家居多防系統(tǒng)的研究與構(gòu)建

胡曙敏 李德明 王煥磊 浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院

智能家居控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)電氣設(shè)備之間的互聯(lián)互通，還可以將整個(gè)家居系統(tǒng)連接至互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家居與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息共享，從而實(shí)現(xiàn)安全舒適且環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。從智能家居的應(yīng)用層面來分析，目前主要存在三個(gè)方面的問題，限制了智能家居控制系統(tǒng)的普及與應(yīng)用。第一，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。目前沒有統(tǒng)一的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，智能家居產(chǎn)品多樣化，導(dǎo)致了多個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和通用協(xié)議公存的形式。第二，價(jià)格昂貴。智能家居系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初就以高大上進(jìn)行規(guī)劃，也導(dǎo)致了產(chǎn)品的價(jià)格虛高，老百姓難以接受，推廣受到一定的阻礙。第三，功能單調(diào)。市場(chǎng)上的智能家居產(chǎn)品幾乎均為燈光照明、窗簾、家電、視頻、音樂等家居監(jiān)控，但普通百姓急需的用水用氣等安全系列產(chǎn)品還很少，特別是對(duì)已居住家庭的產(chǎn)品更是難求一得。

一、基于物聯(lián)網(wǎng)的三防系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)依托傳感器、執(zhí)行器、物聯(lián)網(wǎng)等自主產(chǎn)品及專利技術(shù)，運(yùn)用端口配置及軟件應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用電、水管家、燃?xì)獍脖５劝踩婪杜c智能化監(jiān)控管理。與此對(duì)應(yīng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的家居三防系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

根據(jù)本產(chǎn)品的使用要求，整個(gè)系統(tǒng)分成四層，包括用戶監(jiān)控層、云服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)控制層、傳感執(zhí)行層。本系統(tǒng)既有和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，又有后臺(tái)客戶終端基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)瀏覽和管理系統(tǒng)，前者強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性、可靠性，后者強(qiáng)調(diào)可擴(kuò)展性、易用性、功能性。所以本系統(tǒng)采用兩者既分離獨(dú)立、又聯(lián)系統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原則。

(一)傳感執(zhí)行層

傳感執(zhí)行層主要實(shí)現(xiàn)了家居系統(tǒng)三防工作狀態(tài)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制，包括門磁接近傳感器、水流及壓力的檢測(cè)、煤氣濃度檢測(cè)，以及水閥、煤氣閥、照明開關(guān)、報(bào)警、指示控制等。

(二)現(xiàn)場(chǎng)控制層

現(xiàn)場(chǎng)控制層采用基于ARM 架構(gòu)的高速處理器，實(shí)現(xiàn)各種傳感器狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，處理并控制閥門/開關(guān)的開合控制，與云服務(wù)器采用WiFi、GPRS 雙通道互聯(lián)，也可根據(jù)用戶需求選配，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自動(dòng)切換WiFi/GPRS 模式，WiFi 模式優(yōu)先，即時(shí)上報(bào)各參數(shù)狀態(tài)變化信息。通過對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析，得出系統(tǒng)的安全狀況，及時(shí)以聲音、短信、手機(jī)APP 方式報(bào)警。響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)請(qǐng)求及數(shù)據(jù)設(shè)置，存儲(chǔ)各類狀態(tài)、參數(shù)信息。

(三)云服務(wù)層

應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)軟件內(nèi)部采用視圖和邏輯模型分離的方式，以保證架構(gòu)的靈活性、模塊的獨(dú)立性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。采用獨(dú)立的應(yīng)用、數(shù)據(jù)、連接服務(wù)器，便于擴(kuò)展和管理，云服務(wù)器向上與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端/WEB 瀏覽器保持連接，接收用戶請(qǐng)求，向用戶推送各類狀態(tài)變更、報(bào)警信息、廣告信息，向下與現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)/網(wǎng)關(guān)保持一對(duì)多常連接，接收主機(jī)上傳的狀態(tài)信息，報(bào)警信息；遠(yuǎn)程設(shè)置主機(jī)參數(shù)。云服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)用戶習(xí)慣的數(shù)據(jù)收集、分析，定向推送相關(guān)需求信息。

(四)遠(yuǎn)程監(jiān)控層

遠(yuǎn)程監(jiān)控層可通過手機(jī)APP、短信、PC 客戶端、WEB 方式進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)查看、設(shè)定，管理配置等。手機(jī)APP支持iOS 和Android 平臺(tái)，軟件基于C/S架構(gòu)，手機(jī)APP 通過標(biāo)準(zhǔn)XML 格式化/JSON 格式化文本與數(shù)據(jù)服務(wù)層進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)用戶鑒權(quán)、設(shè)備監(jiān)控、情景設(shè)定；支持模塊地址的遠(yuǎn)程配置，包括電力載波模塊、Zigbee 模塊、紅外模塊等。手機(jī)可通過2G/3G/4G/WiFi 等多種方式實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的互聯(lián)，PC 客戶端基于C/S 架構(gòu)，主要供系統(tǒng)管理者實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理，支持WEB 方式進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，基于B/S 架構(gòu)。采用JSP 構(gòu)建動(dòng)態(tài)頁面，支撐用戶瀏覽器端的各種操作。所構(gòu)建的頁面具有自適應(yīng)功能，能夠適應(yīng)PC 終端、Android 終端、iOS 終端。

