基于互联网的智能家居管理控制系统设计与实现

张君艳，董立勉，卢 宁，刘鹤灵，袁晓磊，高志强

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

基于互联网的智能家居管理控制系统设计与实现

张君艳，董立勉，卢 宁，刘鹤灵，袁晓磊，高志强

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

针对传统家居设备操作繁琐的问题，设计了一种基于互联网的智能家居管理控制系统，介绍系统的总体架构，以及WEB端设备管理模块、通信服务器模块、系统数据库的功能设计，分析系统安全、短信服务、通信协议等关键技术的实现方法，认为该系统可为智能小区用户提供安全、舒适、便捷的数字化服务。

智能家居；互联网；智能设备；控制系统；系统设计

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。以下针对传统家居的设备操作方面较繁琐、不方便的缺陷[2]，设计了一种用于居民生活小区的智能家居管理控制系统，用户输入用户名、密码及手机验证码，验证身份后，通过访问互联网可以随时随地操控家中的智能设备，为用户提供了一种安全、舒适、便捷的生活环境。

1 系统总体架构

智能家居管理控制系统是一个基于WEB的设备管理平台，主要由WEB端设备管理模块、短信服务模块、通信服务器、数据库服务器及智能设备等部分组成，通过采用合理、有效的组网方式，对小区的智能设备进行管理和控制。该系统总体架构采用小区局域网连接互联网的方式(见图1)，即智能设备、系统数据库服务器、通信服务器通过有线局域网组成小区局域网，WEB应用服务器通过防火墙连接到互联网并对用户提供服务，从而达到小区居民通过互联网能够控制家中智能设备的目的。

图1 系统总体架构示意

该架构方式适合于用户量大且集中在某一区域范围的情况，具有网络速度快、网络传输信号稳定、受外界干扰小的特点，但是该方式存在建设成本高和对中心结点要求高的缺点。如果用户分散且用户量较小，可以采用系统直连到互联网的方式部署，该方式成本较低，各节点之间比较独立且无干扰，但是该方式网络传输速度慢、传输信号不稳定。

2 系统功能设计

2.1 WEB端设备管理模块功能设计

WEB端设备管理模块选用JAVA语言进行开发，采用目前主流的J2EE框架，借鉴MVC(Model View Controller)模式构建了浏览器/服务器(B/S)的体系结构，其中MVC设计模式见图2。

图2 MVC设计模式示意

系统采用浏览器访问设备管理平台的方式，大大降低了用户安装和维护系统的难度，为用户提供了友好的操作管理界面，同时系统具有较强的可伸缩性和可扩展性[3]。

WEB端设备管理模块给小区用户和管理员提供了基于WEB界面的设备管理工具，系统用户通过输入用户名、密码和手机验证码完成身份识别后方可对具有权限的设备进行管理和控制。WEB设备管理模块主要包括设备控制、系统设置、日志管理、统计查询、设备维修、设备管理、高级设置等功能，见图3。

图3 WEB端设备管理模块功能示意

主要功能模块说明如下：

a. 设备控制模块是智能家居控制管理系统的核心，该功能包括家电控制和场景控制，用户可以使用该模块实现对自己家中的智能设备的开启、关闭、调节等远程操作。

b. 设备维修模块是在用户设备故障时向物业申请维修的一个通道，管理员或物业维修人员收到用户报修信息后及时对智能设备进行维修，维修完成后填写维修记录。设备维修界面包括查询、添加、修改、查看、删除维修记录的功能。

c. 设备管理模块是管理员对智能设备进行管理和查看的页面，包括修改智能设备IP地址、设备密码、系统时间及添加设备指令格式等功能。

2.2 通信服务器主要功能设计

采用成熟的三层体系结构及C/S模式设计，选择.Net技术进行开发，并且服务器支持Tomcat中间件系统。系统中通信服务器主要用于WEB端设备管理模块与智能设备的信息交互，即通信服务器将从WEB端接收到的控制指令发送到智能设备控制器上，并将设备操作结果返回到通信服务器，通信服务器将设备最新状态更新到数据库，设备的最终状态在WEB界面中进行展示。

系统中通信服务器主要由智能同步、智能控制、智能安全、智能日志、智能报警及智能识别等模块组成。其中，智能同步模块负责WEB端设备管理模块与智能家居控制器之间数据的同步；智能控制模块负责与智能设备进行通信，包括前台指令的发送、指令的获取与转发、反馈信息的呈现；智能日志模块包括业务操作日志和程序异常日志两类，其中业务操作日志是对智能设备发送的指令、两者的同步信息过程、报警信息、控制指令的反馈等进行日志的保存，以备数据查询；智能安全模块包括运行安全、数据安全、操作安全三方面；智能报警模块根据智能设备的报警信息向用户手机发送短信、声音等形式的报警；智能识别模块是对智能设备的状态进行判断和监控，程序通过定时机制与智能设备进行Socket尝试连接，连接成功表示设备在线，连接失败表示设备掉线，模块获取到的状态及时更新到数据库。

