基于ZigBee、WiFi和云服務(wù)器集群的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

王易川 李文鈞

摘 要：為了實現(xiàn)家居生活環(huán)境的智能、舒適與便利，并針對目前智能家居可擴展性差、遠(yuǎn)程監(jiān)控能力弱和大數(shù)據(jù)量高并發(fā)等問題，文中設(shè)計了一款基于ZigBee、WiFi和云服務(wù)器集群的適用于多終端遠(yuǎn)程監(jiān)控且能應(yīng)對大數(shù)據(jù)量高并發(fā)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由云服務(wù)層、通信網(wǎng)絡(luò)層、終端傳感網(wǎng)層構(gòu)成。終端傳感網(wǎng)層解決了可擴展性問題；云服務(wù)層解決了遠(yuǎn)程監(jiān)控和大數(shù)據(jù)量高并發(fā)量問題，同時也可以擴展服務(wù)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作便利、可擴展性強、負(fù)載能力強、成本低，可以廣泛地推廣使用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；ZigBee；WiFi；云服務(wù)器集群

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-04

0 引 言

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，居住環(huán)境備受關(guān)注，家庭生活中的舒適、安全與便利逐漸成為當(dāng)下的熱點。智能家居是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以住宅為應(yīng)用場景，由硬件 （節(jié)點、網(wǎng)關(guān)）、服務(wù)器、終端軟件（Web、App、微信小程序）構(gòu)成的家居閉環(huán)生態(tài)圈。目前，智能家居系統(tǒng)中存在的可擴展性差、遠(yuǎn)程監(jiān)控能力弱和大數(shù)據(jù)量高并發(fā)量問題，是制約智能家居發(fā)展的重要因素。本文從智能家居的實際需求出發(fā)，綜合利用ZigBee、WiFi和云服務(wù)器集群技術(shù)設(shè)計了一種三層架構(gòu)的智能家居系統(tǒng)，很好地解決了上述問題，具有很高的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本設(shè)計研究的基于ZigBee、WiFi和云服務(wù)器集群的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)由云服務(wù)層、通信網(wǎng)絡(luò)層、終端傳感網(wǎng)層構(gòu)成。整體框架如圖1所示。通過在住宅中布設(shè)多種傳感器設(shè)備，可實時采集住宅環(huán)境參數(shù)，并將所采集到的信息通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳到云服務(wù)器集群平臺，經(jīng)分析和處理后，可在監(jiān)控終端實時監(jiān)控家居環(huán)境，并可對電視機、空調(diào)、電動窗簾、電燈、門禁系統(tǒng)、云攝像頭等進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

（1）云服務(wù)層：以云服務(wù)器集群作為智能家居系統(tǒng)運行和管理的平臺，主要包括網(wǎng)關(guān)端服務(wù)集群、業(yè)務(wù)處理模塊集群、客戶端服務(wù)集群、負(fù)載均衡、后臺管理中心、監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)中心。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)層：系統(tǒng)可通過 WiFi 將網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)（來自終端傳感網(wǎng)層的節(jié)點數(shù)據(jù)）上傳到云服務(wù)層，同時將來自云平臺的控制指令下發(fā)至終端傳感網(wǎng)層中的傳感節(jié)點、控制器等設(shè)備。

（3）終端傳感網(wǎng)層：主要包含信息采集設(shè)備和可控設(shè)備，通過傳感器節(jié)點、RFID、讀寫器等信息采集設(shè)備采集信息，并通過通信網(wǎng)絡(luò)層上傳給網(wǎng)關(guān)；通過家居控制器、全視角紅外遙控器等設(shè)備接收上層下發(fā)的控制命令，實現(xiàn)對家電、門窗等設(shè)備的控制。

2 系統(tǒng)主要通信協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用的幾種無線通信技術(shù)的比較[1]見表1所列。

本系統(tǒng)選擇ZigBee無線通信技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，且采用其星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；選擇WiFi技術(shù)作為網(wǎng)關(guān)與路由之間的無線通信技術(shù)。

ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)，可以在很多微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式，非常適合于智能家居網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee協(xié)議分為兩部分，如圖2所示，由IEEE 802.15.4和ZigBee聯(lián)盟分別定義，應(yīng)用框架層則由用戶根據(jù)需求自定義。

ZigBee協(xié)議棧將各層定義的協(xié)議集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供可以直接調(diào)用的API。Z-Stack是協(xié)議棧中的一種， 其工作流程如圖3所示。

3 系統(tǒng)具體設(shè)計

3.1 節(jié)點設(shè)計

一個節(jié)點就是一個模塊，節(jié)點硬件平臺都是相似的，只是搭載的傳感器或控制器不同。這些節(jié)點是整個系統(tǒng)的基本組成單元，主要包括溫度節(jié)點、濕度節(jié)點、煙霧節(jié)點、光敏節(jié)點、空氣質(zhì)量節(jié)點、一氧化碳探測節(jié)點、可燃性氣體節(jié)點、人體熱釋電節(jié)點、全視角紅外節(jié)點、窗簾節(jié)點、燈光節(jié)點、門禁節(jié)點、插座節(jié)點、攝像頭節(jié)點。

節(jié)點主芯片采用ZigBee新一代SOC芯片CC2530，CC2530是真正的片上系統(tǒng)解決方案[2]，同時還可以配備協(xié)議棧來簡化開發(fā)。本系統(tǒng)中采用Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，在使用IAR + Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)節(jié)點軟件時，由于各個傳感器節(jié)點采集和監(jiān)測的變量不同但功能相似[3]，因此經(jīng)過簡單修改即可應(yīng)用到其他模塊，極大地提高了系統(tǒng)的通用性和可擴展性[4]。節(jié)點的程序流程如圖4所示。

節(jié)點在完成硬件初始化工作后，微處理器將讀取功能單元的信息，并識別功能單元的作用。之后，節(jié)點需要向網(wǎng)關(guān)注冊，只有注冊成功，節(jié)點才能夠接入家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作。如果接入的模塊是傳感器，終端設(shè)備將會以一定的周期獲取傳感信息，并將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)。如果接入模塊為控制單元，那么終端設(shè)備將會等待網(wǎng)關(guān)的控制命令，在收到控制命令后作出相應(yīng)的操作。

3.2 可控電器設(shè)備

可控電氣設(shè)備采用生活中的電氣設(shè)備，如節(jié)能燈、智能插座、電動窗簾、門禁、電視、空調(diào)等。設(shè)備主要分為兩種：一種是開關(guān)量設(shè)備，如節(jié)能燈、智能插座等；一種是非開關(guān)量設(shè)備，如電視機、空調(diào)等。對于開關(guān)量設(shè)備的控制，主要通過繼電器實現(xiàn)[5]；對于非開關(guān)量設(shè)備的控制，則通過紅外自主學(xué)習(xí)功能實現(xiàn)。

3.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是通信網(wǎng)絡(luò)層與終端傳感網(wǎng)層之間的橋梁，它接收底層終端傳感網(wǎng)層采集到的現(xiàn)實物理世界的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)上傳至上層的云服務(wù)層，云服務(wù)層對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控、分析、存儲和處理等操作后產(chǎn)生相應(yīng)的操作命令，再通過網(wǎng)關(guān)傳送給底層的終端傳感網(wǎng)層，從而實現(xiàn)對底層終端設(shè)備的控制和操作[6]。

系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了WiFi和ZigBee兩種通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，使得入網(wǎng)設(shè)備可以和WiFi或ZigBee各自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點設(shè)備通信[7]。采用飛思卡爾i.MX53作為核心控制芯片，運行Linux操作系統(tǒng)，此芯片基于ARM Cortex?-A8 內(nèi)核，主頻為 1 GHz，性能強、功耗低。WiFi模塊采用WM-G-MR-09芯片，該款芯片支持802.11b/g無線網(wǎng)絡(luò)模式，其規(guī)格為8.2 mm×8.4 mm×1.35 mm，休眠時功耗為0.6 mA，處于接收數(shù)據(jù)模式時功耗為170 mA，當(dāng)其處于發(fā)送數(shù)據(jù)模式時功耗為265 mA，完全符合系統(tǒng)要求[8]。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用CC2530芯片。

