基于云平臺支持多通信協(xié)議的智能家居平臺設計與實現(xiàn)

黃歡

摘要：隨著智能家居應用的日益興起，目前市場上的家居產品缺乏統(tǒng)一的標準，針對目前已有智能家居系統(tǒng)通信連接方式單一化的狀況，提出了支持多種通信協(xié)議的連接方式。各終端智能設備可以通過Wi-Fi或ZigBee或Z-Wave或藍牙等通信協(xié)議連接到智能家居平臺。客戶端可通過網頁，微信小程序或App等多個入口來控制平臺的終端設備，平臺支持語音輸入控制設備，還可以自定義各種模式，當規(guī)則滿足后平臺會自動完成一組設備控制操作。

關鍵詞：智能家居;云平臺;Wi-Fi;ZigBee;Z-Wave;藍牙;語音

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）33-0074-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and Implementation of Smart Home Platform Based on Cloud Platform Supporting Multiple Communication Protocols

HUANG Huan

（Department of Information Engineering， NanHang Jincheng College， Nanjing 210016， China）

Abstract： With the increasing rise of smart home applications， the current home furnishing products on the market lack a unified standard. In view of the simplification communication connection methods of the existing smart home system， a connection method supporting multiple communication protocols has been proposed. Each terminal smart device can be connected to the smart home platform through a communication protocol such as Wi-Fi， ZigBee， Z-Wave， or Bluetooth. The client can control the terminal devices of the platform through multiple portals such as web pages， WeChat applets or apps. The platform supports voice input to control devices and can also customize various modes. When the rules are met， a set of devices control operations will be automatically completed.

Key words： Smart Home; Cloud Platform; Wi-Fi; ZigBee; Z-Wave; Bluetooth; voice

隨著互聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，智能家居與人們的生活聯(lián)系越來越緊密，越來越普及。目前，智能家居設備種類繁多，支持的通信協(xié)議也各不同，沒有統(tǒng)一標準，要接入到同一個家庭網絡中顯得比較困難。現(xiàn)有的家居系統(tǒng)多為支持一種或兩種通信協(xié)議為主，有的智能家居系統(tǒng)只以單一產品為主，如我們的智能掃地機，智能洗衣機，智能電視等，這些都不是一個完整的智能家居系統(tǒng)。獨立且割裂的單個功能并不是智能家居預期的效果，用戶也不能體驗到智能家居的全貌。智能家居系統(tǒng)也不是各種設備的簡單組合，而是一個互聯(lián)的整體。現(xiàn)階段由于各個廠商通信協(xié)議不一樣，它們又僅支持各自廠商自己的終端產品，每個產品都有自己獨立的App或服務，這樣，用戶每買一個廠商的產品就需要安裝一個App，那么要控制不同廠商的產品顯得非常不便捷?；谶@樣的問題，本文設計了支持多種通信協(xié)議智能家居平臺，不同廠商的設備都能連接到本平臺中，且只需要通過一個客戶端，用戶就可以輕松控制和訪問平臺里所有設備的信息。用戶能遠程或在家查看家里所有設備的狀態(tài)并能控制，如一鍵離家模式，自動關閉不用工作的電器，節(jié)約出門時間;睡前不想起來關燈，打開手機便可以關燈;遠程可以檢測到家里煤氣是否泄漏，有無告警，引起用戶的注意，避免事故發(fā)生，提供安全性保護。平臺還可以通過語音命令來操作設備，體現(xiàn)更人性化的服務[1]。

1 常用技術對比

從表1可以直觀地看出以上四種通信技術各有優(yōu)缺點，傳輸距離 Wi-Fi> ZigBee> Z-Wave>藍牙、傳輸速度 Wi-Fi>藍牙> ZigBee>Z-Wave、功 耗Wi-Fi>Z-Wave>藍牙>`ZigBee， 可容納的最大網絡節(jié)點數量ZigBee>Z-Wave> Wi-Fi>藍牙，安全性藍牙>ZigBee>Z-Wave>Wi-F、成本Wi-Fi>ZigBee>藍牙>Z-Wave>。Wi-Fi是目前應用最為廣泛的無線技術，它具有用戶群最多和傳輸速度快，但是它有著安全性低，成本高、功耗大和網絡節(jié)點容量少等弊端;而ZigBee技術具有低功耗、低成本、傳輸距離大，網絡節(jié)點容量巨大等優(yōu)點，缺點是傳輸速度慢;Z-Wave技術有著最低功耗和最低成本，擁有較低的傳輸頻率，相對較遠的傳輸距離，Z-Wave技術暫時還沒有國際標準，每個國家的頻段也不同;藍牙技術具有功耗較低、成本較低、性能穩(wěn)定的優(yōu)點， 但其缺點是傳輸距離太短、網絡節(jié)點容量太少[2-3]。

