基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)及WebOS云計(jì)算技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 隆

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510075）

0 引言

隨著自動(dòng)化與智能控制技術(shù)的發(fā)展，加上人們對(duì)生活環(huán)境的要求大幅提高，家居控制的智能化與便捷性越來(lái)越重要，智能家居系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，各種智能產(chǎn)品、智能電器、智能家居極大地豐富了人們的生活。智能家居以人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別與圖像識(shí)別技術(shù)等為基礎(chǔ)，將家庭各種用電設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成，構(gòu)建一個(gè)方便快捷的住宅與家庭管理系統(tǒng)，為人們的生活提供了舒適與便利[1]?？梢灶A(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，它將為人們帶來(lái)更多的居住幸福感。

傳統(tǒng)的智能家居設(shè)備側(cè)重于控制家用電器方面，如果用戶需要兼顧安防方面的需求，就需要額外購(gòu)買監(jiān)控?cái)z像機(jī)、防盜系統(tǒng)等設(shè)備，這就增加了用戶的投入，使智能家居一直停留在高端市場(chǎng)，而不能走進(jìn)百姓家庭[2]。而且家庭控制主機(jī)由于運(yùn)算性能有限，只能完成數(shù)據(jù)采集、簡(jiǎn)單控制的功能，但隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了語(yǔ)音控制、行為控制等新需求，傳統(tǒng)的智能家居控制技術(shù)已不能滿足未來(lái)的需要[3]。隨著云計(jì)算的誕生，這些高級(jí)的控制需求有了新的解決方式。針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)及WebOS云計(jì)算技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成有網(wǎng)絡(luò)攝像頭，用戶既能在遠(yuǎn)程控制家電，還能即時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭功能觀看視頻，布防防盜系統(tǒng)，利用本地控制主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程云服務(wù)器進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，再回傳數(shù)據(jù)至本地控制主機(jī)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)云服務(wù)，從而做到一套系統(tǒng)滿足智能家居控制、視頻監(jiān)視、防盜報(bào)警三種功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本智能家居安防系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成，底層為感知控制層ZigBee網(wǎng)絡(luò)，中間層為Internet以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，頂層為應(yīng)用層，底層與中間層之間通過(guò)控制主機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，后臺(tái)是強(qiáng)大的云服務(wù)器群。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 智能家居控制主機(jī)的設(shè)計(jì)

控制主機(jī)是感知控制層ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與中間層Internet以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相連的網(wǎng)關(guān)，是本系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵設(shè)備，它是一個(gè)嵌入式的智能前端，采用ARM架構(gòu)的Linux系統(tǒng)平臺(tái)，其通過(guò)有線、Wi-Fi或5G上網(wǎng)卡對(duì)外連接Internet，并提供一個(gè)WebOS服務(wù)管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、ZigBee設(shè)備管理、情景模式管理、布防管理等，人機(jī)控制界面為WebOS，具有很強(qiáng)的可操作性，兼容未來(lái)的HTML6技術(shù)，支持新一代的瀏覽器[4]；可以利用計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等各種具有瀏覽器的智能終端設(shè)備，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)中心控制器內(nèi)置的Web界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行家電設(shè)備操作、視頻監(jiān)控、防盜布置等操作，方便易用。

通過(guò)它用戶可以實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備的無(wú)線控制、紅外遙控的在線學(xué)習(xí)、音視頻自動(dòng)環(huán)境檢測(cè)、主動(dòng)或被動(dòng)報(bào)警等功能。控制主機(jī)集成有網(wǎng)絡(luò)攝像頭的功能，用戶既能遠(yuǎn)程控制家電，還能即時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭功能觀看視頻，還可以錄制監(jiān)控視頻、設(shè)置錄制觸發(fā)模式等。

每個(gè)家庭有一個(gè)或多個(gè)控制主機(jī)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備管理一部分的無(wú)線傳感器或無(wú)線控制器。接收這些設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)中心，這些數(shù)據(jù)包括音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、溫度、濕度等，云服務(wù)中心根據(jù)用戶注冊(cè)的信息及用戶社交網(wǎng)絡(luò)的信息建立對(duì)應(yīng)每個(gè)家庭的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家庭的智能化。

控制主機(jī)中的WebOS使用了最新的HTML5標(biāo)準(zhǔn)和基于HTTP長(zhǎng)連接的“服務(wù)器推”，使得富客戶端程序成為可能。通過(guò)HTML5，用戶操作界面像操作系統(tǒng)一樣便于操作，像普通的Web應(yīng)用一樣方便修改和升級(jí)。通過(guò)“服務(wù)器推”技術(shù)，服務(wù)器的信息可以及時(shí)推送到瀏覽器客戶端，例如實(shí)現(xiàn)攝像頭視頻推送，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息報(bào)警等[4]。傳統(tǒng)上這些必須通過(guò)C/S模式實(shí)現(xiàn)，這也是其與傳統(tǒng)智能家居終端主要的區(qū)別之一。

