基于云服务器的物联网智能家居通信控制系统研究

於晓兰

武汉职业技术学院计算机系

0 引言

智能家居结合网络通信技术、音视频技术和自动控制技术，将家庭住宅中的家电设备、通信设备等集成在一起，用户可以远程智能化监测家电设备并进行有效控制。在4G时代下，操作大量的数据计算，完成信息资源的实时存储，成为网络系统后台服务必须包含的功能。物联网技术的广泛使用，未来可能会给每个物品都打上唯一的识别标签，这些数据都需要保存到服务器进行加工解析。云计算和物联网技术成为智能家居控制系统的重要支撑技术。

1 物联网和云计算

物联网是物物相连的网络。通过有线通信方式或无线通信方式连接并全方位控制各种终端设备，诸如传感器、移动终端、具有射频识别标识的物品和视频监控产品都包含在内，最终实现智能化应用以及环境信息化的目的。在物联网通信技术中广泛使用的无线通信技术主要有蓝牙通信技术、红外线通信技术、射频识别技术等。物联网技术实现了智能家居系统中终端节点信息数据、实时状态以及环境变量等大量信息的收集和共享，在信息安全技术保障的前提下，进行有效的在线监测、突发报警、远程控制和分析统计等功能，从而对物进行智能化的管理。

云计算采用分布式计算技术，指在网络“云”上拆分庞大的计算处理程序，这些分解后的小程序由多个服务器共同完成解析，计算得到的数据发送到用户终端。对大量的数据保存和处理，需要进一步进行数据挖掘和数据分析，云计算成为强大的系统服务后台保障。为了响应全球化的智能家居系统应用的需要，云计算可以尽可能地整合大量需要计算和存储的数据资源，实现协同合作，并对相关资源进行灵活扩展。

2 面向云服务器的系统组网方案

智能家居控制系统主要由物联网云服务器、终端节点设备、移动应用App和通信网络4部分组成，如图1所示。各种终端设备与物联网云端相连。一些终端设备可以通过无线或有线网络与云服务器直接连接，由于缺乏直接连接互联网的通信接口，一些设备可以使用网关或智能手机间接与云服务器连接。连接完成后，设备将实时在线监测感知到或收集到的数据发送到云端，从而实现科学存储、管理和分析数据，为后期的智能家居环境的监管、评价和决策提供有力支持。

图1 面向云服务器的智能家居控制系统

（1）物联网云服务器是为用户提供外网云访问本地智能控制网关的访问路径。主要功能是云数据的聚合和分析。该平台对设备终端采集的数据可以进行系统存储、智能技术分析和处理。所有智慧应用程序都通过标准接口从云服务器中请求数据，并以对象形式返回。

（2）终端节点设备包括智能主机及家居设备、空调、电视、红外分控制器、智能开关、智能插座、雾化窗玻璃、智能门锁等设备，可实现遥感（RS）数据信息生成、现场视频数据收集、环境温湿度感应、现场家居设备维护管理身份识别与记录、仪器自我诊断与远程反控等功能。

（3）移动应用App的主要功能是对不同设备和系统进行控制和管理，同时协调各项服务。平台通过身份认证防止非法设备进入；用户可以通过平台提供的移动应用App对终端设备进行管理控制；不同终端设备通过系统平台实现彼此协调和联动的功能，并且该设备可以由用户预先设置连接规则进行自动调用。

（4）通信网络是由局域网和外网组成。局域网的通信方式有很多种，如蓝牙、红外线、ZigBee技术等，蓝牙技术可以在物体之间建立短距离连接，适用于低成本、短距离的应用。由于成本低廉，IrDA红外技术早已应用于电视、空调等家居用品。ZigBee技术成本低、功耗也低然，而容量很大。外部网络包括WiFi、GPRS等，可作为外部接入互联网的网络媒介。用户通过通信网络接入物联网云服务器，通过物联网云服务器接入智能控制网关，再通过局域网接入各终端设备。

3 智能家居通信控制系统主要模块实现

智能家居通信控制系统是由多个智能节点设备组成的一个物物相联的网络，其感知层是以不同厂商设备为基础建立的。为了方便云服务器对这些设备进行统一管理，要求对设备接口进行标准化、规范化管理。采用传感器、监控设备和遥感等前端节点感应设备，为云服务数据中心收集数据信息，云服务平台还要综合考虑现有的智能应用，实现多种数据的交换和整合。

3.1 智能家居控制系统功能

物联网智能家居通信控制系统主要功能如下。

（1）智能管理设备。通过互联网、电话线接口，实现数据交换和监测控制。包括对重要家用电器实施远程监控，如开灯、开空调、电视开启、音量调节、温度升降等，只需在App操作相应设备即可实现控制。

