基于物联网技术架构的家居环境智能监控系统

程洋　黄绘　刘鑫爽

【摘 要】基于物联网的技术架构，设计一种新型自主式的家居环境智能监控系统；详细介绍了系统的三层架构模型，系统各层的设计方案和主要技术；经过实验测试，系统能够依据用户设定的状态自主、安全和稳定地运行，多用户可同时使用，整个系统结构清晰，方便维护和升级。

【关键词】物联网 ZigBee CC2430 ASP.NET B/S架构

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）06C-0184-03

近年来，被看作信息领域一次重大的发展和变革机遇的物联网技术得到了快速的发展。“物联网”的概念由美国麻省理工学院自动识别中心（Auto-ID）提出，主要以无线传感器网络和射频识别技术为支撑。物联网被认为是继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，也被世界各国作为未来经济发展的主要增长点。

物联网可应用于智能家居、智能农业、智能交通、智能电网、智能安防、智能医疗等领域。随着近十年世界范围内的IT产业快速发展，相应的传感技术、通信技术和计算机技术也取得突飞猛进的发展。我们国家居民生活水平显著提高，对与自己息息相关的家居环境也有了新的、更高的要求。设计一种新型的家居环境智能监控系统模型，实现了对家庭温度、湿度、亮度和煤气浓度的动态监控，用户能够设置家居内相应时段不同的温度、湿度、亮度，系统会依据用户设置自动监控家居状态，满足日常生活。该系统模型比传统的使用本地智能网关控制或家居内计算机控制的智能家居模型更加便捷、实用、高效，在系统日常维护、平台移植与扩展、大数据管理等方面具有明显优势。

一、系统总体方案设计

一般认为物联网典型的技术体系结构分为感控层、网络层、应用层三大层次，本文设计的家居环境智能监控系统的整体设计方案如图1所示，整个系统结构分为三层，分别负责家居内基础信息的采集和外设控制、系统内数据信息的传递、系统数据信息的管理和系统功能应用等功能。图2为该系统的硬件结构示意图，用户家居处于感控层中，主要包括家居内环境参数采集和控制的相关传感器和设备，网络层是一个智能网关，负责数据透传，应用层是本系统服务器，负责接收和处理网络层上传的数据，向感控层发送数据，大数据存储与管理等。

二、感控层的设计与实现

家居环境智能监控系统的感控层在功能上分为两部分：一是数据采集与执行。数据采集主要是运用传感器对家庭内的温度、湿度、亮度、煤气浓度状态进行基础信息采集。执行主要是负责接收和解析系统服务器发送来的控制命令，读取或改变相应外设（如灯具、空调等家电）的工作状态。二是短距离无线通信。短距离无线通信主要用来完成像家居内这种小范围内的多个物品的信息集中与传递。由于无线短距离通信技术具有灵活安装、可移动性强等特点，使其越来越多地被应用于智能系统中。目前技术比较成熟和常用的无线短距离通信技术有：Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、超宽带。本设计选用了ZigBee无线通信方式，它相比其他几种通信方式具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量等优势。

ZigBee协议的物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定，可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz共3个频段上。ZigBee网络中的设备可分为协调器（Coordinator）、汇聚节点（Router）、传感器节点（EndDevice）三种负责不同功能的角色。无信息传输时，传感器节点可处于休眠状态，当有信息传输时可自动唤醒进行数据传递，多节点以接力的方式传递信息，通信效率非常高，但功耗很低。ZigBee网络拓扑结构有星型、树型和网状三种。为满足稳定性要求，本设计选用了网状拓扑结构。

根据家居环境智能监控系统内网和ZigBee技术的特点，本设计中的ZigBee无线网络主要由路由器节点和协调器节点两种节点类型组成。其中路由器节点不仅负责家居环境内相关数据（温度值、湿度值、亮度值、煤气浓度值、设备工作状态值等）的采集，还负责网络的管理与节点间的数据传输，控制外设的工作状态；协调器节点主要负责网络的建立、各路由节点的管理、数据的处理以及对外的接口。

本系统所采用的设备是搭载有TI/Chipcon公司生产的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee片上系统解决方案CC2430芯片的节点，负责家居内所有信息的采集、传递和外设控制。

三、网络层的设计与实现

网络层负责数据在系统感控层和应用层之间快速、安全、可靠地传送。网络层的通信功能主要由智能网关负责，使用Socket通信方式。由于因特网的通信特点，该智能网关需要设置静态IP，同时工作于服务端和客户端两种模态下。工作在服务端模态下时，主要是接收系统服务器发送的数据（网关自动判断是否是本网关需要接收的数据，主要由通信协议中包含的IP地址决定），并将数据解析后发送至本网关连接的家居监控网络中。工作在客户端模态下时，主要是接收到感控层上传的信息后，主动连接系统服务器，将信息发送至系统服务器。