智能家居平臺的理念是要讓所有不同廠商的設備都能互聯(lián)，所有設備的通信都是通過網絡進行傳輸，但有一個問題，每個設備產商支持的通信協(xié)議不同，如何讓它們能在單一的網絡上協(xié)同工作？我們將上述幾種通信技術都應用到我們的平臺Gateway中，平臺Gateway根據配置文件的協(xié)議信息打開或關閉某協(xié)議功能，與支持不同通信協(xié)議的終端設備進行組網。這樣設計最大的好處能滿足用戶不同的需求，用戶可以將他喜歡的任何廠商的智能家居設備都連接到我們的平臺中。

2 平臺三大主要功能

2.1 設備控制功能

智能家居平臺中最常用的是對家中各設備進行操作，如開關燈，調節(jié)燈的明暗，調節(jié)冰箱溫度，開關空調，設置空調溫度，開關電視，窗簾等設備。這些操作不僅能提高家電的使用效率，符合節(jié)能的原則，還能提高用戶體能，享受到智能帶來的好處。設備控制功能是智能家居平臺中核心的功能。我們除了可以控制單個設備還可以設置多種模式：

如：模式1：七、八月份17點30，關閉窗簾，空調啟動，并設置空調為制冷26度。

模式2：十二月、一月份17點30，關閉窗簾，空調啟動，并設置空調為制熱20度。

模式3：晚上21：30熄滅家里所有的燈。

模式4：早上6：30 打開窗簾，床頭燈微亮10分鐘后關閉。

模式5：早上6：40 衛(wèi)生間的燈打開正常亮度5分鐘后關閉。

模式6：早上6：45 廚房的燈打開正常亮度30分鐘后關閉。

模式7：早上7：15 熄滅家里所有的家用電器。

設定模式的好處是將用戶的行為習慣記錄下來，當該模式的規(guī)則滿足時，該模式將被觸發(fā)，設備的狀態(tài)將會被改變。這樣做的好處一是省去了單個設備的操作的時間，二是也為平臺進一步優(yōu)化提供了數據源。用戶除了通過界面上的模式設置功能設置不同的模式來控制不同的設備外，也可通過語音控制器發(fā)出語音指令，完成設備控制操作。

2.2 安防功能

家里廚房安裝好煤氣監(jiān)測儀，尤其要監(jiān)測一氧化碳的含量，當家里發(fā)生煤氣泄漏時，會啟動告警功能;廚房安裝煙霧探測器，連入智能家居平臺中，當家里發(fā)生失火時，會啟動告警功能，并通知主人;借助人體紅外傳感器，門磁傳感器及攝像頭，若監(jiān)測到有人非法進入，如用外力破壞防盜門智能門鎖，平臺會發(fā)出告警并通知用戶。這樣能最大限度地保障房屋及室內的人身、財產安全 [4-5]。

2.3 監(jiān)控功能

通過家庭網絡建立起一套監(jiān)控系統(tǒng)，對家居內外環(huán)境進行實時監(jiān)控，采集的數據可以長久保存在云端，以便后期隨時調取查看。當用戶長時間不在家時或者只有老人、孩子在家時，平臺通過攝像頭傳來的數據進行目標檢測，人體姿態(tài)檢測技術等判斷家人的情況，當家人跌倒或發(fā)生危險時，通過告警信息，以便用戶發(fā)現(xiàn)異常，及時消除隱患。

3 平臺設計方案

3.1 平臺網絡結構

平臺的Gateway通過Wi-Fi連上家里的無線路由器，Gateway與支持不同協(xié)議的子網又如何進行通信呢？平臺Gateway可以通過配置文件的信息來判斷該開啟或關閉哪種通信協(xié)議，Gateway可通過家里無線路由器與支持Wi-Fi終端設備通信;通過ZigBee協(xié)調器與支持ZigBee協(xié)議的終端設備通信，通過藍牙模塊搜索到支持藍牙的終端設備，綁定成功后開始通信;通過Z-Wave技術將支持Z-Wave協(xié)議的終端設備進行通信，如圖1所示。我們的平臺還有可擴展性，還可增加其他plugin模塊來支持其他通信技術如5G、Thread、Lora、Halow等，平臺還支持多系統(tǒng)，如Windows和Linux。智能家居設備可以是家用電器設備，照明設備，影音設備，智能門窗設備，安防設備等，通過智能家居平臺讓每一件智能家居設備都可以連接到網絡中，實現(xiàn)了任何一種家居產品都能與平臺進行有效信息傳輸。

3.2 Gateway配置文件

zigbee_plugin.dll

zigbee_plugin.so

zwave _plugin.dll

zwave _plugin.so

bluetooth _plugin.dll

bluetooth _plugin.so

wifi _plugin.dll

wifi _plugin.so

配置文件如圖3所示，文件中顯示所支持協(xié)議的plugin，暫時用不到的plugin可以注釋掉，后續(xù)還可以添加新開發(fā)的plugin，這樣不僅提高了平臺的可擴展性也提高了平臺的健壯性。

3.3 平臺設備加入或刪除

Gateway的plugin進入到可加載新設備模式，終端開啟設備加入模式，Gateway與終端設備匹配成功后，新設備加入，流程如圖4。Gateway可從它的設備列表中刪除某個設備，該設備便從平臺中移除了。

