智慧城市中基于异构物联网的智慧家居

雍蓉

（西安科技大学高新学院，陕西西安，710109）

0 引言

随着现代智能家居城市建设的不断深入，由于现代家居生活智慧、智慧居住社区以及现代智能手机等多功能线路延伸等新的要求，城市的发展将带动现代智能家居行业突破城市原有的尴尬，依托现代智能家居城市基础设施和应用开发，向现代智能家居过渡。为了进一步优化提高智慧智能家庭安居中所有网络连接点的质量,节点延长使用寿命,针对实际家庭物理应用环境的信息多样性,采用异构型的网络结构与多种通信连接方式应用来设计构建一个智慧家居网络平台。

1 智慧家居平台的构成

智慧家居系统的构成结构如图1所示。

图1 智能加剧平台构成示意图

包含的主要功能子系统项目有:智慧家庭的家庭网络的环境监测系统、控制系统、智慧、家庭环境和照明管理系统的功能和环境安全控制系统和家庭环境安全监测监控系统、背景音乐、家庭影院多媒体电视监控系统、家庭安全控制等八个子系统的环境管理体系。其中智慧家居安防控制系统、家居网络安防照明控制系统、家居环境系列是必备的安防监控系统、家居网络布线监控系统、家居网络监控系统、背景音乐、家庭影院电视多媒体监控系统、家庭环境安全控制管理系统为主要可选应用系统。在制造商智慧家居应用系统硬件产品的品牌识别方面，制造商研发生产的品牌智慧家居必须有属于制造商真正必要的硬件系统，才能真正实现制造商智慧家居的主要应用功能，真正称得上是制造商的智慧家居。因此，智慧家居安全控制系统管理功能系统、家庭家居照明安全控制管理系统、家庭家居安全控制系统可以直接称为家庭智慧家居。而所有可选的系统都不能直接称之为智慧家居，只能用智慧家居系统加上一个结合具体功能的系统来表达这种方法，如果有可选的背景音乐系统，则称为智能家居系统的背景音乐。把可选系统产品称为智能家居是一种误导。在识别智能家居环境时，只有安装了所有必要的系统，且至少安装了一个或多个可选系统，智能家居才能称为智慧家居。

2 基于异构物联网的智慧家居特点

2.1 提高节点应用年限

尽管现代智慧家具是在智能家具基础上的延伸，但是在网络结构越来越多的压力中国通信网络、通信节点之间的数据越来越多,所有通信网络的网络结构不同的频率,很多问题,比如现有的网络结构之间的差异,从没有满足国内需求。随着无线通信网络技术的不断发展，为了有效地延长无线节点日常使用的网络寿命，许多专家学者正在研究利用网络系统中的各种智能无线路由管理算法来有效减少无线网络资源消耗,提高网络节点使用寿命。但实际使用这种算法处理只能在一定大的程度上有效改善网络问题,从改变网络系统结构或者系统硬件上细节入手处理才能更有效。

2.2 降低运营维护成本

智慧家居有一个非常显著的特点，就是系统的安装、调试和日常维护的前期工作量是非常大的，需要大量的时间、人力和物力的长期投入，已经成为制约家居行业健康发展的瓶颈。针对这一复杂问题，在系统设计之初就规定要充分考虑系统安装、调试和维护的便捷性，通过异构物理互联网技术实现远程自动调试与安装维护，再通过无线网络,不仅可以使每个住户家庭能够轻松实现基于家庭厨房智能化监控系统的远程控制管理功能,还可以允许系统工程技术人员在远程实时检查监控系统的正常工作运行状况,对系统可能出现的各种故障情况进行及时诊断。这样,系统版本设置与软件版本自动更新工作可以在多机异地同时进行,从而大大程度方便了系统的开发应用与系统维护,提高了系统响应速度,降低了系统维护管理成本。

2.3 促进智慧家居发展

在多个底层节点传感器组成节点耗能数量相同的使用条件下,异构型节点体系与单一节点结构的大型物联网系统相比, 同时，节点传输的数据量会更多，系统整体能耗会增加，但单个部件节点的能耗也会显著降低，主要部件节点的整体能耗会降低，这将直接大大提高物联网的使用寿命。同时，随着家居系统应用功能的不断增加，系统管理节点数量的不断增加，数据量的不断增加也将是未来智能家居的发展趋势。因此，基于物联网异构的智能家居平台能够更好地适应现代化的发展需求，从根本上推动智能家居的发展趋势。