2.3 系统数据库设计

由于My SQL数据库具有易操作性、易管理性等特点，结合智能家居管理控制系统在升级和可扩展性等方面的要求，该系统数据库选用My SQL数据库进行设计。

3 系统关键技术实现

3.1 系统安全技术

由于WEB应用服务器架设在互联网中，因此系统安全性尤为重要。智能家居管理控制系统的安全设计主要通过以下技术实现。

3.1.1 用户身份信息验证

系统采用“用户名+密码+手机验证码”的方式对用户身份进行识别，用户手机验证码的接收是借助短信服务模块实现的。在系统的个人信息设置中可以设置自己的密码、用户名、手机号码、办公电话、邮箱及地址等信息。如果用户要修改个人信息需要输入正确的手机验证码方可保存，较好地保证了用户的安全。

3.1.2 日志管理功能

系统设置了日志管理功能，包括用户操作日志和用户维护日志，对智能设备或用户账户的操作将记录到此模块中。其中用户操作日志是用户对智能设备操作的记录；用户维护日志是除了用户操作日志之外的日志，如修改用户、添加用户、添加指令等，日志管理功能，为用户和管理员查询设备操作记录提供了接口，使得用户对智能设备的远程操作更加安全。

3.1.3 统计查询功能

系统设置了设备控制、安防报警等方面的查询统计功能。其中设备控制统计查询包括智能设备IP、控制指令内容、操作结果、操作时间、指令操作人、指令返回时间及返回状态等详细信息的查询；安防报警统计查询包括报警时间、报警内容、报警用户等信息。通过统计查询功能的设置为用户智能设备的操作和家庭的安全提供了保障。

3.2 集成短信服务功能

智能家居管理控制系统集成了短信服务的功能，在系统单独的模块中对短信服务器的IP地址、端口号、用户名、密码等信息进行设置，当系统需要发送信息或接收指令时直接调用短信服务模块的接口即可。在智能家居管理控制系统中，短信服务模块的消息发送功能包括操作智能设备的用户身份验证，发送安防报警信息，向用户发送通知公告等；短信服务模块的消息接收功能主要是接收用户发送的指令，如用户通过手机编辑短信“空调，开启”发送到短信服务模块，该信息接收后存入后台数据库，通过将信息按照协议转换成智能设备可以识别的指令，该指令通过系统发送到智能设备上从而达到用户操作智能设备的目的。

3.3 通信协议设计

在智能家居管理控制系统中用户与智能设备的交互是通过通信服务器中通信协议的设计实现的。为保证用户与智能设备的通信，需要在通信服务器上设置智能设备的IP地址、子网掩码、监听端口及报警监听端口等参数，并将设置好的信息保存在数据库中，方便服务器调用。用户与智能设备进行通信时只有发送指令的密码正确，命令才会被执行, 如果密码错误，命令会执行失败。在通信服务器上设置定时监测智能控制器状态的配置，用于数据同步并将智能设备的在线状态反馈给用户。

4 结论

居民生活小区的智能化是一个全新的概念，与普通的住宅相比，智能小区具有无可比拟的优势[4]。基于互联网的智能家居管理控制系统是利用现代网络通信、计算机等技术实现的对智能设备远程控制和管理的平台，该系统适合于统一部署、集中管理的智能小区用户对智能设备的管理和控制。用户只要能够访问互联网即可登录到该系统对智能设备(空调、电视、窗户、窗帘等)进行操作，系统采用“用户名+密码+手机验证码”方式进行身份识别，安全性较高；此外系统还具有短信控制、安防短信报警、用户操作记录查询等功能，可为小区居民提供安全、舒适、便捷的数字化服务。

[1] 罗思晟.论智能小区的安防系统[J]. 智能建筑，2009(106)：72-75.

[2] 马 明，徐保国，钟 强.物联网智能家居系统的研究与设计[J].传感器世界，2012,18(6)：27-30.

[3] 董立勉,刘 岩,卢 宁.基于信息内外网的电力技术监督管理系统设计与应用[J].河北电力技术，2012,31(3)：21-23.

[4] 张自强.复式住宅中智能家居系统的研究与实现[D].西安:西安科技大学,2006.

本文责任编辑：齐胜涛

Design and Implementation of Smart Home Management Control System Based on Internet

This paper designes a kind of the Smart Home Management Control System based on internet,in view of traditional home devices operation cumbersome,introduces system structure,and function design of WEB end device management module,communication server,system database,analyzes the key technology implement of system safety,message service,communication protocol,considers that this system can provide safe,comfortable,portable digital service for intelligent community

smart home;internet；smart device;control system;system design

2013-01-31

张君艳(1985-)，女，助理工程师，主要从事电力信息化等相关工作。

TP399

B

1001-9898(2013)04-0028-03