3.4 server設計及部署

基于云端的智能家居管理系統(tǒng)采用 B/S 三層體系架構，使用 java語言進行 Web 設計，同時使用了 HTML 以及 CSS 相關技術，把阿里云平臺作為服務器，采用MySQL數據庫。云端的server主要分為賬戶管理，數據采集，模式管理，設備控制與管理和語音控制等模塊如圖5所示。云端的server可以連接多個Gateway，這個設計考慮到現(xiàn)在好多人手里多套房子，用戶可以通過一個客戶端一個賬號就能輕松管理多個房子的家居設備。云端的server是用戶操作設備和獲取設備信息的橋梁，其負責數據處理和存儲，用戶可通過微信小程序或手機App向智能家居平臺發(fā)送指令，智能設備接收到指令后執(zhí)行相應操作，并將相應信息自動上傳至云服務器端保存，還會周期性采集某些傳感器的數據（如溫度，濕度）上傳至云服務器端保存，用戶可隨時登錄云端查詢相應信息，如圖6所示。如客戶端可查看最近一個月的溫度數據詳情，用戶控制設備的操作的數據則可以保存數年之久，這些數據對于平臺后續(xù)的擴展非常重要，為后續(xù)引入深度神經網絡學習模塊作為樣本數據，對用戶行為進行分析，便不再需要用手動設置模式，可享受到智能帶來的便捷。

Gateway 連接到云服務器后，用戶可以通過PC web端，手機瀏覽器，微信小程序或 App 多種終端對設備進行遠程監(jiān)控與管理，微信小程序的設備控制界面如圖7，模式設置界面如圖8所示。

4 平臺測試

主要對平臺的功能進行了測試，客戶端控制支持不同協(xié)議的設備，設備均能做出相應的狀態(tài)改變。特別是模式管理中，當觸發(fā)規(guī)則滿足時，多個設備的狀態(tài)與設置的狀態(tài)是一致的。用戶操作的數據和傳感器數據均能存儲到云端指定的存儲位置，在客戶端可查詢。還對Gateway進行了斷電斷網測試，平臺可以實現(xiàn)自動恢復到斷電前的狀態(tài)并繼續(xù)正常工作。測試表明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性， 基本功能正常有效可以滿足日常的需要。

5 結束語

由于無線傳輸技術的多樣化，本文設計的智能家居平臺針對現(xiàn)有家居的一些不足做出了改進，本平臺最大的優(yōu)點是支持不同的協(xié)議進行通信，平臺還有一定的擴展性，用戶可以根據自己的喜好隨意選擇智能設備，以滿足用戶不同的需求。構建的智能家居平臺，可以實現(xiàn)對家庭各種設備進行控制和管理。不論用戶是否在家，都可以通過手機或電腦來掌握家中各設備的情況，實現(xiàn)了對家電、煤氣和外來者的監(jiān)督控制，讓家居生活更舒適和安全。

6 未來展望

用戶控制設備指令觸發(fā)的一些系列狀態(tài)變化和傳感器周期性采集的環(huán)境數據作為原始數據源，根據傳感器數據找出用戶行為特征之間的關聯(lián)性規(guī)則，從用戶的生活習慣，使用習慣來探索用戶行為事件關于時間序列的分布特征;可以加入神經智能網絡，對數據進一步分析，識別一次完整的用戶行為事件，將智能地為用戶設置好滿足用戶需求的模式而無需用戶手動設置模式，幫助用戶構建一個更加舒適、智能、個性的生活方式，將提升人們的生活品質[6-7]。安全性也是一個重點要考慮的內容，如有些智能設備還存在AP弱口令，密鑰機制不健全，設備綁定流程不嚴密，這些用戶信息極易被盜取，后續(xù)將考慮組網時采用鏈路加密機制來確保網絡安全，因為一旦黑客能掌控你家的設備，安全隱患就特別大[8]。

參考文獻：

[1] 崔寶秋，王斌，周玨嘉，等.人工智能技術驅動下的新一代智能家居[J].人工智能，2020，7（5）：6-13.

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[3] 張洪濤.幾種常見無線技術在智能家居中的應用分析[J].電腦知識與技術，2021，17（1）：69-70.

[4] 張?zhí)靷?淺談ZigBee技術在智能家居安防系統(tǒng)中的應用[J].科技風，2021（5）：15-16.

[5] 王宇豪，周楊.物聯(lián)網傳感器技術在智能家居中的應用研究[J].中國管理信息化，2020，23（4）：187-188.

[6] 王軍，孫澤軍.基于用戶行為分析的物聯(lián)網智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網技術，2020，10（9）：71-74，79.

[7] 毛博，徐恪，金躍輝，等.DeepHome：一種基于深度學習的智能家居管控模型[J].計算機學報，2018，41（12）：2689-2701.

[8] 張偉，王明倩，胡雄強.淺析智能家居系統(tǒng)的安全性與防護[J].微型電腦應用，2020，36（6）：13-15.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】