網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

對于網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計采用內(nèi)核版本為2.6.35的Linux操作系統(tǒng)，Linux是開源操作系統(tǒng)，內(nèi)核可以被裁剪，支持大量硬件接口，適用于對成本、功耗、可靠性等有要求的嵌入式系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)初始化后，連接路由器與云服務(wù)器，連接成功后進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，此時可以接收來自WiFi和ZigBee的數(shù)據(jù)。在接收了WiFi數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，如果是控制數(shù)據(jù)則會轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器；否則就是終端上傳的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器。ZigBee協(xié)調(diào)器一直輪詢是否發(fā)生事件，根據(jù)事件作出相應(yīng)的動作。

網(wǎng)關(guān)工作流程如圖6所示。

3.4 云服務(wù)器集群設(shè)計

之前智能家居系統(tǒng)通常以智能網(wǎng)關(guān)為中心，以一個家庭為單點，采用局域網(wǎng)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；如今智能家居系統(tǒng)已采用局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的方式，以服務(wù)器為中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與處理，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。但家居系統(tǒng)的增多，帶來了大數(shù)據(jù)量和高并發(fā)量的問題，所以服務(wù)器的設(shè)計，直接關(guān)系著系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控能力和應(yīng)對大數(shù)據(jù)量及高并發(fā)量的能力，而這也是研發(fā)的難點。

利用云計算技術(shù)緩解資源壓力已成為一種發(fā)展趨勢，同時也可以降低成本。云計算按服務(wù)類型可分為IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（平臺即服務(wù)）、SaaS（軟件即服務(wù)）[9]；按是否公開發(fā)布服務(wù)，可分為公有云、私有云、混合云。本系統(tǒng)采用的云服務(wù)平臺是阿里云的ESC服務(wù)器，屬于IaaS，通過多臺ESC服務(wù)器自行組建私有集群，充分利用了云計算的優(yōu)勢。這樣不僅能夠降低前期開發(fā)成本，還能節(jié)省后期維護成本。

在設(shè)計云服務(wù)平臺時要考慮以下需求：在面對大數(shù)據(jù)量和高并發(fā)量時依然能夠保證服務(wù)質(zhì)量，及時處理各類意外情況；能夠響應(yīng)客戶端的各種請求；網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器保持長時間連接；具有低時延的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通信鏈路。由于單節(jié)點服務(wù)器存在性能瓶頸和易崩潰的缺陷，通常單節(jié)點的云服務(wù)平臺無法滿足要求，而集群模式具有高性能、高可用、伸縮性、擴展性、一致性、安全等優(yōu)點，因此本系統(tǒng)采用集群模式設(shè)計云服務(wù)器。首先將云服務(wù)平臺按功能進(jìn)行模塊拆分，保證單個模塊的完整性和獨立性以及模塊間的低耦合度；然后將單個功能模塊部署成集群，即多臺服務(wù)器部署相同應(yīng)用構(gòu)成一個集群，通過負(fù)載均衡設(shè)備共同對外提供服務(wù)。另外，由于Java是一種跨平臺、適合分布式計算環(huán)境的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，而且有很多開源成熟的框架和中間件，可以降低開發(fā)周期和成本，因此云平臺的開發(fā)語言主要使用Java。

云服務(wù)器平臺總體設(shè)計架構(gòu)如圖7所示。

主要模塊有網(wǎng)關(guān)端服務(wù)集群、業(yè)務(wù)處理模塊集群、客戶端服務(wù)集群、負(fù)載均衡、后臺管理中心、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)中心。集群內(nèi)部及三大模塊集群之間通過局域網(wǎng)通信，速度快、效率高，各模塊互不干擾、各司其職，耦合度較低。

