探討基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

藍(lán)土慶

（嶺南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)中心，廣東湛江，524048）

0 引言

所謂物聯(lián)網(wǎng)是指具有全面感知能力的物物之間通過互聯(lián)網(wǎng)相連的集合網(wǎng)絡(luò)。目前，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合的技術(shù)相應(yīng)出現(xiàn)，為智能家居的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。通過互聯(lián)網(wǎng)將物與物彼此之間信息互通相連，實(shí)現(xiàn)人與物之間的高度智能化控制是智能家居目前發(fā)展的一大特征。因此，通過智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能夠更好地滿足人們對高質(zhì)量生活的追求[1]。本文將探討與設(shè)計(jì)一種智能家居控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境集控、煤氣和安防監(jiān)測報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文研究設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)如圖1所示，它主要包括三個(gè)部分，第一部分是下位機(jī)控制系統(tǒng)，下機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部由執(zhí)行單元、CPU、無線網(wǎng)絡(luò)控制單元、互聯(lián)網(wǎng)模塊等多個(gè)部件組成；第二部分是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)路服務(wù)器在服務(wù)端對數(shù)據(jù)實(shí)施各種操作處理。第三部分是上位機(jī)控制終端程序，包括移動(dòng)端APP和瀏覽器終端等，用戶可通過上位機(jī)的客戶端窗口向下位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)號施令【2】。

該系統(tǒng)的工作流程是：下位控制系統(tǒng)中的一系列無線傳感器會(huì)采集家居中的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后由互聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，當(dāng)服務(wù)器接受到數(shù)據(jù)之后，會(huì)作出相應(yīng)的處理。用戶通過處于同一網(wǎng)絡(luò)的客戶端程序可以向控制系統(tǒng)發(fā)出對應(yīng)指令，客戶端程序會(huì)將指令信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器，由服務(wù)器作出處理，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)智能家居系統(tǒng)的控制[3][4]。

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 智能家居控制系統(tǒng)總體框架圖

圖2 智能家居控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

該智能家居控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要采用Zigbee【2】網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)的溫度、光度、煤氣濃度等環(huán)境參數(shù)的采集。主要由以下五個(gè)控制模塊組成：（1）智能燈光模塊由光照傳感器和LED燈組成，負(fù)責(zé)對光照強(qiáng)度進(jìn)行控制；（2）智能家電控制模塊通過對電路開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)對家用電器的控制；（3）智能溫控模塊通過控制空調(diào)實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制；（4）煤氣泄漏報(bào)警模塊可以實(shí)現(xiàn)對屋內(nèi)煤氣泄漏的監(jiān)控；（5）紅外傳感器報(bào)警模塊可實(shí)現(xiàn)電子防盜報(bào)警功能，由于紅外線是不可見光，有較強(qiáng)的隱藏性和保密性，因此可應(yīng)用到家居中實(shí)現(xiàn)人體探測的功能。當(dāng)所布防的區(qū)域內(nèi)檢測到有人員移動(dòng)時(shí)，該模塊將動(dòng)作向指定手機(jī)發(fā)送安防信息。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本智能家居控制系統(tǒng)的主要硬件選擇如下：（1）主控采用的是Arduino單片機(jī)Atmel32u4芯片，它具有豐富的第三方資源，極大方便了下位機(jī)系統(tǒng)各種功能的設(shè)計(jì)；（2）無線模塊是智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制的保障，本系統(tǒng)選用的無線模塊是CC3000WiFi，該模塊在智能家居上有著廣泛的應(yīng)用；（3）溫濕度傳感器是DHT11數(shù)字式傳感器，該傳感器的靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。該傳感器與一個(gè)8位二進(jìn)制的單片機(jī)相連，有一個(gè)NTC感溫單元和一個(gè)電阻式感濕單元；（4）光傳感器是智能燈光模塊的核心部件，本系統(tǒng)采用的是LX1972環(huán)境模擬光傳感器，該傳感器能夠模擬人眼對光線的響應(yīng)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)對光的合理控制；（5）氣體傳感器是煤氣泄漏模塊的核心部件，能夠有效防止火災(zāi)的發(fā)生，該系統(tǒng)選用了煙霧傳感器MQ-2作為氣體傳感器。當(dāng)室內(nèi)的煙霧濃度達(dá)到一定的閥值時(shí)會(huì)觸發(fā)傳感器，傳感器會(huì)發(fā)出蜂鳴警報(bào)，并且通知用戶做出緊急處理；（6）熱釋電傳感器主要采用了美國 HAMAMATSU公司生產(chǎn)的 P2288，對人體的移動(dòng)具有較強(qiáng)的敏感性和抗干擾性。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 Android終端

