基于物联网公共云平台的远程家庭感知与控制系统

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1、基于物联网公共云平台的远程家庭感知与控制系统 摘 要： 针对智能家居系统普遍存在标准不统一、购买及使用成本高、对外不可扩展等问题，提出了一种基于物联网公共云平台的智能家居系统解决方案。设计和实现了一种基于公共云平台的智能家居系统整体架构，提出了家居环境舒适度、安全性、能耗三种智能终端，通过语音指令方便切换，实现了家居环境舒适度、安全性、能耗三个方面的感知与控制。然后，完成了智能终端设备与云平台服务器间的通信流程，实现了终端设备向云平台服务器上传数据以及云平台下发控制指令到终端设备的功能。最后，搭建了房屋模型，设计了智能家居系统可视化的展示平台，实现了设备通过Internet或移动互联网在任何时

2、间、任何地点远程查看和控制家中智能设备。 关键词： 物联网； 公共云平台； 智能家居； 远程感知与控制 中图分类号： TN92?34； TM417 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（）11?0030?04 Abstract： Since the smart home system has the problems of non?unified standards， high purchase and use costs， and poor extension， a solution for the smart home system based on the Internet

3、of Things （IOT） public cloud platform is proposed. An overall structure of the smart home system based on public cloud platform was designed and implemented. Three intelligent terminals of home comfortable environment， safety and power concumption are put forward， and realized by the convenient swit

4、ching of voice command. The communication between the intelligent teminal equipment and cloud platform server was accomplished. The functions of uploading data from terminal equipment to cloud platform server and control command from cloud platform to terminal equipment were implemented. In this pap

5、er， the intelligent house model was established， and the visual display platform for the smart home system was designed. The function of the system to remotely control and examine the home intelligent equipment anytime or anywhere through the Internet or mobile intrenet was realized. Keywords： Inter

6、net of Things； public cloud platform； smart home； remote sensing and control 0 引 言 与普通家居相比，智能家居系统使得原本被动、静止的居住空间变得能动、智能起来，家庭内外部的信息交换变得通畅1。它可以帮助大家合理安排时间，提升效率，为大家提供更舒适、安全、健康、便捷的居家体验以及更高效的能源利用，从而拥有更节能、经济、环保的生活方式2。 智能家居系统具有很现实的意义而且需求量巨大，然而现在智能家居行业仍处于起步阶段，现有的系统普遍存在一些问题，如标准不统一、购买及使用成本高、对外不可扩展等3。以上两方面构成了矛盾，

7、因此研究设计一套低功耗、低成本、可扩展且统一平台的智能家居系统显得十分必要4。 1 基于物联网公共云平台的智能家居系统架构 设计与实现 1.1 系统整体架构设计 基于物联网公共云平台的远程家庭感知与控制系统架构如图1所示。该系统主要由感知与控制终端、网络层和用户终端应用系统三部分组成。感知与控制终端由各种传感器和控制器构成，主要完成环境信息的采集和控制；网络层由私有局域网、互联网、移动通信网络和云计算平台等组成，完成传递和处理感知与控制终端获取的信息；用户终端应用系统是云平台和用户之间的接口，以Web或终端APP的形式将信息内容呈现给用户，并提供基本操作等功能5。 安设在家中的数目及种类众多的

8、传感器完成家居环境数据的采集，通过WiFi网络经路由器将这些数据上传到公共云平台服务器。云平台一方面完成这些数据的实时显示，另一方面当环境数据不合理时可给出相应的调整策略，包括向家庭成员推送消息提醒和自动触发预先设定的规则6。 本方案中公共云平台取代了传统的PC机或某种嵌入式设备作为服务器，成为了系统核心。该系统可以被看作是一种上/下位机结构，上位机就是云平台，用于完成设备接入、控制逻辑处理、数据管理等，下位机就是各种智能终端，即网络采集和控制终端，由一些传感器、继电器、单片机和WiFi模块组成，用于完成家庭环境数据的采集和家电设备的开关控制。 1.2 云平台部署形式选择 目前，基于云计算的应

9、用还处于初级阶段，架设私有云和社区云对每个家庭的成本开支比较大，而混合云现在发展的还很不成熟，故选用了单位价格低廉、功能全面、应用灵活的公有云作为智能家居系统的搭建模式。 1.3 云架构及其服务模式 根据云计算面向的用户及需求不同，云架构通常也不同，运营商提供的云服务模式侧重点也各有差别，但是云架构的本质是不变的，NIST将其服务模式划分为三个层次：Iaas（Infrastructure as a Service，基础设施即服务），PaaS（Platform as a Service，平台即服务），SaaS（Software as a Service，软件即服务）。PaaS和IaaS源于Saa

