基于物聯(lián)網的智慧家庭系統(tǒng)頂層架構設計

車輝 邢慧芬 樊玉琦 裘小林

摘 要：智慧家庭系統(tǒng)存在各子系統(tǒng)相互獨立、缺少統(tǒng)一管理平臺的問題，這些問題阻礙了智慧家庭的應用和發(fā)展。文中以建設智慧家庭統(tǒng)一管理平臺為目的，對智慧家庭的系統(tǒng)架構、功能架構、物聯(lián)網平臺架構和技術架構等進行設計，并對各架構中的主要功能模塊進行詳細闡述，從而為政府和企業(yè)建設智慧家庭提供參考。實踐結果表明，該智慧家庭系統(tǒng)頂層架構的設計不但為智慧家庭的建設提供理論基礎，還具備一定的現(xiàn)實指導意義。

關鍵詞：物聯(lián)網;智慧家庭;智能網關;物聯(lián)網平臺;頂層架構;管理平臺

中圖分類號：TP302.1-34文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-03

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，新一代信息與通信技術（ICT）得到了廣泛的應用，并且逐步進入家居管理中，從而實現(xiàn)家庭的自動化、網絡化和智慧化管理。同時隨著國民收入的提高，百姓對家庭的定位除了滿足居住需要，還對家居舒適度、家庭安全、綠色節(jié)能、健康環(huán)保等提出了更高要求。因此智慧家庭[1]逐步被人們所熟悉和接受，并且得到了快速的應用和發(fā)展。

智慧家庭是以物聯(lián)網[2]技術為基礎，以新一代ICT技術為載體，結合自動控制技術，實現(xiàn)了家庭設備的智能控制、家居環(huán)境的自動感知、家人健康的智慧監(jiān)測、能源消耗感知和家庭安防感知，創(chuàng)造了一個綠色、節(jié)能、健康、安全的智慧化、個性化的家庭生活環(huán)境[3]。

國內學者和企業(yè)對智慧家庭系統(tǒng)進行了大量研究。文獻[4]設計一種基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)了對家庭環(huán)境和家居電器的智能化控制;文獻[5]設計一種基于物聯(lián)網的家庭醫(yī)療系統(tǒng)，實現(xiàn)了家庭遠程醫(yī)療，方便了家庭就醫(yī);文獻[6]設計一種基于云計算的家庭能源監(jiān)測系統(tǒng)，方便了家庭能耗管理，實現(xiàn)了家庭的綠色節(jié)能;文獻[7]針對家庭安全設計一種家庭監(jiān)控系統(tǒng)，提高了家庭安全性。但這些方案都是針對家庭某一應用進行設計的，各系統(tǒng)之間缺少關聯(lián)，無法實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和統(tǒng)一管理，實用性較差，嚴重阻礙了智慧家庭的應用和發(fā)展，因此設計統(tǒng)一的智慧家庭管理平臺勢在必行。

本文根據(jù)智慧家庭建設的實際需求，以建設統(tǒng)一系統(tǒng)管理平臺為目標，并根據(jù)中國電子技術標準化研究院發(fā)布的《智慧家庭標準化白皮書》，對智慧家庭系統(tǒng)頂層架構進行了設計。文中分別從智慧家庭的系統(tǒng)架構、功能架構、智慧家庭物聯(lián)網平臺和技術架構等方面進行了頂層設計，并詳細的闡述智慧家庭的核心組件。實踐表明，智慧家庭頂層架構的設計為我國智慧家庭的建設提供了理論基礎和發(fā)展思路，具有一定的指導意義。

1 智慧家庭系統(tǒng)架構設計

智慧家庭系統(tǒng)利用物聯(lián)網、云計算等新一代信息與通信技術，構建了一個和諧、節(jié)能、高效的智慧化家庭生活和服務系統(tǒng)，從而為家庭創(chuàng)造一個安全便捷、綠色節(jié)能和舒適宜居等方面均優(yōu)的家居環(huán)境。智慧家庭系統(tǒng)可分為終端層、網絡層、平臺層和應用層4個層次，系統(tǒng)架構如圖1所示。