安卓系統(tǒng)的內(nèi)核是Linux內(nèi)核，整個(gè)系統(tǒng)是以Linux內(nèi)核為核心，然后在外層包含了多個(gè)硬件的底層驅(qū)動(dòng)程序，在應(yīng)用層包含了應(yīng)用程序可以接入系統(tǒng)的接口。應(yīng)用程序?qū)釉诎沧肯到y(tǒng)架構(gòu)的最上層，通常一個(gè)Activity就是一個(gè)應(yīng)用程序的一個(gè)單獨(dú)用戶界面，用戶通過Activity與應(yīng)用程序進(jìn)行交互[5]。由于一個(gè)程序需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能，通常，每個(gè)安卓應(yīng)用程序都包含多個(gè)Activity，不同的Activity對應(yīng)不同的功能模塊。

2.2 Tomcat

本文的智能家居控制系統(tǒng)選用Tomcat作為系統(tǒng)的服務(wù)器。Tomcat 是一個(gè)集成了 JavaEE【2】標(biāo)準(zhǔn)的小型Web服務(wù)器，并且其性能穩(wěn)定，安全免費(fèi)開源。Tomcat服務(wù)器在工作時(shí)首先啟動(dòng)server.xml文件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Server啟動(dòng)，Server啟動(dòng)時(shí)，會(huì)首先啟動(dòng)Service，然后相繼啟動(dòng)多個(gè)Connector連接器，啟動(dòng)后的Connector會(huì)處于等待狀態(tài)，等待客戶機(jī)的連接。當(dāng)客戶通過瀏覽器對服務(wù)器進(jìn)行訪問時(shí)就會(huì)與Connector連接器連接，然后連接器會(huì)將用戶的請求交給Engine處理，Engine接到請求后會(huì)對其進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后交給相應(yīng)的Host，Host交給對應(yīng)的Web[4]。

2.3 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器是運(yùn)行在計(jì)算機(jī)服務(wù)端的程序，也就是通常所說的網(wǎng)站服務(wù)器。Web服務(wù)器可以為APP終端或者瀏覽器提供所需要的數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器是一種被動(dòng)程序，當(dāng)客戶端或者瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)向其發(fā)起連接時(shí)，服務(wù)器才會(huì)響應(yīng)，服務(wù)器不能主動(dòng)與客戶端程序或者瀏覽器主動(dòng)連接請求?？蛻舳伺cWeb服務(wù)器端的通信過程如圖3所示。

圖3 智能家居控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信過程

2.4 Http協(xié)議

Http協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議，屬于TCP/IP應(yīng)用層協(xié)議。Http協(xié)議是實(shí)現(xiàn)客戶端程序和服務(wù)端程序通信的應(yīng)用最為廣泛的通信協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定了兩者在進(jìn)行信息交換時(shí)應(yīng)該遵循一定的數(shù)據(jù)格式。

Http協(xié)議的一個(gè)事務(wù)操作主要分為以下四個(gè)步驟：（1）客戶端或者瀏覽器與Web服務(wù)器建立連接之后。（2）當(dāng)兩者連接成功后，客戶端程序或者瀏覽器會(huì)向服務(wù)器端程序發(fā)送請求。（3）服務(wù)器收到客戶端或者瀏覽器請求之后，會(huì)給瀏覽器發(fā)出請求響應(yīng)。（4）Web服務(wù)器端反饋信息后，客戶端程序或者瀏覽器接收到信息后會(huì)按照一定的格式展示，并且斷開連接。

3 主要軟件程序的設(shè)計(jì)

3.1 CC3000連接互聯(lián)網(wǎng)

該智能家居控制系統(tǒng)使用的是CC3000。該器件能夠連接各種傳感器，并且將傳感器的數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器。

CC3000連接互聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要進(jìn)行如下操作：（1）初始化CC3000模塊。（2）設(shè)置波特率115200，對串口進(jìn)行初始化操作。（3）設(shè)置系統(tǒng)的SSID和密碼，并且發(fā)起互聯(lián)網(wǎng)連接。（4）連接成功后，中間可能會(huì)有延時(shí)100ms，之后會(huì)出現(xiàn)連接成功提示。

