包依勤++袁杰

摘 要：當(dāng)今社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，智能家居逐漸流行。由于費用問題和維護問題，智能家居真正投入使用的大多是高檔小區(qū)、別墅及一些特殊場合。我國是人口大國，大多數(shù)家庭還未體驗到智能家居帶來的便捷性和安全性。文中設(shè)計的系統(tǒng)軟件可定義智能家居根據(jù)用戶家庭需求、用戶習(xí)慣提供服務(wù)，具有成本低、效率高、可擴展性強等特點。系統(tǒng)由云服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、采集器、移動端等組成，除遠程實現(xiàn)家電控制外，系統(tǒng)云平臺上還產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，可通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析用戶習(xí)慣，從而產(chǎn)生較好的社會經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：智能家居；可定義；大數(shù)據(jù)；云計算

中圖分類號：TP368；TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

目前，我國只擁有幾十萬使用智能家居的家庭，究其原因，安裝智能家居需要花費巨額費用，對于普通家庭而言難以承受，因此較多用于高檔小區(qū)、別墅及一些特殊場合，從而影響了家居智能化的推進速度。我國是一個人口大國，普遍家庭目前尚未體驗到智能家居帶來的便捷和安全。所以應(yīng)順應(yīng)實際情況，建立一個低成本，高效率的智能家居系統(tǒng)，方便更多的家庭體驗和使用。

通過軟件定義智能家居能夠很好地解決上述問題，實現(xiàn)遠程控制、安防等全方位的管理，不僅給家庭用戶帶來了便捷的體驗，還能讓用戶體驗到個性化服務(wù)。本設(shè)計通過研究物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、大數(shù)據(jù)等研發(fā)出一套可定義的控制平臺，能有效控制智能家居的成本，并提升其可擴展性與可維護性，極大地削減了安裝及維護費用，為用戶提供便捷且安全的服務(wù)，主要包括以下幾方面：

（1）可定義家居控制方式，選擇本地或遠程控制；

（2）軟件可定義房間個數(shù)、房間名稱、房間背景，如客廳、書房、臥室等；

（3）軟件可定義家電個數(shù)、家電位置，如電燈、窗簾、電視、空調(diào)等；

（4）軟件可定義傳感器，如CO2、甲醛、PM2.5傳感器等。

1 軟件可定義智能系統(tǒng)的架構(gòu)

軟件可定義智能家居系統(tǒng)采用集中式信息處理模式，其架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由上層、中間層、底層構(gòu)成。上層由云服務(wù)器、手機App構(gòu)成；中間層是家庭網(wǎng)關(guān)；底層由控制臺、傳感器、控制面板、電器設(shè)備、開關(guān)等構(gòu)成。軟件可定義智能家居，用戶通過手機App遠程控制家電，數(shù)據(jù)流經(jīng)云平臺時，會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，便于云平臺進行大數(shù)據(jù)分析。家庭網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的中間樞紐，向上與云服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接，接收用戶發(fā)出的命令，向下與控制器連接，轉(zhuǎn)發(fā)上層發(fā)出的命令。底層控制器通過物理方式連接所有的傳感器、控制面板、家電開關(guān)等，完成真正的開關(guān)控制和數(shù)據(jù)采集。

底層控制臺包含多種物理接口，如RS 232、RS 485、無線、32個通用IO口，可連接多種傳感器、控制面板、家用電器、開關(guān)等。軟件可定義由控制器通過物理方式連接的電器和傳感器，在手機App上進行定義設(shè)置。家庭網(wǎng)關(guān)具有可視化界面，可顯示傳感器實時數(shù)據(jù)和家用電器開關(guān)狀態(tài)，同時可在網(wǎng)關(guān)界面上控制家用電器。

2 控制臺的設(shè)計

控制臺采用Philips公司生產(chǎn)的LPC2132作為CPU， LPC2132具有片內(nèi)8 KB RAM和片內(nèi)64 KB的程序Flash，具有2個串口，多個I2C和SPI接口，還擁有64個管腳?？刂破魍ㄟ^COM0與家庭網(wǎng)關(guān)連接，COM1通過串口轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS 485，再通過RS 485總線與傳感器連接?？刂破飨蛏辖y(tǒng)一采用Modbus規(guī)約，向下的規(guī)約可能會因為傳感器的不同而不同，需要再定義。家庭網(wǎng)關(guān)與云平臺的通訊采用TCP Socket，統(tǒng)一采用Modbus規(guī)約。