智慧家庭系統(tǒng)通過終端層的信息采集設備和可控設備實現(xiàn)家庭環(huán)境的智能化控制和管理，而網絡層則負責終端采集數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。平臺層一方面將從設備端收集到的數(shù)據(jù)進行存儲及智能分析處理;另外一方面提供認證管理功能、設備控制功能和協(xié)調不同的終端設備功能，實現(xiàn)了設備之間的聯(lián)動。應用層則為用戶提供包括健康、養(yǎng)老、教育、家居控制、安防等多個方面的應用，是智慧家庭系統(tǒng)在家庭應用中的具體體現(xiàn)。

2 智慧家庭功能架構

智慧家庭是智慧城市的最小單元，是以家庭為載體，以實現(xiàn)家庭智慧化服務為目標，結合新一代信息與通信技術，從而達到綠色節(jié)能、健康環(huán)保、安全智能和智能便捷的居家生活方式。根據(jù)中國電子技術標準化研究院于2016年9月發(fā)布的《智慧家庭標準化白皮書》要求，智慧家庭系統(tǒng)的業(yè)務內容包括健康管理、居家養(yǎng)老、信息服務、互動教育、智能家居、能源管理、社區(qū)服務及家庭安防8個方面。智慧家庭系統(tǒng)的功能架構如圖2所示。

2.1 智能家居系統(tǒng)

智能家居管理系統(tǒng)是利用先進的物聯(lián)網技術、智能控制技術和現(xiàn)代網絡通信技術，依據(jù)智能信息化建設和家庭室內設計規(guī)范，根據(jù)每個家庭的不同需求，將智能家居系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)進行有機地結合，通過現(xiàn)代網絡通信技術進行室內或者遠程的智能控制和管理，實現(xiàn)家庭中的家電、窗簾、門窗、燈光和溫濕度等設備的整體聯(lián)動，從而為家庭成員提供一個智慧化的家居生活環(huán)境。

智能家居系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網通信技術實現(xiàn)智能控制終端與應用終端之間的聯(lián)網控制，進而實現(xiàn)對家居終端的數(shù)據(jù)采集、控制管理等應用。目前，智能家居系統(tǒng)采用的主要物聯(lián)網通信技術包括紅外、KNX 總線、RF（射頻）、ZigBee、Z-Wave等。

同時，智能家居系統(tǒng)也可通過應用互聯(lián)技術實現(xiàn)家庭終端之間進行網絡協(xié)議識別、數(shù)據(jù)傳輸、設備發(fā)現(xiàn)控制管理和應用分享等，如數(shù)字生活網絡聯(lián)盟（Digital Living Network Alliance，DLNA）協(xié)議、WiFi聯(lián)盟推出的Miracast、高通開發(fā)的AllJoyn等。

2.2 家庭安防系統(tǒng)

家庭安防系統(tǒng)是指利用現(xiàn)代網絡通信和物聯(lián)網技術，通過在家庭中安裝攝像頭、門窗磁、門禁控制器和紅外入侵檢測儀器等各種安防設備，從而為家庭提供入侵檢測、防盜、防火等安防功能的服務系統(tǒng)。家庭安防系統(tǒng)可與智慧小區(qū)、公共服務機構等進行互聯(lián)，當出現(xiàn)異常情況時通過聲光、呼叫業(yè)主、小區(qū)物業(yè)管理中心或公共服務機構等方式實現(xiàn)報警、緊急求助等功能，增強家居生活的安全性。智慧家庭安防系統(tǒng)包括家庭監(jiān)控系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)和家庭消防系統(tǒng)三個部分。

2.3 能源管理系統(tǒng)

通過在智能電表、水表、燃氣表、熱量表中內嵌載波或物聯(lián)網（如ZigBee）信號接收電路組成家庭能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對家庭用電、水、氣、供熱、熱水等信息自動采集，并利用系統(tǒng)的統(tǒng)計分析功能了解到家庭的能源消耗情況。同時通過在能源終端智能插座、智能開關等，實現(xiàn)對家庭能源的開/關控制、能源使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

2.4 家庭健康管理/居家養(yǎng)老系統(tǒng)