3 智慧城市中基于异构物联网的智慧家居结构设计

3.1 确定结构

基于异构物联网设计智能家居时，BSS拓扑由一个无线接入点和多个连接到它的终端组成。终端可以且只能通过无线接入点接入外部网络。移动客户端仅限于Wi-Fi模式。当网络中不同的终端相互通信时，数据只能通过无线接入点转发，而不能像IBSS结构中那样直接访问。每个BSS网络由一个SSID标识。不同标识网络的终端之间不能互通。在BSS网络中，当路由器与移动终端的距离在70米以内，传输5000个包时，无线Wi-Fi网络中几乎没有丢包率。

3.2 网络设计

在智慧家居网络设计过程中，信息采集以家庭为单位。不同的家庭有不同的家用电器，所以收集的信息也不同。在系统的设计过程中，每个家庭的所有家电都组成了一个局域网。家电信息通过物联网网关采集，音视频信息通过家庭网关存储在公共网络服务器中。家庭局域网由物联网网关、树莓PI等信息采集节点组成。物联网网关是一种支持IEEE802.11AC标准，采用OpenWRT系统的路由器。当采集节点使用树莓PI进行信息采集时，树莓PI通过支持802.11ac的无线网卡与路由器相连，也可以使用其他支持IEEE802.11ac的节点。当然，物联网网关并没有保存家电历史信息。用户需要访问登录信息、历史电表、水表等信息，还需要通过Internet访问公网服务器，服务器查询数据库获取相应数据。

3.3 模块设计

（1）网关模块

物联网网关主要负责通信功能，其中涵盖智慧家居服务器、智慧家居设备以及移动客户端等等，完成数据的接收、处理、转发和发送功能。详细介绍了物联网网关和服务器以及物联网网关和移动客户端两个方面。物联网网关与公网服务器通信公网服务器作为智慧家居系统的核心组件，完成对不同用户的家电设备信息的处理和存储，为移动用户提供家居信息查询和控制功能。当智能家电的信息提交给物联网网关,物联网网关将消息发送到公共网络服务器或移动客户端根据消息的来源,然后是公共网络服务器或移动客户端反馈的消息,并将其网关。在物联网网关中，网关客户端模块相对于服务器模块，服务器作为服务器，网关作为客户端。与智能家电信息采集模块相比，物联网网关作为服务器端，家电信息采集模块作为客户端。使用TCP协议完成两者之间的数据传输。

（2）逻辑模块

在对物联网中逻辑模块进行设计时，为智能家电提供服务的GatewayServer模块采用Netty架构完成。它负责家电信息的连接、发送和接收，使用TCP协议进行连接。GatewayClient模块与公网服务器模块一一对应。因此，采用非阻塞异步通信方式完成两个模块之间的通信，通信协议为TCP。Handler Process类负责两个部分的功能，一个是服务器模块和客户端模块的交互数据处理，包括解密、加密处理，另一个是用来处理移动终端的请求和反馈。Map Termina对应的数据结构用来保存移动客户端的标识，即IP地址。Map Server类的相应实例负责记录设备信息的标识。

（3）收集模块

树莓PI组成的信息采集部分一般分为三个模块:GPIO模块、包处理模块和客户端模块。GPIO模块负责智能家电与树莓PI之间的信息交互。处理模块需要完成两种不同的功能。一种是将来自家电设备的传感器信息格式从底层格式转换为JSON格式，然后提交给客户端模块。另一种方法是从网关解析格式，将其转换为底层格式，并将其推送到GPIO模块。客户端模块作为套接字通信的客户端，负责网关与物联网之间的信息传输。树莓PI中的每个模块对应一个处理线程。客户端线程与网关通信，接收到的消息存储在“接收队列”上，等待发送的消息存储在“发送队列”上。处理线程从“接收队列”中读取待处理的项并将结果存储在“设备发送队列”中，或者从“设备接收队列”中读取项(如果该队列不是空的)并将结果存储在“发送队列”中。GPIO线程从“设备发送队列”和“设备接收队列”读取和存储数据，并将数据传输给ZigBee协调器或家用设备。

（4）设备模块

终端节点连接智能家电，其功能可分为两部分。首先通过串口接收家电信息，封装成相应的格式，其次通过ZigBee无线网络传输给协调器，最后接收协调器发送的控制信息，通过串口发送给家电。协调器负责树莓PI与终端节点之间的信息交互。Raspberry PI采用GPIO引脚与协调器进行信息传输，协调器与终端节点之间的信息交互通过ZigBee无线网络实现。ZigBee终端的发送模块通过接口zb_SendDataRequest将数据发送给ZigBee协调器，协调器中的zb_ReceiveDataIndication模块负责接收数据，并通过data_pack数据结构对数据进行处理。最后通过接口HalUARTWrite传输到树莓PI，由树莓PI的GPIO模块进行处理。