基于云平台支持多通信协议的智能家居平台设计与实现
2021-12-17黄欢
黄欢
摘要：随着智能家居应用的日益兴起，目前市场上的家居产品缺乏统一的标准，针对目前已有智能家居系统通信连接方式单一化的状况，提出了支持多种通信协议的连接方式。各终端智能设备可以通过Wi-Fi或ZigBee或Z-Wave或蓝牙等通信协议连接到智能家居平台。客户端可通过网页，微信小程序或App等多个入口来控制平台的终端设备，平台支持语音输入控制设备，还可以自定义各种模式，当规则满足后平台会自动完成一组设备控制操作。
关键词：智能家居;云平台;Wi-Fi;ZigBee;Z-Wave;蓝牙;语音
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）33-0074-04
开放科学（资源服务）标识码（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
随着互联网技术的不断发展，智能家居与人们的生活联系越来越紧密，越来越普及。目前，智能家居设备种类繁多，支持的通信协议也各不同，没有统一标准，要接入到同一个家庭网络中显得比较困难。现有的家居系统多为支持一种或两种通信协议为主，有的智能家居系统只以单一产品为主，如我们的智能扫地机，智能洗衣机，智能电视等，这些都不是一个完整的智能家居系统。独立且割裂的单个功能并不是智能家居预期的效果，用户也不能体验到智能家居的全貌。智能家居系统也不是各种设备的简单组合，而是一个互联的整体。现阶段由于各个厂商通信协议不一样，它们又仅支持各自厂商自己的终端产品，每个产品都有自己独立的App或服务，这样，用户每买一个厂商的产品就需要安装一个App，那么要控制不同厂商的产品显得非常不便捷。基于这样的问题，本文设计了支持多种通信协议智能家居平台，不同厂商的设备都能连接到本平台中，且只需要通过一个客户端，用户就可以轻松控制和访问平台里所有设备的信息。用户能远程或在家查看家里所有设备的状态并能控制，如一键离家模式，自动关闭不用工作的电器，节约出门时间;睡前不想起来关灯，打开手机便可以关灯;远程可以检测到家里煤气是否泄漏，有无告警，引起用户的注意，避免事故发生，提供安全性保护。平台还可以通过语音命令来操作设备，体现更人性化的服务[1]。
1 常用技术对比
从表1可以直观地看出以上四种通信技术各有优缺点，传输距离 Wi-Fi> ZigBee> Z-Wave>蓝牙、传输速度 Wi-Fi>蓝牙> ZigBee>Z-Wave、功 耗Wi-Fi>Z-Wave>蓝牙>`ZigBee， 可容纳的最大网络节点数量ZigBee>Z-Wave> Wi-Fi>蓝牙，安全性蓝牙>ZigBee>Z-Wave>Wi-F、成本Wi-Fi>ZigBee>蓝牙>Z-Wave>。Wi-Fi是目前应用最为广泛的无线技术，它具有用户群最多和传输速度快，但是它有着安全性低，成本高、功耗大和网络节点容量少等弊端;而ZigBee技术具有低功耗、低成本、传输距离大，网络节点容量巨大等优点，缺点是传输速度慢;Z-Wave技术有着最低功耗和最低成本，拥有较低的传输频率，相对较远的传输距离，Z-Wave技术暂时还没有国际标准，每个国家的频段也不同;蓝牙技术具有功耗较低、成本较低、性能稳定的优点， 但其缺點是传输距离太短、网络节点容量太少[2-3]。
智能家居平臺的理念是要让所有不同厂商的设备都能互联，所有设备的通信都是通过网络进行传输，但有一个问题，每个设备产商支持的通信协议不同，如何让它们能在单一的网络上协同工作？我们将上述几种通信技术都应用到我们的平台Gateway中，平台Gateway根据配置文件的协议信息打开或关闭某协议功能，与支持不同通信协议的终端设备进行组网。这样设计最大的好处能满足用户不同的需求，用户可以将他喜欢的任何厂商的智能家居设备都连接到我们的平台中。
2 平台三大主要功能
2.1 设备控制功能