由于智能网关连接了互联网和ZigBee网络两个网络，因此为保证数据正常传递，智能网关必须能够进行ZigBee协议和TCP/IP协议之间的转换。本设计中采用协调器和网关通过串口直接连接，先由ZigBee硬件完成ZigBee协议与RS-232协议的转换，再由网关实现RS-232协议与TCP/IP协议的转换，最终实现TCP/IP协议和ZigBee协议的高效转换，智能网关工作流程如图3所示。

四、应用层的设计与实现

系统应用层是整个系统的“大脑”，主要功能是完成网关上传的数据的接收、汇总、互通、分析、决策，数据下发等功能，是整个系统的控制和决策中心。根据物联网关于应用层的定义，本设计的应用层具体包括两部分：一个是系统服务器；另一个是终端设备。系统服务器负责所有数据的接收、分析、存储、修改，根据控制算法进行决策和控制命令发送等。终端设备是电脑、智能手机等智能终端，用户可通过这些设备搭载的Web浏览器访问系统服务器发布的网站站点，实现系统功能的使用，而不再是传统的在终端上安装相应的软件，这就大大降低了对用户的硬件要求，增强了系统的实用性。

系统服务器由Web站点服务器、业务处理服务器、数据库服务器三部分组成，分别完成Web页面发布、数据接收和控制决策、数据管理等功能，如图4所示即为系统服务器的架构图，三个服务器是分别设计和独立运行的，但又是相互关联的，其中业务处理服务器与Web服务器通过数据库服务器进行连接和数据交换。

（一）Web服务器

为减轻客户端的负担，增加系统实用性，Web服务器的设计采用了目前流行的浏览器/服务器（browser/server，B/S）结构模型。B/S结构下的应用程序、逻辑处理和数据全部集中安放在Web服务器上，而用户只需要统一使用浏览器即可访问Web服务器，通过用户界面使用本系统功能。

系统采用的是Microsoft的Web服务器Internet Information Server（IIS），网站开发技术使用的是ASP.NET。ASP.NET技术具有很高的页面处理速度和运行效率，节省系统资源，完全面向对象，具有平台无关性且安全可靠，特别适合应用于页面和远程系统服务器之间数据交互比较频繁的系统。数据访问采用了与ASP.NET同一框架（.NET Framework ）下的ADO.NET技术，实现Web服务器与SQL Server 2008数据库的数据交互。ADO.NET确保了Web服务器能够根据用户的需求快速、准确地访问到数据库，实现数据的存储、查询、更新和删除等操作。

（二）数据库服务器

本系统的数据库服务器采用Microsoft SQL Server 2008设计，主要负责存储和管理系统内的所有数据，具体操作由Web服务器和业务处理服务器调用。数据库服务器共设置了用户信息管理模块、用户设置管理模块、室内环境状态管理模块和设备状态管理模块四个模块。数据库服务器是一个“被动”服务器，只负责数据的存储和管理，存储的数据是由业务处理服务器或Web服务器写入、删除或修改。

（三）业务处理服务器

业务处理服务器工作于服务端模式，向智能网关开放服务器端的IP和端口，时刻侦听智能网关是否有数据上传。接收数据后，会进行数据包的解析、数据类型分析、数据提取、逻辑处理和控制决策。其中的业务处理功能可分为两个部分：第一部分是将系统感控层上传来的数据或处理结果准确存储到数据库中，保障业务处理服务器程序和Web服务器程序进行合法查询；第二部分是系统轮询服务，系统能够实时不断地查询所有用户的设置信息，根据用户设置和当前家居状态进行控制决策，判断当前系统时间是否到达用户设置的某个子状态的更改时刻，如果满足条件，会根据用户设置更改和控制家庭内部的环境状态。业务处理服务器运行界面如图5所示。

在实验室条件下，经过实际测试，该系统能够智能、稳定地工作，达到预期目标，如图6所示。采用三层架构的系统模型的结构十分清晰，既可节约投资成本，又方便维护、升级和改造。此外，可将系统服务器移植到云平台（如微软Azure云平台、IBM云平台、新浪云平台等），借助云平台强大的计算和存储能力，能够在处理和储存能力、稳定性、安全性和可移植性上获得高幅提升，具有较好的应用前景。

【参考文献】

[1]高守玮，吴灿阳，杨超等. ZigBee技术实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011

[2]陈彦明，王秋光.ZigBee的msstatePAN协议栈移植[J].单片机与嵌入式应用，2008，4（9）

【作者简介】程 洋（1988- ），男，广西柳州人，硕士，柳州铁道职业技术学院讲师，研究方向：铁道供电与智能控制。黄 绘（1973- ），女，广西柳州人，工程硕士，柳州铁道职业技术学院讲师，研究方向：铁道供电。刘鑫爽（1987- ），女，广西柳州人，硕士，柳州铁道职业技术学院讲师，研究方向：智能控制。

（责编 丁 梦）