2.1 通訊規(guī)約

控制臺上行通訊采用Modbus規(guī)約，便于網(wǎng)關(guān)的實時采集，同時也保證了系統(tǒng)的可靠性。Modbus規(guī)約幀格式見表1所列， 功能碼見表2所列。由于將傳感器作為寄存器，故定義為多路寄存器，在設(shè)計中通過功能碼10實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集。

2.2 傳感器和控制面板

傳感器技術(shù)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)中被作為一次定位，其主要特征是能準確傳遞和檢測出某一形態(tài)信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)信息。在智能家居系統(tǒng)中，傳感器信息包括PM2.5、CO2、甲醛等，控制臺中實時采集和保存?zhèn)鞲衅餍畔?，用戶足不出戶便可知道家中的環(huán)境狀態(tài)?？刂泼姘迨且粋€智能開關(guān)，相當(dāng)于一個傳感器，可通過命令實現(xiàn)狀態(tài)采集和遠程控制等。

3 家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

家庭網(wǎng)關(guān)基于Android操作系統(tǒng)，具備多個串口和一個無線WiFi網(wǎng)口。串口與控制臺相聯(lián)，WiFi無線網(wǎng)口與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，通過軟件技術(shù)完成網(wǎng)關(guān)通訊的功能。從而在家庭內(nèi)部各種家電信息共享的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了基于Internet的資源共享，在加深共享深度的同時擴寬了網(wǎng)絡(luò)廣度，這將是軟件可定義智能家居系統(tǒng)發(fā)展的重點。家庭網(wǎng)關(guān)主要具有家電控制、傳感器信息共享等功能。

3.1 實時監(jiān)測界面

當(dāng)傳感模塊傳來的數(shù)據(jù)超出設(shè)定值范圍時會變成紅色。當(dāng)處于紅色狀態(tài)時，由于網(wǎng)關(guān)實時監(jiān)控，因此會發(fā)出報警，提醒家庭用戶。實時監(jiān)測界面如圖2所示。

3.2 智能控制界面

通過家電控制單元，用戶可打開和關(guān)閉特定家電，從而實現(xiàn)對家電的控制，且該模塊會通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳入移動客戶端手機App上，方便用戶遠程實時了解家電的開關(guān)狀態(tài)。智能控制界面如圖3所示。

4 手機App軟件的設(shè)計

4.1 軟件可定義功能

4.1.1 背景可定義

該功能不同于傳統(tǒng)的智能家居，由于家家戶戶的布置和樣式都不一樣，因此手機應(yīng)用十分個性化，所以在App軟件中需實現(xiàn)背景的可定義。可通過拍照將自家房間做為軟件背景，直接模擬家庭樣式，效果更直觀。大廳控制界面如圖4所示。

4.1.2 家電位置可定義endprint

不同家庭的家電位置不一樣，也可移動，比如電視機之前安裝在南墻上，而現(xiàn)在移動到了北墻上，所以需要通過軟件自定義家電的位置。無論家中因為裝修或其他原因需要改變家電位置，都可以通過軟件實現(xiàn)家電位置的定義，家電位置如圖5所示。

4.1.3 房間可定義

不同家庭戶型不一樣，我們可設(shè)置房間個數(shù)和房間名，如圖6所示。設(shè)置完成后界面顯示如圖7所示。

4.1.4 家電可定義

傳統(tǒng)的智能家居若新增或改動設(shè)備十分困難，需要從軟件修改方面入手，而文中設(shè)計的軟件可定義智能家居系統(tǒng)只需用戶動動手指就能在上面增加或修改，實現(xiàn)了家電管理的可定義。設(shè)置界面如圖8所示，客廳節(jié)點（相當(dāng)于電器）顯示界面如圖9所示。