二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(一)傳感執(zhí)行層模塊

Zigbee 技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗、自組織的無線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[2]。本文中的節(jié)點(diǎn)主要采用Zigbee 方式，并配備了擴(kuò)展模塊接口，Zigbee 采用CC2530 主芯片，結(jié)合STM32CPU，適應(yīng)低功耗的要求，單節(jié)點(diǎn)配置了DI/DO、AI 輸入輸出接口，可進(jìn)行漏水、門鎖、煤氣、閥位等相關(guān)信號(hào)的檢測(cè)，以及照明開關(guān)、水閥、防爆氣閥、門鎖等的輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)控制。傳感執(zhí)行層工作原理如圖2 所示。

(二)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)也是系統(tǒng)的控制主機(jī)，在整個(gè)三防系統(tǒng)中起著承上啟下的重要作用，是連接服務(wù)器與各現(xiàn)場(chǎng)分控設(shè)備的橋梁。主機(jī)與上層網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)，主要是通過WiFi網(wǎng)絡(luò)端口與GPRS 網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行的，主要考慮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有覆蓋性及用戶的服務(wù)性，防止出現(xiàn)“信息孤島”現(xiàn)象，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛻?yīng)用的靈活性。

WiFi 網(wǎng)絡(luò)端口主要以進(jìn)行服務(wù)器與主機(jī)間的大數(shù)據(jù)通信與傳輸。WiFi 是現(xiàn)有通信系統(tǒng)的一種主要通信手段。GPRS網(wǎng)絡(luò)端口主要實(shí)現(xiàn)主機(jī)與手機(jī)和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上報(bào)、執(zhí)行、處理等。作為WiFi 網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充，GPRS 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)用戶端及服務(wù)綜合平臺(tái)終端雙重?cái)?shù)據(jù)交互，保證了數(shù)據(jù)及信號(hào)執(zhí)行的準(zhǔn)確性，同時(shí)，也滿足了不同地區(qū)不同客戶的使用需求。系統(tǒng)均采用ARM 內(nèi)核的STM32F103 作為處理器，同時(shí)外接一片CC2530 作為Zigbee 無線通信芯片，以及一片ESP8266 模塊作為Wifi 無線通信芯片。采用Wifi 和GPRS 三防網(wǎng)關(guān)工作原理如圖3 所示。

(三)云服務(wù)及終端

圖2 傳感執(zhí)行層工作原理方框圖

圖3 網(wǎng)關(guān)工作原理方框圖

圖4 手機(jī)APP 操作界面示圖

傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)；主機(jī)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)通過GPRS/Wifi 通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器主要將信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)服務(wù)器中，連接服務(wù)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)信號(hào)的對(duì)接及信號(hào)報(bào)送，實(shí)施遠(yuǎn)程控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)傳送。為此以Windows Server 為平臺(tái)，以Delphi 為工具，使用TOMCAT/MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，基于標(biāo)準(zhǔn)XML 格式化文本開發(fā)了一個(gè)家居三防應(yīng)用系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)應(yīng)用

項(xiàng)目實(shí)施過程中已獲得多項(xiàng)應(yīng)用專利，依托自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感器和專利技術(shù)，具有非常高的性價(jià)比，產(chǎn)品已進(jìn)行了多地場(chǎng)合的試用和推廣。DIY 自助安裝是我們的設(shè)計(jì)理念，無須布線，產(chǎn)品基于zigbee 無線技術(shù)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生裝修費(fèi)用。交直流供電，即插即用，免更換電池，即使在斷電的情況下，能維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，方便用戶的使用，只要有一定動(dòng)手能力的人們都能很快學(xué)會(huì)產(chǎn)品的安裝與調(diào)試。

圖4 為手機(jī)APP 操作切換界面。通過手機(jī)、平板電腦進(jìn)行登錄，連接服務(wù)器平臺(tái)，可遠(yuǎn)程操作與控制有關(guān)智能家居設(shè)備的工作，同時(shí)，有關(guān)事件的發(fā)生和狀態(tài)的變化，可實(shí)時(shí)反饋APP 平臺(tái)，隨時(shí)隨地掌握和監(jiān)控家中信息。

四、結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)終端的家居三防系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)方式，以及硬件配置和服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方法，其功能在實(shí)際中得到了驗(yàn)證。本系統(tǒng)重點(diǎn)解決家庭最急需的安全防護(hù)及生活管理，以模塊延伸的拓展方式，使智慧水務(wù)、用水健康、家電智能控制、家庭消防四個(gè)階層DIY疊加起來組成一個(gè)完整的無線家居系統(tǒng)。目前本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)報(bào)警、情景控制等功能，用戶可以靈活定制和遠(yuǎn)程操控，但不能進(jìn)行第三方設(shè)備的連接與控制，但通過網(wǎng)關(guān)中增設(shè)標(biāo)準(zhǔn)COM 口，就可以與COM 接口的設(shè)備雙向通信，以構(gòu)建一個(gè)較完整的智能家居系統(tǒng)。