（2）智能家居仪表。通过计算机和蓝牙设备进行电表、水表和天然气表的远程抄表。

（3）家居环境安防。智能门磁、烟雾传感器和温湿度传感器等终端设备，可实时监控室内环境变化。当检测到异常发生时，检测数据会传送给智能主机，智能主机再向服务器发送信息，再将数据转送给终端用户。当智能门锁监控到开门异常时，自动上锁功能立即启动，将监控报警信息数据发送到用户手机，向家居用户报警，同时也通过通信网络向监控中心示警。

3.2 主要模块的实现

在智能家居控制系统中，需要建立一个数据处理服务器，利用云服务器可以完成数据处理。云服务器可以采集诸如天气、日出等城市环境信息，这些信息使其智能地控制空调设备、电动窗帘和照明设备等。通过Java语言完成服务器程序编译，开发环境为eclipse。

管理服务程序（Servlet）是一个独立于网络协议跨平台的服务提供者，实现网络的远程动态加载。其接收来自请求者的请求并且执行操作，也会把对应的接口和相关信息发送给云服务注册中心，方便服务使用者发现该服务并对其进行访问。如果同一个服务有多种不同的表现，那么可以在Servlet程序中为每个传入的请求选择最合适的目标服务。首先通过客户端向Servlet提交请求信息和Servlet接收请求。其次在服务器端完成程序的编译，最后把结果数据反馈给客户端。通过Java语言完成Servlet服务程序，同时具备安全性和可移植性的特点。JSP使用Java语言，在普通HTML文件中内嵌程序语句，在第一次调用时首先编译，其次由Java虚拟机执行，和Tomcat引擎配合使用后，通过Apache服务器进行Servlet的解决方案的实现。

（1）中心控制模块。负责各个子模块的数据收集和保存，并作分析和决策。嵌入式芯片技术的快速发展使得中心控制模块集成度越来越高，功能也越来越完善。中心控制器使用总线与各种子模块进行信息互换，通过通信网络与外界建立连接。执行控制模块内置程序命令后，并将指令发送至各单元控制子模块，目的是控制所连接的各种家居设备。数据采集主要完成接入协议转换、数据提取和数据转换（为平台的标准数据）的功能。云平台采用分布式协同处理机制，各类原始数据经过各个连接器，提取出环境数据（包括必要的可视化感知数据、图像信息），根据采集规则和转换规则（在设备规则上定义），把数据映射为标准的平台数据。中心控制模块使得庞大数据信息的高性能计算得以实现，通过数据挖掘技术对智能家居设备的实时状态和趋势变化进行准确判断，完成对环境突发情况的预警操作、态势判断和应急联动等。该模块能提供辅助决策服务、数据分析和报表等服务，借鉴详实数据和可靠分析高效地进行宏观决策。

（2）安防控制模块。该模块对造成家居安全问题的各种情况进行防范，对异常事件发出报警信息。例如避免陌生人的干扰，可使用可视对讲系统；入室盗窃报警，可使用窗磁传感开关和门磁传感开关。该模块设置报警上下限，异常值上下限。报警的数据类型可以根据用户需求灵活设置。信息数据通用化格式的选择以及语义的规范化描述，使得交换和共享环境数据信息形成统一的数据标准，从而满足各个设备厂商在数据操作方面不同的技术需求。该模块获取设备的监控数据，对获取的数据进行处理，其中包括对数据的纠正。对处理后的数据进行信息提取，这些信息包括设备参数信息，家居环境质量状况现状与动态变化信息、安全状况信息等。这些信息被转化为系统所定义的格式，进入数据中心。

（3）通信控制模块。该模块完成实时信息数据的接收和发送。实时数据通过监测设备和通信终端预先定义的通信接口协议传输到通信终端。通信终端设备建立与RS232端口的连接，通过GPRS外部接入网络传输到物联网云服务器。物联网云服务器给出的控制系统命令可以通过网络通信终端传送给监测设备，监测设备接收指令后作出回应。家居智能终端设备把实时收集的异常数据发送给服务端后，服务端迅速给予响应，进行分析处理，并把结果及时推送给用户。

4 结束语

在整个通信过程中，进行稳定和可靠的数据传输，是智能家居通信控制系统运行的重中之重。智能家居控制系统中的智能家居终端设备独立于其他单元控制模块，可进行实时数据的采集，其搭建的物联网系统同时具备智能化，集成化和自动化的特点。家庭网络技术配合运营商网络技术，能够有效满足智能家居系统在信息处理过程中的各种需求，达到通信的目的。物联网技术、云计算技术和其他重要技术的科学应用，使得家居智能化功能得以进一步扩展，给人们带来越发便捷和智能化的家居生活。