí)際家庭生活中，能充分展示這些功能并應(yīng)用，這對(duì)日后智能家居控制系統(tǒng)的研發(fā)有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