10、S理念7。对于不同类型的用户，这三层的关系不是相互独立的，即使对于系统开发人员，这三层也不是简单的继承关系8。智能家居云服务系统的服务对象主要是：平台管理者、系统开发者和普通家庭用户，因此，结合云架构的服务模式设计的基于云平台的智能家居系统架构图如图2所示。 2 智能感知与控制终端设计与实现 2.1 终端硬件总体设计 智能感知与控制终端硬件总体结构如图3所示。终端硬件采用模块化的设计思想，共分为五部分，其中主控制器选用了以Atmega328为核心的AVR单片机Arduino；采集与控制模块由各种传感器及继电器设备组成，主要完成环境数据的采集与电器开关控制；显示与报警模块由液晶显示屏、LED灯、

11、蜂鸣器等组成，负责环境数据的本地显示与超阈值报警；语音控制模块由语音识别与语音合成模块组成，主要功能是接收控制指令与反馈执行结果；网络模块选用了ENC28J60这款以太网控制器，并配合WiFi模块主要实现终端设备的无线互联网接入功能。 2.2 主控制器选型 主控制器选用了以Atmega328为核心的AVR单片机Arduino。Arduino在简化单片机工作流程的同时，更有价格低、硬件开源、可扩展、良好的跨平台性等优点8。Arduino编程语言基于AVR?C。终端设备的主控芯片选择了与Uno功能大体相同，但体积更小、价格更低的ProMini板。Arduino Uno的大脑是Atmel AVR A

12、tmega328，它封装了中央处理器（CPU）、内存阵列、时钟和外围设备。 2.3 网络模块接入与网络配置 （1） 以太网控制器选型与接线。为了将主控Arduino设备连入网络就必须为其配置网络模块，本文采用了一种价格更为低廉、体积更小的基于Microchip ENC28J60的以太网控制器。 （2） 网络控制器参数配置。在把一个网络设备连接到互联网之前，首先需要对其参数进行一些配置，对ENC28J60的网络参数配置通过配置其库函数实现。 （3） 无线WiFi模块配置。为了实现设备可以通过WiFi网络接入无线路由器，本方案选用了TPLINKTL?WR702N，并将其配置成客户端，在这种模式下，

13、路由器的作用就像无线网络与有线网络之间的桥梁一样。WR702N很小，并且可以通过MicroUSB线给它供电。 2.4 语音控制设计与实现 为了提升智能家居系统使用的便利性与趣味性，本文采用LD3320语音识别模块设置了二十几条指令用于语音控制灯光、窗帘、空调等设备，并配合SYN6288语音合成模块，编写软件程序，构建本地人机交互系统9。SYN6288 通过UART通信方式，接收待合成的文本数据实现TTS（文本到语音）的转换。项目针对SYN6288中文及数字语音播报进行了编程实现。 为了最大程度地防止系统出现误操作，在本文程序设计中加入了一条触发指令“瓦力”，只有在系统首先识别到“瓦力”指令的时

14、候，才进入5 s的接收控制指令状态。例如，如果要执行开灯命令，则需先说：“瓦力”，之后系统会说：“您好”，然后你再说：“开灯”，之后系统才会检测开关状态、执行开灯命令。如果不先叫“瓦力”的名字，它不会理会你的吩咐。本地控制系统中加入语音识别和合成功能，不仅使系统下达控制指令更加方便，而且智能家居系统在实时检测环境信息，当有危险情况发生时，系统可以及时报警并语音播报危险情况。 2.5 舒适度感知与控制 舒适度感知与控制终端主要完成家居环境温度、湿度和颗粒物的检测与显示，并通过网络模块将这些环境数据上传到云平台，当温度数据超出云平台设定的阈值时，云平台推送控制命令到该终端，终端接收命令并执行发送红

15、外信号开启空调的操作。舒适度感知与控制终端程序设计了本地工作模式和云工作模式两种状态。两种状态相互独立，可通过语音指令进行切换。 本文在处理采集到的颗粒物数据时，融合了中位值滤波与算数平均滤波两种算法，即首先对被测量连续采样次，然后去除队列中的最大值和最小值，计算剩余个数据的算术平均值，另外，考虑到计算速度与RAM大小，本文程序设置为10。这种改进算法的优点明显，可有效消除偶然出现的脉冲性干扰引起的采样值偏差，而且对于周期干扰有良好的抑制作用。红外接收头选用38 kHz接收头，用于接收家中电视机和空调的红外编码。 2.6 安全性感知与控制 家居安全性的感知包括两个方面：一是对煤气、天然气泄漏的

16、检测；二是对外人入侵的检测，当无人在家中时，如果红外监测模块检测到有人通过门或窗进入室内，则发送消息给家庭成员，及时报警10。 家居安全性的感知使用户能够拥有一个更加安全的环境。当然用户不希望家人在家时红外检测一直进行，做饭时产生的油烟也可能会使燃气检测装置一直报警，这时只需告诉智能小助手，“我回来了”、“我要做饭了”类似这样的指令，红外检测装置会自动的停止检测，燃气泄漏报警装置停止报警，此时燃气传感器仍然在采集数据，但向云平台发送的数据经过了取负处理，云平台显示做饭模式。燃气泄漏模块选用MQ2款传感器，红外运动检测模块选用HC?SR501人体热释电运动检测传感器。 2.7 能耗感知与控制 能