4.1.5 組合開關(guān)可定義

若用戶想同時開關(guān)兩個、三個或者更多設(shè)備時，只需要創(chuàng)建組合控制即可，實現(xiàn)了組合開關(guān)的可定義。

4.1.6 信息狀態(tài)同步的可定義

家里的家電運行狀態(tài)可以同步到移動客戶端，方便用戶實時了解家電的狀態(tài)。

4.2 軟件流程

手機App流程如圖10所示。

5 云平臺設(shè)計

云平臺是一套基于J2EE開發(fā)的服務(wù)器系統(tǒng)，布置在阿里云上，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，客戶端手機App與服務(wù)器通過HTTP請求JSON格式通訊。這種結(jié)構(gòu)將大量數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，使得開發(fā)、維護等幾乎所有工作都集中在服務(wù)器端，可有效保護數(shù)據(jù)平臺、管理訪問權(quán)限和服務(wù)器數(shù)據(jù)。在TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常進程間的通信采用客戶/服務(wù)器模式（Client/Server Model），所以本系統(tǒng)也采用這種模式實現(xiàn)服務(wù)器和手機客戶端的數(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)服務(wù)器的整體架構(gòu)如圖11所示。

6 系統(tǒng)主要特點

（1）系統(tǒng)采用的通信技術(shù)包括有線通信和無線通信，可根據(jù)家庭情況而定，新裝修的家庭建議采用有線通信，重新改造的家庭建議采用無線通信，系統(tǒng)中可定義這兩種方式。由于其具有低成本、低功耗、較遠的覆蓋范圍及通用性強等特點，因此必將成為智能家居系統(tǒng)中的一個亮點，同時也將為現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場新的變革。

（2）系統(tǒng)采用嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)，家庭網(wǎng)關(guān)具有本地服務(wù)功能，移動終端可連接網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和共享功能，移動終端也可通過云平臺實現(xiàn)對設(shè)備的控制、檢測、判定（判斷傳感器上的數(shù)值是否超過限定安全數(shù)值）等功能。

（3）系統(tǒng)采用軟件可定義技術(shù)，通過Android系統(tǒng)來定義智能終端軟件，也可根據(jù)用戶需求定義功能、界面等。其擁有可擴展性強、界面清楚、方便控制、使用簡單等特點，而這也是軟件可定義智能家居系統(tǒng)獨有的功能。

7 結(jié) 語

本系統(tǒng)不僅改進了傳統(tǒng)智能家居中存在的安裝、維護困難等缺憾，同時還實現(xiàn)了產(chǎn)品的個性化。該系統(tǒng)主要通過軟件可定義實現(xiàn)對家居界面?zhèn)€性化和家電信息的控制，并可實時返回信息。無論用戶身在何處都可隨時隨地了解家中家電的開關(guān)情況。系統(tǒng)能夠?qū)崟r精確的將傳感器數(shù)據(jù)返回到手機應(yīng)用上，一旦超過預(yù)期所設(shè)的數(shù)據(jù)將會發(fā)出報警。本系統(tǒng)在安全方面和報警方面已基本完善，具有成本低、維護和擴展簡便、易操作等優(yōu)點。

參考文獻

[1]錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報，2013，35（1）：215-227.

[2]張希偉，戴海鵬，徐力杰，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動協(xié)助的數(shù)據(jù)收集策略[J].軟件學(xué)報，2013（2）：198-214.

[3]耿東久，索岳，陳渝，等.基于Android手機的遠程訪問和控制系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用，2011，31（2）：559-561，571.

[4]朱洪波，楊龍祥，朱琦.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進展與應(yīng)用[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，31（1）：1-9.

[5]彭宇，王丹.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報，2011，25（5）：389-399.

[6]彭偉.嵌入式系統(tǒng)CRC循環(huán)冗余校驗算法設(shè)計研究[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，4（3）：258-265.

[7]錢志鴻，王義君.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J].電子學(xué)報，2012，40 （5）：1023-1029.

[8]張雨，包依勤，陳長偉.基于Android平臺的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（3）：24-27.

[9]季鑄，包依勤.中小學(xué)教學(xué)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（4）：100-103.endprint