控制主機(jī)將用戶的點(diǎn)擊、設(shè)置等操作，發(fā)送ZigBee控制命令到各對(duì)應(yīng)ZigBee控制模塊，模塊接收命令識(shí)別后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，包括開關(guān)家用電器、發(fā)送紅外遙控命令等，同時(shí)接收及顯示各ZigBee模塊的狀態(tài)信息。

3 基于ZigBee 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的控制節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)模塊開發(fā)

位于系統(tǒng)底層感知控制層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)模塊也是本系統(tǒng)重要組成部分。基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的控制節(jié)點(diǎn)屬于系統(tǒng)控制信息硬件輸出部件，通過(guò)ZigBee芯片接收控制主機(jī)發(fā)送的控制信息控制節(jié)點(diǎn)上的各種設(shè)備。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)屬于系統(tǒng)外部信息硬件接入部件，節(jié)點(diǎn)上各種傳感器轉(zhuǎn)化為的數(shù)字信號(hào)通過(guò)ZigBee傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)，再由控制主機(jī)響應(yīng)處理。另外，還可以通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，使得節(jié)點(diǎn)可以脫機(jī)聯(lián)動(dòng)控制。

ZigBee控制節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)模塊均采用8051內(nèi)核的單片機(jī)芯片為控制器，通過(guò)SPI接口連接ZigBee無(wú)線芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。節(jié)點(diǎn)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制主機(jī)發(fā)送的命令，具體來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)以下主要功能：

（1）可控插座，可以實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備的開關(guān)控制。

（2）照明開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的開關(guān)控制。

（3）紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)將對(duì)應(yīng)的ZigBee無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)為紅外遙控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各種帶紅外遙控功能的家電設(shè)備控制，例如電視機(jī)、電風(fēng)扇、功放音響、空調(diào)等控制。

（4）燈光控制器，可以實(shí)現(xiàn)燈光亮度的控制。

（5）窗簾控制器，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)窗簾開合控制。

（6）溫度濕度監(jiān)視器，可以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的監(jiān)視。

（7）人體紅外防盜監(jiān)視器、安防防盜設(shè)備，能夠檢測(cè)人體紅外信號(hào)，配合其他模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)防、撤防和報(bào)警等功能。

（8）有害氣體檢測(cè)器，可以檢測(cè)煤氣、煙火、一氧化碳等各種有毒氣體。

（9）火焰檢測(cè)器，可以檢測(cè)明火，起到檢測(cè)火災(zāi)發(fā)生的作用。

4 WebOS云計(jì)算技術(shù)在智能家居方面的應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的云服務(wù)器主機(jī)采用LAMP平臺(tái)技術(shù)，采用Linux+Apache+Mysql+Python來(lái)搭建后臺(tái)數(shù)據(jù)處理的動(dòng)態(tài)網(wǎng)站，多臺(tái)LAMP服務(wù)器主機(jī)組成云服務(wù)器群，共同組成了一個(gè)強(qiáng)大的Web應(yīng)用程序平臺(tái)[5]。本系統(tǒng)的服務(wù)后臺(tái)采用云計(jì)算技術(shù)為每個(gè)家庭建立對(duì)應(yīng)的智能系統(tǒng)，用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理為核心的云計(jì)算系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制、行為控制等高級(jí)控制，并有著很高的可靠性，且很容易動(dòng)態(tài)拓展[6]。本系統(tǒng)的云技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)云技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層包括在每個(gè)智能家庭控制主機(jī)內(nèi)的基于WebOS技術(shù)的嵌入式服務(wù)器，負(fù)責(zé)本地及遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)Web管理控制界面，保存記錄各相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)。Web站點(diǎn)服務(wù)器通過(guò)訪問(wèn)上述數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)Web站點(diǎn)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用層[7]。

應(yīng)用層包括各類搭載了Web瀏覽器的終端設(shè)備，利用電腦、手機(jī)、平板電腦等各種具有瀏覽器的設(shè)備，通過(guò)Internet遠(yuǎn)程訪問(wèn)中心控制器內(nèi)置的Web界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行家電設(shè)備操作、視頻監(jiān)控、防盜布置等操作。另外，用戶還可以在智能用戶終端上直接安裝運(yùn)行于Android、iOS、Windows Phone操作系統(tǒng)的App應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)在Web上暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，例如語(yǔ)音控制、手勢(shì)控制等。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及WebOS云計(jì)算技術(shù)用于智能家居安防系統(tǒng)，兼容新一代互聯(lián)網(wǎng)HTML6技術(shù)，中心控制器集成有網(wǎng)絡(luò)攝像頭的功能，將ZigBee與WebOS云計(jì)算技術(shù)用于智能家居設(shè)備的研發(fā)，開發(fā)控制主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)控制與傳感節(jié)點(diǎn)模塊，利用后臺(tái)的云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能家居的語(yǔ)音控制、行為控制等高級(jí)控制，將家居控制、視頻監(jiān)視、防盜報(bào)警等功能集成到一套家居控制系統(tǒng)中，能夠有效降低用戶成本，簡(jiǎn)化用戶操作難度，提升家居防盜安全水平，減少因家庭電器操作失當(dāng)造成的水電浪費(fèi)，推動(dòng)智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展。