17、耗感知与控制终端主要实现对家中各种用电设备的耗电监测与远程开关控制，这样即使不在家中仍然能够控制家中电器。能耗检测模块可选用JSY?MK?109计量模块，光照强度检测模块在本项目设计中采用BH1750FVI，其光强度探测范围为165 535 lx。能耗感知与控制终端组成，如图4所示。 3 智能终端与云平台服务器的通信实现 3.1 利用Socket技术实现上层应用程序通信 客户端主机A上的上层应用程序A要与服务器主机B上的上层应用程序C实现通信，需要经过下面几个步骤： （1） 网络层的IP协议根据IP地址寻找目标主机； （2） 找到目标主机后根据TCP/IP协议建立连接（TCP或UDP）； （3

18、） 建立Socket连接； （4） 通过端口号从主机上运行的多个应用程序中找到指定的应用程序。 3.2 数据上传与反向控制流程设计 （1） 总体流程设计。基于物联网公共云平台的远程家庭感知与控制系统组成及各主要部分通信过程流程图如图5所示。 （2） TCP连接实现。在创建Socket连接时，需要指定传输层协议（TCP或UDP），本项目长连接反向控制基于TCP协议，因此在这种情况下可以说Socket连接就是TCP连接。Socket连接的建立流程主要包括：服务器监听、客户端请求、连接确认。 （3） HTTP请求Post数据实现。本设计中需要将传感器数据上传到云平台，因此用到的是Post方法，HTT

19、P请求格式如表1所示。 4 系统整体测试 4.1 测试环境 为了测试系统，首先需要搭建网络环境：无线路由器一台（型号TP?LINKTL?WR740N），IPv4默认网关为192.168.1.1，该路由器能够接入Internet，；以Arduino作为主控板的智能终端，程序中配置其IP地址为192.168.1.102，网络控制器通过RJ45接口与WiFi模块相连，WiFi模块选用TPLINKTL?WR702N，并将其配置成客户端工作模式，与TP?LINKTL?WR740N无线通信；Android操作系统移动终端一台，使用HTCONE智能手机，Android系统版本为5.0.2，使用Chrome浏

20、览器，JavaScript版本为V84.2.77.15；PC机一台，操作系统为Windows 8。 4.2 功能测试 （1） 通过浏览器查看与控制环境数据 PC端打开浏览器，登陆平台管理系统即可查看各传感器设备实时的或最近一段时间的环境数值。用智能手机打开蜂窝数据流量开关，在浏览器输入网址，登陆账号即可查看与控制设备。 （2） 本地语音控制测试 说出指令“瓦力”，回复“为您服务”；5 s内没有进一步指令，回复“您什么都没说”；5 s内有进一步指令“开灯”，执行开灯操作，反馈执行结果“灯已打开”；再次说“开灯”，回复“灯已打开”；指令关灯，回复“正在关灯”，执行关灯操作。 （3） 微信命令测试

21、测试温湿度查询指令inquiry_t&h，平台依据不同阈值设置的发送内容成功返回数据。 测试开关灯指令，平台会返回执行结果，发送open_light1指令时，客厅灯开启。 （4） 本地Web服务器功能测试 智能手机打开WiFi网络开关，接入无线路由器，则该手机与智能终端处于同一局域网环境，本文设计实现了Arduino作为Web服务器的功能，即使没有Internet访问时，仍可以通过输入网址访问自己设计的Web页面，进行开关控制和传感器数据查看。 5 结 论 本文在分析了智能家居的市场及研究现状后，指出了现有智能家居系统的一些不足之处，针对这些问题，提出了一种基于物联网公共云平台的智能家居系统解

22、决方案。本文对基于云平台的智能家居系统做出了一定的探索研究，整个课题在一定程度上达到了预期的效果。 参考文献 1 苏本跃，王广军，章健.基于物联网环境下体感交互技术的智能家居系统J.中南大学学报（自然科学版），44（z1）：181?184. 2 沈苏彬，杨震.物联网体系结构及其标准化J.南京邮电大学学报（自然科学版），35（1）：1?18. 3 张一哲，杨晓晴，马国庆.基于电力载波通信和RS485通信的住宅小区安防报警系统设计J.电气应用，32（10）：50?53. 4 任荣.基于B/S结构的智能家居系统的研究和实现J.广东通信技术，（12）：25?29. 5 杨斌，李仲龙，孙林花，等.PC+时代搭建智能家居平台的探索与研究J.电脑知识与技术，（8）：5133?5135. 6 吴佳兴，李爱国.基于云计算的智能家居系统J.计算机应用与软件，30（7）：240?243. 7 李鸿.几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较J.现代电子技术，33（3）：143?146. 8 裴超.基于云计算的智能家居系统架构研究J.软件导刊，13（3）：80?82. 9 张宏君，高晓婧.一种基于物联网的智能配送终端系统设计J.现代电子技术，37（21）：24?26. 10 李灏，杨海波.基于ARM的物联网温湿度采集节点设计与实现J.现代电子技术，37（14）：132?134.