基于云端的智能家居物联网系统的研究与实现

党丹丹 陈健聪

摘  要：互联网、云技术的迅速发展推动了物联网的快速发展，智能家居成为物联网的应用领域。随着智能家居从单品个体向联网综合体发展，各大厂家积极在探索基于“云+端”的智能家居新模式。文章设计了一款基于云端的智能家居物联网系统，将智能家用电器通过云端联系在一起，用手机APP进行控制，同时还创新性地调用科大讯飞AI语音模块实现AI语音控制功能，让智能家居变得更舒适、更便捷、更智慧。

关键词：云端;APP平台;智能家居

中图分类号：TP391.44;TP273.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）16-0170-03

Research and Implementation of Smart Home IOT System Based on Cloud

DANG Dandan，CHEN Jiancong

（School of Computer Engineering Technology，Guangdong Polytechnic of Science and Technology，Zhuhai  519090，China）

Abstract：With the rapid development of internet and cloud technology，the rapid development of the internet of things has been promoted. Smart home has become the application field of the internet of things. With the development of individual smart home products to networking complex，major manufacturers are actively exploring a new mode of smart home based on “cloud + end”. This paper designs a smart home internet of things system based on cloud，which connects smart home appliances through the cloud and controls them with mobile APP. At the same time，it also innovatively calls iFLYTEK AI voice module to realize AI voice control function，making smart home more comfortable，convenient and intelligent.

Keywords：cloud;APP platform;smart home

0  引  言

隨着人民生活水平的不断提高，大部分家庭都过上了小康生活，大家越来越追求有品质的家庭生活，从智能门锁、智能晾衣机、智能音箱、智能扫地机器人，到智能垃圾桶、智能电视机、智能冰箱、智能空调，其实每个家庭都已经潜移默化地融入智能家居的元素，有的发烧友甚至已经实现全屋智能家居，通过一句语音、一个手势、一个颜色控制家居设备，让整个家充满了梦幻、神奇的感觉。

智能家居概念起源于20世纪80年代初的美国，目前已经进入第四代——基于物联网技术的个性化智能家居时代。第一代是基于同轴线、两芯线进行家庭组网，实现灯光、窗帘控制和少量安防等功能。第二代是基于RS-485线、部分基于IP技术进行组网，实现可视对讲、安防等功能。第三代实现了家庭智能控制的集中化，控制主机产生，业务包括安防、控制、计量等业务。第四代是基于全IP技术，末端设备基于ZigBee等技术，智能家居业务采用“云”技术，并可根据用户需求实现定制化、个性化[1]。

随着物联网、人工智能、云计算等技术的快速发展，智能家居从单品个体逐渐向联网综合体发展，各大厂家积极在探索基于“云+端”的智能家居新模式[2]。“云”是基于互联网模式的云平台，有用庞大的用户资源和资源整合能力，“端”是硬件制造型企业，在生成制造、渠道服务方面具有优势，两个相结合才能将智能面板打造成智能家居的入口、平台、终端[3]。

本文依托校级智能家居教改项目，设计了一款基于云端的智能家居物联网系统，该系统利用云技术、AI语音技术和物联网技术，部署云端服务器，将硬件传感器、控制器和云端连接，再通过手机移动客户端APP程序，将命令发送到云端，云端再将命令传递给智能硬件，从而实现云端的智能硬件控制。本文的创新之处在于引入了AI语音控制功能，通过调用科大讯飞的AI语音接口，实现对硬件的语音控制，实现了智能家居的AI语音控制与AI语音播报。

1  平台概述

随着网络的不断发展，服务器的类型也在更新迭代，现如今云服务器占据了很大一部分市场，独立服务器的市场份额受到了很大的冲击。传统的独立服务器采用本地搭建的方式，服务器硬件昂贵，占用办公面积、成本昂贵，而采用公有云平台（阿里云或腾讯云）搭建系统平台，无需前期投资且可定制式服务，大大节约运营成本，而且具备防ARP攻击和MAC欺骗功能，可以进行快照和备份，安全性高。基于云端的智能家居系统已经成为各大智能家居厂商的研究与探索方向。本平台采用阿里云的云服务平台搭建云端系统，基于Android系统自主开发智能家居APP软件，同时调用科大讯飞的AI语音识别和语音合成功能的接口，实现了基于云端的智能家居物联网系统的语音智能控制和语音播报，结合了云端加AI语音功能的智能家居变得智能化、人性化，实现云端人机交互的新模式。