智能家居平台中最常用的是对家中各设备进行操作，如开关灯，调节灯的明暗，调节冰箱温度，开关空调，设置空调温度，开关电视，窗帘等设备。这些操作不仅能提高家电的使用效率，符合节能的原则，还能提高用户体能，享受到智能带来的好处。设备控制功能是智能家居平台中核心的功能。我们除了可以控制单个设备还可以设置多种模式：
如：模式1：七、八月份17点30，关闭窗帘，空调启动，并设置空调为制冷26度。
模式2：十二月、一月份17点30，关闭窗帘，空调启动，并设置空调为制热20度。
模式3：晚上21：30熄灭家里所有的灯。
模式4：早上6：30 打开窗帘，床头灯微亮10分钟后关闭。
模式5：早上6：40 卫生间的灯打开正常亮度5分钟后关闭。
模式6：早上6：45 厨房的灯打开正常亮度30分钟后关闭。
模式7：早上7：15 熄灭家里所有的家用电器。
设定模式的好处是将用户的行为习惯记录下来，当该模式的规则满足时，该模式将被触发，设备的状态将会被改变。这样做的好处一是省去了单个设备的操作的时间，二是也为平台进一步优化提供了数据源。用户除了通过界面上的模式设置功能设置不同的模式来控制不同的设备外，也可通过语音控制器发出语音指令，完成设备控制操作。
2.2 安防功能
家里厨房安装好煤气监测仪，尤其要监测一氧化碳的含量，当家里发生煤气泄漏时，会启动告警功能;厨房安装烟雾探测器，连入智能家居平台中，当家里发生失火时，会启动告警功能，并通知主人;借助人体红外传感器，门磁传感器及摄像头，若监测到有人非法进入，如用外力破坏防盗门智能门锁，平台会发出告警并通知用户。这样能最大限度地保障房屋及室内的人身、财产安全 [4-5]。
2.3 监控功能
通过家庭网络建立起一套监控系统，对家居内外环境进行实时监控，采集的数据可以长久保存在云端，以便后期随时调取查看。当用户长时间不在家时或者只有老人、孩子在家时，平台通过摄像头传来的数据进行目标检测，人体姿态检测技术等判断家人的情况，当家人跌倒或发生危险时，通过告警信息，以便用户发现异常，及时消除隐患。
3 平台设计方案
3.1 平台网络结构
平台的Gateway通过Wi-Fi连上家里的无线路由器，Gateway与支持不同协议的子网又如何进行通信呢？平台Gateway可以通过配置文件的信息来判断该开启或关闭哪种通信协议，Gateway可通过家里无线路由器与支持Wi-Fi终端设备通信;通过ZigBee协调器与支持ZigBee协议的终端设备通信，通过蓝牙模块搜索到支持蓝牙的终端设备，绑定成功后开始通信;通过Z-Wave技术将支持Z-Wave协议的终端设备进行通信，如图1所示。我们的平台还有可扩展性，还可增加其他plugin模块来支持其他通信技术如5G、Thread、Lora、Halow等，平台还支持多系统，如Windows和Linux。智能家居设备可以是家用电器设备，照明设备，影音设备，智能门窗设备，安防设备等，通过智能家居平台让每一件智能家居设备都可以连接到网络中，实现了任何一种家居产品都能与平台进行有效信息传输。
3.2 Gateway配置文件
配置文件如图3所示，文件中显示所支持协议的plugin，暂时用不到的plugin可以注释掉，后续还可以添加新开发的plugin，这样不仅提高了平台的可扩展性也提高了平台的健壮性。
3.3 平台设备加入或删除
Gateway的plugin进入到可加载新设备模式，终端开启设备加入模式，Gateway与终端设备匹配成功后，新设备加入，流程如图4。Gateway可从它的设备列表中删除某个设备，该设备便从平台中移除了。
3.4 server设计及部署