家庭健康管理/居家養(yǎng)老系統(tǒng)以新一代信息與通信技術為依托，將醫(yī)療健康類可穿戴式設備作為數(shù)據(jù)采集終端，以手機、PAD等設備為智能終端對健康資訊、醫(yī)療衛(wèi)生服務和個人健康信息進行呈現(xiàn)。在健康管理信息系統(tǒng)的基礎上，通過整合健康服務機構來為消費者提供健康管理信息服務。家庭健康管理/居家養(yǎng)老系統(tǒng)以社區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)、社區(qū)居家養(yǎng)老支撐服務體系為核心，上接城市智慧醫(yī)療系統(tǒng)、衛(wèi)生局和第三方服務機構，并借助家庭醫(yī)生輔助系統(tǒng)、IPTV、高清監(jiān)控攝像頭和智能終端等設備，從而實現(xiàn)家庭健康監(jiān)測、家庭健康檔案管理、健康咨詢、家庭遠程醫(yī)療、老人一鍵求救、居家養(yǎng)老等功能。家庭健康管理/居家養(yǎng)老系統(tǒng)一般包括家庭健康管理系統(tǒng)、居家養(yǎng)老管理系統(tǒng)、家庭醫(yī)生輔助系統(tǒng)等。

智慧家庭是智慧城市建設的最小單元，因此智慧家庭系統(tǒng)需要與上級部門或第三方服務機構對接來實現(xiàn)家庭系統(tǒng)的功能。如智慧家庭系統(tǒng)與社區(qū)、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)相結合來完成健康管理、居家養(yǎng)老;與公共教育系統(tǒng)或第三方教育機構相結合來完成家庭的互動教育;與智慧城市系統(tǒng)或智慧社區(qū)系統(tǒng)相對接來實現(xiàn)社區(qū)服務、信息互動;與消防、公安部門的相結合來完成家庭安防、家庭能源管理等。

3 智慧家庭物聯(lián)網平臺

智慧家庭物聯(lián)網平臺處于連接軟硬件的樞紐位置，使得不同類型的硬件設備通過不同網絡連接方式整合起來。它向上傳送終端設備采集的數(shù)據(jù)和通信信息，向下遠程管理終端設備、監(jiān)測終端設備異常、發(fā)送控制和通信信息，為上層應用提供支撐服務;同時，為設備和用戶提供安全和身份認證[8]。系統(tǒng)物聯(lián)網平臺如圖3所示。

目前，智慧家庭系統(tǒng)物聯(lián)網平臺提供商主要分為運營商、互聯(lián)網公司和家用電器廠商幾大類，如中移物聯(lián)網開放平臺、QQ物聯(lián)、長虹UP平臺等[9]。雖然公司不同造成物聯(lián)網平臺存在差異，但智慧家庭物聯(lián)網平臺一般都可分為4部分，即設備管理平臺、連接管理平臺、應用支持平臺和業(yè)務分析平臺[10]。

通過設備管理平臺可以實現(xiàn)家庭終端設備的遠程控制、系統(tǒng)設置、系統(tǒng)升級、故障監(jiān)測等，同時也對網關和應用狀態(tài)進行實時的監(jiān)控，從而實現(xiàn)設備故障的預處理。連接管理平臺一般應用于運營商網絡，實現(xiàn)功能包含了SIM卡生命周期管理、資費賬單管理、賬戶管理、連接診斷、通知管理等。應用支持平臺為上層應用提供成套應用開發(fā)工具、中間件、數(shù)據(jù)存儲功能、業(yè)務邏輯引擎、對接第三方系統(tǒng)API等，從而大大降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)時間。數(shù)據(jù)分析平臺是指引入人工智能、數(shù)據(jù)建模的方法，對物聯(lián)網的業(yè)務數(shù)據(jù)進行分析，以提供預測類、診斷類等服務。