2  平台整体设计

2.1  平台整体框架设计

本平台主要由软件层、云端、硬件端三部分组成。软件层采用C/S系统架构，使用TCP/IP通信协议进行网络数据传输，在Android Studio集成开发环境中开发手机移动端APP软件，APP的主要功能是智能家居系统UI界面的展示与智能硬件操作，UI界面的设计风格一般为体现出未来科技的简约风;云端主要是采用Java Web后台技术进行开发，使用MVC框架搭建编程代码，使用MySQL数据库搭建后台数据库进行数据增删改查操作，再利用Tomcat服务器运行整个云端项目;硬件端是嵌入式智能硬件设备，需要自主设计硬件模块与传感器如智能终端、智能风扇、智能灯泡、温湿度传感器等，并添加网络通信模块如4G模块、Wi-Fi模块且连接到云端并进行数据通信，这样才能体现出智能硬件设备的智能。通过以上部分的相互连接，每个部分通过既定的数据接口进行信息传递，保证数据的一致性和实时性，实现整个系统功能。基于云端的智能家居物联网系统框架图如图1所示。

2.2  平台系统功能

基于云端的智能家居物联网系统的主要功能分为三部分：APP基础功能、AI功能、智能硬件控制功能。APP基础功能模块包括“我的家”设置，如设置定时开关、自动开关、警报等功能;动态组件管理如添加设备，删除设备等功能;APP换肤功能如更换UI颜色或者风格的功能。AI功能包括天气预报功能、科大讯飞语音识别功能、科大讯飞语音播报功能。天气预报功能实时获取当前设备所在地区的天气，根据天气可自动操作智能设备，如下雨时打开除湿器等;科大讯飞的AI语音功能可实现通过语音对话控制硬件和机器合成语音读播信息。智能控制功能包括智能电灯功能、智能风扇控功能、温湿度传感器功能、报警信息推送功能，具体平台功能图如图2所示。

3  平台详细设计

3.1  系统控制流程图

本系统APP软件打开时，系统要求连接网络，系统首先判断APP移动端是否连接局域网，当在局域网内时尝试寻找智能硬件，然后判断智能硬件连接本地网是否成功;若不在局域网内时就尝试连接云端，连接云端后，尝试寻找智能硬件，智能硬件连接云端成功后方可控制硬件。无论是局域网还是云端，设备连接好后，就可以对智能设备进行控制和语音识别控制了，系统控制流程图如图3所示。

3.2  AI语音功能流程

近二十年来，语音识别技术取得显著进步，开始从实验室走向市场，与机器进行语音交流时，语音识别技术就像是机器的“听觉系统”，将语音识别技术引入智能家居系统，让智能家居具备“听觉系统”和“语言系统”，智能家居系统会变得更智能、更人性、更友好。本系统调用科大讯飞公司开发的语音识别和语音合成功能库，利用语音识别控制获取传感器的信息，再用语音合成功能播放出当前的数据信息。系统设定定时采集智能硬件的状态信息，若超出预警值则自动调用警报语音播报功能，若接收到用户语音命令，系统将调用科大讯飞语音库进行语音音频解析，然后返回解析结果，系统根据返回结果执行命令。智能语音识别与语音播报功能流程图如图4所示。

3.3  云平台的搭建

目前比较流行的公有云平台有阿里云、騰讯云，本平台采用阿里云平台[4]。访问阿里云官方网站，服务器类型选择云服务器ECS，服务器配置完成后购买云服务;购买完成后，阿里云自动分配公网IP，然后手动配置安全组策略，完成云服务配置。然后在阿里云控制台登录界面远程连接阿里云服务器，在云服务器上安装Java环境、Tomcat服务器环境、安装MySQL数据库等基本环境文件;环境配置完成后，把本地的Web服务器项目War包上传到云服务器，存放在Tomcat服务器文件目录的webapps文件夹下，最后启动Tomcat服务器完成云端平台的搭建。

4  结  论

随着大数据、云计算、物联网技术的发展，智能家居产品越来越多，智能家居厂商也是百家争鸣、各有特色。人们对“智能化”的追求是永无止境的，虽然我们短期还很难使用到科幻电影中的AI智能产品，但良好的操控性、联动性、安全性都是厂商们可以努力的方向。当然低成本、高性能是各大厂商的首选追求目标，基于云端的智能家居物联网系统有效地节约了产品成本，为此各大厂商积极开展基于云端的智能家居系统的探索与实践。总而言之，智能家居产品不是“高大上”的口号，而是接地气的舒适与便捷，只有以人为本的体验式应用，才会带来真正的智能化体验，智能家居市场才会迎来真正的春天。

参考文献：

[1] 童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析 [J].移动通信，2010，34（9）：16-20.

[2] 屈晓平，李立现.一种基于云端的物联网智能家居系统 [J].电脑知识与技术，2015，11（3）：238-239.

[3] 新浪家居.“未来之屋”梦想照进现实 云+端模式 决胜全屋智能市场化 [EB/OL].（2018-03-05）.http：//jiaju.sina.cn/zixun/20180305/6376445758312612023.shtml.

[4] 党丹丹，陈健聪.基于云平台的高粘合度人群特产推广APP平台的研究与实现 [J].现代信息科技，2019，3（20）：20-22.

作者简介：党丹丹（1981—），女，汉族，河南漯河人，高级工程师，硕士，研究方向：人工智能、无人机。