網(wǎng)關(guān)端服務(wù)器集群是系統(tǒng)中的集成接入模塊，通過統(tǒng)一接口屏蔽了底層硬件的復(fù)雜性，主要負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)通信，與業(yè)務(wù)處理模塊集群進(jìn)行信息交互，提供實時穩(wěn)定的服務(wù)。服務(wù)分為兩種：一種是數(shù)據(jù)采集，包含主動定時采集和被動接收實時上傳的數(shù)據(jù)；另一種是數(shù)據(jù)傳送，包含接收業(yè)務(wù)處理模塊傳送來的指令并下發(fā)以及傳送網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)至業(yè)務(wù)處理模塊。

業(yè)務(wù)處理模塊集群是云服務(wù)平臺的核心模塊，負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)，控制所有業(yè)務(wù)功能的流轉(zhuǎn)。

客戶端服務(wù)集群為監(jiān)控終端提供穩(wěn)定、可靠、實時的服務(wù)，監(jiān)控終端為電腦、手機、平板等支持HTTP協(xié)議的設(shè)備。

負(fù)載均衡設(shè)備根據(jù)負(fù)載調(diào)度算法，將請求調(diào)度到合適的服務(wù)器節(jié)點，保證各節(jié)點共同提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)。使用Nginx服務(wù)器可實現(xiàn)負(fù)載均衡，也可在客戶端服務(wù)集群前實現(xiàn)反向代理。每處都需要部署兩臺Nginx服務(wù)器，這是主備雙機的冗余機制，可防止宕機。

后臺管理中心提供客戶信息管理、網(wǎng)關(guān)信息管理、節(jié)點信息管理等服務(wù)。采用由Strut2、Spring和Hibernate搭建而成的成熟SSH框架，這是一個B/S架構(gòu)使用HTTP協(xié)議的Java Web網(wǎng)站[10]。

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)監(jiān)視、收集服務(wù)器節(jié)點的運行狀況、故障報警、負(fù)載狀況、健康狀況等信息，可保證系統(tǒng)各個模塊及集群穩(wěn)定運行。

數(shù)據(jù)中心為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，主要包括傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)備信息數(shù)據(jù)、集群中節(jié)點狀態(tài)數(shù)據(jù)、監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)等。

如果后期用戶量和數(shù)據(jù)量持續(xù)增大，可進(jìn)行系統(tǒng)升級。對于客戶端服務(wù)集群，可將其再細(xì)分，并將細(xì)分出來的功能獨立的模塊再進(jìn)行集群化部署，使用反向代理和負(fù)載均衡服務(wù)器對外提供服務(wù)。例如可分離出SSO（單點登錄系統(tǒng)）、查詢搜索系統(tǒng)等，然后再將分離出的系統(tǒng)部署成集群模式，以應(yīng)對更高的并發(fā)和海量數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)處理模塊和網(wǎng)關(guān)服務(wù)模塊也可作類似的分離升級。

4 結(jié) 語

本文提出了一套從底層硬件到上層云平臺的三層架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計方案[11]，采用ZigBee和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并結(jié)合云服務(wù)器集群技術(shù)達(dá)到對家居系統(tǒng)的智能化控制。終端節(jié)點采用功耗低、成本低、通用性強的模塊設(shè)計，符合家居傳感器的設(shè)計要求。上層軟件采用云服務(wù)器集群架構(gòu)，運用模塊化、集群化的設(shè)計，使系統(tǒng)具有較強的性能和可擴展性，有效地解決了智能家居中大數(shù)據(jù)量高并發(fā)量的問題以及遠(yuǎn)程監(jiān)控能力弱的問題。該方案實現(xiàn)了一種分層架構(gòu)、可應(yīng)對大數(shù)據(jù)量與高并發(fā)量、可多終端遠(yuǎn)程監(jiān)控、可擴展的智能家居系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用前景。

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