4 智慧家庭技術架構

智慧家庭系統(tǒng)通過智慧家庭網關設備、智慧家庭物聯(lián)網云平臺、終端設備和手機APP四者構成一個完整的整體[11]。智慧家庭網關向上連接網絡服務提供商，實現(xiàn)寬帶互聯(lián)網互聯(lián)，向下對接智慧家庭終端，實現(xiàn)各終端設備的互聯(lián)互通，是智慧家庭系統(tǒng)的核心樞紐;而智慧家庭物聯(lián)網云平臺通過向家庭網關提供所需的插件和服務，從而實現(xiàn)對終端設備的遠程控制和管理;而終端設備則是實現(xiàn)各業(yè)務功能的終端元件，是創(chuàng)造一個舒適、智能的居家環(huán)境基礎;家庭成員則通過手機APP實現(xiàn)對智能網關和家庭各終端設備的控制，以滿足家庭智慧化的需求。智慧家庭技術架構如圖4所示。

4.1 智慧家庭網關設備

家庭網關是智慧家庭系統(tǒng)網絡通信的樞紐，它向上對接網絡服務營運商、承接管理平臺，向下連接智慧家庭中的各種智能終端，負責終端數(shù)據(jù)的向上傳輸和平臺控制信息的向下轉發(fā)，是系統(tǒng)的核心設備，具有控制中心、網絡中心和通信服務中心的功能。目前，家庭網關主要采用基于Linux操作系統(tǒng)的開放架構平臺方案設計，部署時則采用基于Linux的Android操作系統(tǒng)或中間件技術OSGi[12]。

4.2 智慧家庭物聯(lián)網云平臺

智慧家庭云管理平臺是智慧家庭的神經中樞，其一方面對智慧家庭的各種連接終端進行控制，另一方面則對終端收集的數(shù)據(jù)進行處理分析。物聯(lián)網云管理平臺向上與網絡服務提供商完成系統(tǒng)的對接;向下則管理智慧家庭系統(tǒng)中各種終端設備的發(fā)現(xiàn)認證、心跳?；?、故障監(jiān)測，插件的安裝、升級卸載和業(yè)務管理等。同時，物聯(lián)網云平臺還為APP、第三方系統(tǒng)和云管理平臺提供API接口，為家庭提供家居設備、終端通信等管理和數(shù)據(jù)查詢功能。

4.3 智慧家庭終端設備

智慧家庭終端設備可以分為兩種類型，即控制型設備和應用型設備?？刂菩驮O備是指通過對終端設備的控制來實現(xiàn)家居環(huán)境的管理，如門窗磁、門禁、窗簾等設備;而應用型設備是指可以滿足家庭生活需要的設備，如冰箱、電視機、空調等各種家用電器。智慧家庭終端設備是家居中實現(xiàn)各業(yè)務功能的終端元件，是創(chuàng)造一個舒適、智能的居家環(huán)境的基礎。

4.4 智慧家庭 APP

家庭成員通過APP客戶端可以實現(xiàn)設置家庭網絡、配置家庭網關、控制家居設備以及與第三方應用的連接，實現(xiàn)家居環(huán)境、安防、能耗的智能監(jiān)測以及家庭健康健康管理、移動學習和信息獲取和互動交流，為智慧家庭系統(tǒng)提供友好的接入界面和人機互動窗口。

5 結 語

智慧家庭系統(tǒng)通過綜合運用新一代信息與通信技術，實現(xiàn)對家庭環(huán)境的智能感知、家庭設備自動控制、家人健康管理、家居安全防護、遠程教育學習、家庭能耗管理和信息交流，從而實現(xiàn)了家庭居住的舒適化、電器管理的智能化、居家安全的可視化、家庭學習的便捷化和家庭的綠色節(jié)能。本文以建設智慧家庭系統(tǒng)通一管理平臺為目的，從智慧家庭的系統(tǒng)架構、功能架構、物聯(lián)網平臺架構和技術架構四個方面對智慧家庭系統(tǒng)進行了頂層架構設計，并對各架構的核心功能模塊進行了詳細闡述，從而為政府和企業(yè)建設智慧家庭系統(tǒng)提供了參考?？傊腔奂彝ハ到y(tǒng)頂層架構的設計不但為智慧家庭的建設提供了理論基礎，也具備一定的指導意義，有力地推動了中國智慧家庭的發(fā)展。

參 考 文 獻

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