盛军，范铭平顶山工业职业技术学院

基于云计算和网络服务的智能家居系统

盛军，范铭
平顶山工业职业技术学院

摘要：智能家居可以通过监测家庭环境和控制家电最大限度地减少用户干预。本文介绍了一种基于Web服务和云计算整合物联网（IOT）的智能家居系统。该方法的重点是：（1）使用智能嵌入到Arduino平台的传感器和动作装置;（2）采用ZigBee网络技术;（3）使用云服务与物件进行交互;（4）改进使用JSON格式数据的数据交换效率。此外，我们用三个实例来证明该方法的可行性和有效性，即检测家中环境，监控家电和控制门禁。

关键词：智能家居；物联网；云计算；Arduino的；Zigbee的；JSON

1、介绍

智能家居（SH）为检测用户家中环境（例如，湿度，温度，光度等）提供了方便，可在最少的用户干预下操纵并监控家用HVAC（供暖，通风和空调）装置[1，2]。以这种方式，通过前级传感器收集数据，中间级进行数据融合，然后在后级模块来完成行为识别。

本文提出了一种方案，以方便实现智能家居系统。第二部分介绍了我们通过选择案例设计，采用集成物联网和云计算的方法，第三节详细介绍了技术方案，第四部分提出了三种用途，第五节得出结论。

2、系统架构

该系统架构必须能够达到检测家中状况，处理仪表数据，并监测电器的要求。我们利用微控制器驱动的传感器，检测家中状况，使用微控制器驱动的动作装置来监视家用电器。使用PaaS（平台即服务）[3，4]和SaaS（软件即服务）[5]的云计算在后端处理数据[6]。

图1　智能家居系统结构

图1说明了系统架构的智能家居。它包括以下主要组件：

微控制器驱动的传感器：检测家中状况;微控制器解释并处理仪表数据。

微控制器驱动的动作装置：由微控制器接收并执行某些操作转移命令。该命令是基于微控制器和云服务之间的交互发出的。

数据库/数据存储：从微控制器功能的传感器和云服务进行数据分析和可视化存储，并作为命令队列发送到动作装置。

后端和前端间的服务器/API层：便于处理从传感器接收的数据和将数据存储在数据库中。

Web应用程序作为云服务：测量并可视化传感器数据，并使用移动设备控制设备。

3、方案设计

采用了以下一些技术来实现设计。这些设计包括Arduino微控制器，ZigBee通信协议，JSON用于数据交换，Google App Engine用于云计算。以下分别介绍每一项技术。

A.使用Arduino进行物联网编程

本设计采用Arduino平台做原型，并通过Arduino UNO作为微控制器电路板，使用通信技术，如RFID和ZigBee，对各种类型的传感器/动作装置进行编程。

B.采用ZigBee使智能家居网络化[7]

在家庭中部署Arduino嵌入式设备需要彼此通信以交换传感器数据，触发器，状态消息等。本设计的ZigBee联网智能家居系统，包括两种Arduino的UNO微控制器板，第一板作为中心接收器连接到所有动作装置，并通过以太网连接而连接到在Internet上的数据库。第二板是中央发射机，连接到系统中的所有的传感器，通过ZigBee技术在ZigBee的传感器/动作装置和中央Arduino板之间通信。

C.使用JSON进行数据交换

为了与云端进行通信，智能家居需要访问因特网。我们使用多个传感器，用于测量家中环境，传感器读数周期性地发送到中央服务器。同时，动作装置节点接收中央服务器的命令来控制家电。为了减少传输负荷和带宽的使用，使用JSON技术[8]。本设计需要4个Arduino UNO，每一个被分配1-4的编号，从中心发射机板通过ZigBee发送到中央接收器板,中央接收器板通过以太网连接到因特网和云端。

D.Web应用程序与云计算

Web应用程序被分类为两个主要部分：前端和后端。前端作为Web客户机与用户进行交互，后端为数据存储逻辑处理或存储服务提供计算服务。使用HTML5技术，采用jQuery Mobile开发web应用程序界面。此外，使用Ajax创建异步Web应用程序。后端服务，包括测量家里条件，监控家电和控制门禁等。还可使用在云端托管的数据库，对象和消息队列服务。

4.用例分析

本节介绍的功能，包括测量家庭环境，管理设备，以及门禁控制。

A.测量家庭环境

这个用例使用云服务用于测量家庭环境，测量服务允许用户存储并看到环境数据，可在任何地方任何时间进行查看，使用以下传感器模块：

近程和环境光传感器VCNL4000。它能记录在特定区域内的环境光总量，也记录给定对象的接近情况。

温湿度传感器DHT22[9]是一个低成本的数字温度和湿度传感器。它采用电容式湿度传感器和热敏电阻测量周围的空气，并在数据引脚上产生对应的数字信号（不需要模拟输入引脚）。

B.管理家用电器

该用例借助谷歌的云服务管理家用电器。用户可控制与家电关联的智能动作装置，如阀和开关，可执行诸如打开或关闭或在运行中进行调整的操作。并可执行不同功能，如开/关阀的百分比控制，流速控制，紧急停机（ESD）等操作。

C.门禁控制

我们使用125kHz的RFID标签和ID-12的RFID读取器[10]控制门禁。阅读器含一个12厘米以上读取范围的内置天线，用户都会有张唯一ID的RFID卡。离开或进入房子时，用户在门旁的RFID阅读器扫描RFID卡，扫描的ID从读取器通过串行协议发送到关联的Arduino板，Arduino板将ID通过控制服务与数据库中的授权标识进行比较。

5.结论

本文探讨了整合物联网的Web服务和云计算的智能家居的概念。设计包括使用Arduino平台的嵌入式智能传感器和动作装置，使用Zigbee技术的网络智能设备，使用云服务在不同的地点都能与智能电器互动，同时采用JSON改进数据交换效率。该方法经验证已成功用于测量家庭环境，监控家用电器和控制门禁，有较大的使用价值和应用范围。

参考文献：

[1]李勇.基于上下文感知计算的智能家居系统研究[D].重庆大学.2008

[2]梁明，李学瑞，石永华.中国电器科学研究院有限公司.智能家居能耗管理的研究进展[J].日用电器.2012(12)

[3]刘礼建，张广明.南京工业大学.基于ZigBee无线技术的智能家居管理系统设计[J].计算机技术与发展.2011(12)

[4]M.R.Alam,et al,"SPEED:An Inhabitant Activity Prediction Algorithm for Smart Homes,”IEEE Trans.on Systems,Man and Cy⁃bernetics,vol.42,pp.985–990,2012.

[5]刘浩.智能家居中基于用户行为的服务算法研究[D].湖南大学.2013

[6]岳敬华.基于云服务的智能家居系统的研究与设计[D].杭州电子科技大学.2014

[7]吕君可.浙江师范大学.ZigBee家庭自动化网络的测量与传感节点的设计与实现[J].计算机系统应用.2013(03)

[8]管健.首都经济贸易大学.基于XML和本体的物联网数据交换标准体系研究[J].物联网技术.2012(04)

[9]"DHT22 temperature-humidity sensor,"http://www.Adafruit.com/products/385,accessedon4/19/2013.

[10]"RFID ReaderID-12,"https://www.Sparkfun.com/data-sheets/Sensors/ID-12-Datasheet.pdf.

盛军（1977-），男，汉族，河南省邓州市人，硕士学历，讲师，单位：平顶山工业职业技术学院，研究方向：机电一体化；

范铭（1985-），男，汉族，河南省平顶山市人，本科学历，助教，单位：平顶山工业职业技术学院，研究方向：电子技术。

作者简介：