CC3000連接互聯(lián)網(wǎng)的代碼如下：

#define SSID“SSID”//設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)ID

#define PASSWORD“88888888”//設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)密碼

void setup{

Serial.Begin(115200)；//

Serial.println(F(“存儲到 Flash”))；

If(！Wido.begin()){

Serial.Println(F(“初始化失敗，清檢查連接”))；

while(1)；

}

Char*ssid=WLAN_SSID；

Serial.print(F(“嘗試連接”))；

Serial.println(SSID)；

/*如果連接失敗，串口返回?cái)?shù)據(jù)，再次進(jìn)入循環(huán)*/

if(！Wido.connectToAP(WLAN_SSID,WLAN_PASSWORD,WLAN_SECURITY)){

Serial.println(F(“連接失敗”))；

While(1)；

}

Serial.println(F(“已連接”))；

Serial.println(F(“請求 DHCP”))；

While(！Wido.checkDHCP()){

Sleep(100)；// 延時(shí) 100ms。

} }

3.2 Web服務(wù)器端設(shè)計(jì)

Web服務(wù)器在智能家居控制系統(tǒng)中起著橋梁作用，一方面要接收來傳感器的數(shù)據(jù)，另一方面要接收來自客戶端或者瀏覽器的數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)中Web服務(wù)器的接口直接與Arduino【4】控制器進(jìn)行連接，它的數(shù)據(jù)傳輸圖如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

智能家居控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫采用的是MySQL數(shù)據(jù)庫，本文以其中的兩個(gè)數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)為例闡述該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)過程。表1和表2分別是該系統(tǒng)的用戶信息表和房間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表。

表1 用戶信息表

表2 房間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表

_gas float 否 是 可燃?xì)怏w濃度_Infrared float 否 是 紅外監(jiān)測

（2）Servlet開發(fā)

Servlet【3】是一段運(yùn)行在服務(wù)器端的Java程序，這段程序的主要功能是處理客戶端的請求并將其結(jié)果發(fā)送給客戶端，能夠動(dòng)態(tài)顯示網(wǎng)頁內(nèi)容。服務(wù)器端通過創(chuàng)建Servlet實(shí)例響應(yīng)客戶端的請求。Servlet在第一次啟動(dòng)后就會(huì)駐留在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，無需每次都加載 Servlet的接口程序核心代碼如下所示：

Package cn.wu.smarthome；

Import java.io.*；

Import javax.servlet.*；

Public class FirstServlet extends GenericServlet{

Public void service(ServletRequest req,ServletResponse res) throws ServletException,java.io.IOException{

Res.getOutputStream().write(“My FirstServlet！”.getBytes())；

} }

3.3 安卓客戶端設(shè)計(jì)

（1）Android與數(shù)據(jù)庫通信

安卓系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫通信的過程是：客戶端向Web服務(wù)器發(fā)送JSON請求，Web服務(wù)器對請求進(jìn)行解析然后采取相應(yīng)處理，然后JDBC對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理操作。Web服務(wù)器將數(shù)據(jù)庫響應(yīng)的操作打包成JSON數(shù)據(jù)包返回給客戶端程序，客戶端在接受到程序后會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON解析，然后進(jìn)行響應(yīng)處理[5]。

（2）應(yīng)用程序功能設(shè)計(jì)

本智能家居控制系統(tǒng)的客戶端應(yīng)用程度設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是：程序啟動(dòng)時(shí)首先進(jìn)入登錄頁，登錄成功后程序自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到首頁，在程序的首頁有智能家電、智能燃?xì)鈭?bào)警、智能溫度控制、智能燈光控制和紅外布防等幾個(gè)模塊。智能燈光控制模塊連接客廳、臥室、廚房、走廊燈多個(gè)燈光，通過該模塊可以分別對這些燈光進(jìn)行控制；智能家電控制連接熱水器、空氣凈化器、音響、洗衣機(jī)等，通過該模塊可以對其實(shí)施遠(yuǎn)程控制；智能溫度控制模塊可以實(shí)現(xiàn)對空調(diào)的遠(yuǎn)程控制和調(diào)節(jié)；燃?xì)鈭?bào)警和紅外布防可根據(jù)需要設(shè)定區(qū)域監(jiān)測、設(shè)防或撤防等功能。

4 結(jié)束語

智能家居便是在這一背景下的產(chǎn)物，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為智能燈光、智能溫度控制、智能家電控制、智能燃?xì)鈭?bào)警控制和紅外傳感器報(bào)警等幾個(gè)功能模塊，為智能家居的實(shí)現(xiàn)提供了現(xiàn)實(shí)案例。