基于云端的智能家居管理系统采用 B/S 三层体系架构，使用 java语言进行 Web 设计，同时使用了 HTML 以及 CSS 相关技术，把阿里云平台作为服务器，采用MySQL数据库。云端的server主要分为账户管理，数据采集，模式管理，设备控制与管理和语音控制等模块如图5所示。云端的server可以连接多个Gateway，这个设计考虑到现在好多人手里多套房子，用户可以通过一个客户端一个账号就能轻松管理多个房子的家居设备。云端的server是用户操作设备和获取设备信息的桥梁，其负责数据处理和存储，用户可通过微信小程序或手机App向智能家居平台发送指令，智能设备接收到指令后执行相应操作，并将相应信息自动上传至云服务器端保存，还会周期性采集某些传感器的数据（如温度，湿度）上传至云服务器端保存，用户可随时登录云端查询相应信息，如图6所示。如客户端可查看最近一个月的温度数据详情，用户控制设备的操作的数据则可以保存数年之久，这些数据对于平台后续的扩展非常重要，为后续引入深度神经网络学习模块作为样本数据，对用户行为进行分析，便不再需要用手动设置模式，可享受到智能帶来的便捷。
Gateway 连接到云服务器后，用户可以通过PC web端，手机浏览器，微信小程序或 App 多种终端对设备进行远程监控与管理，微信小程序的设备控制界面如图7，模式设置界面如图8所示。
4 平台测试
主要对平台的功能进行了测试，客户端控制支持不同协议的设备，设备均能做出相应的状态改变。特别是模式管理中，当触发规则满足时，多个设备的状态与设置的状态是一致的。用户操作的数据和传感器数据均能存储到云端指定的存储位置，在客户端可查询。还对Gateway进行了断电断网测试，平台可以实现自动恢复到断电前的状态并继续正常工作。测试表明系统具有较好的稳定性， 基本功能正常有效可以满足日常的需要。
5 结束语
由于无线传输技术的多样化，本文设计的智能家居平台针对现有家居的一些不足做出了改进，本平台最大的优点是支持不同的协议进行通信，平台还有一定的扩展性，用户可以根据自己的喜好随意选择智能设备，以满足用户不同的需求。构建的智能家居平台，可以实现对家庭各种设备进行控制和管理。不论用户是否在家，都可以通过手机或电脑来掌握家中各设备的情况，实现了对家电、煤气和外来者的监督控制，让家居生活更舒适和安全。
6 未来展望
用户控制设备指令触发的一些系列状态变化和传感器周期性采集的环境数据作为原始数据源，根据传感器数据找出用户行为特征之间的关联性规则，从用户的生活习惯，使用习惯来探索用户行为事件关于时间序列的分布特征;可以加入神经智能网络，对数据进一步分析，识别一次完整的用户行为事件，将智能地为用户设置好满足用户需求的模式而无需用户手动设置模式，帮助用户构建一个更加舒适、智能、个性的生活方式，将提升人们的生活品质[6-7]。安全性也是一个重点要考虑的内容，如有些智能设备还存在AP弱口令，密钥机制不健全，设备绑定流程不严密，这些用户信息极易被盗取，后续将考虑组网时采用链路加密机制来确保网络安全，因为一旦黑客能掌控你家的设备，安全隐患就特别大[8]。
参考文献：
[1] 崔宝秋，王斌，周珏嘉，等.人工智能技术驱动下的新一代智能家居[J].人工智能，2020，7（5）：6-13.
[2] 唐华，谢锐.ZigBee技术在家庭网络中的应用研究[J].广播电视网络，2021，28（2）：102-104.
[3] 张洪涛.几种常见无线技术在智能家居中的应用分析[J].电脑知识与技术，2021，17（1）：69-70.
[4] 张天伦.浅谈ZigBee技术在智能家居安防系统中的应用[J].科技风，2021（5）：15-16.
[5] 王宇豪，周杨.物联网传感器技术在智能家居中的应用研究[J].中国管理信息化，2020，23（4）：187-188.
[6] 王军，孙泽军.基于用户行为分析的物联网智能家居监测控制系统的设计与实现[J].物联网技术，2020，10（9）：71-74，79.
[7] 毛博，徐恪，金跃辉，等.DeepHome：一种基于深度学习的智能家居管控模型[J].计算机学报，2018，41（12）：2689-2701.
[8] 张伟，王明倩，胡雄强.浅析智能家居系统的安全性与防护[J].微型电脑应用，2020，36（6）：13-15.
【通联编辑：谢媛媛】
