李小超　錢衛(wèi)國

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，比爾蓋茨的智能家庭開始有機會走進尋常百姓家。該文主要介紹一種基于WSN技術(shù)實現(xiàn)家庭溫濕度環(huán)境監(jiān)控的方案，本系統(tǒng)易于擴展，可以作為智能家庭的框架，通過擴展模塊，可以作為一個完整的智能家庭解決方案。筆者對軟硬件方面進行了研究分析，著重分析系統(tǒng)架構(gòu)模型，并對子模塊的功能和工作原理做了簡單描述。該系統(tǒng)云平臺采用最新的Node.js技術(shù)做支撐，系統(tǒng)基于RESTful風(fēng)格構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：智能家庭；溫濕度監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；Node.js；RESTful；Arduino

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）27-0149-03

Abstract： With the development of Internet technology， the intelligent family began to have a chance to Bill Gates went into the ordinary people. This paper mainly introduces a kind of family environment temperature and humidity monitoring scheme based on WSN technology， this system is easy to extend， can serve as the framework of intelligent family， through extension module， can be used as a complete intelligent home solutions. The author studied the hardware and software aspects of analysis， focusing on analysis model， system architecture and function and working principle of subsidiary module made a simple description. The system cloud platform adopts the latest Node. Js technology， system based on building a RESTful style.

Key words： intelligent family； temperature and humidity monitoring； the Internet of things； node. Js RESTful； The Arduino.

1 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對于生活居住條件的要求越來越高，人們希望可以像比爾蓋茨一樣隨時隨地掌控居住環(huán)境。近些年，由于信息技術(shù)和傳感器技術(shù)等的不斷發(fā)展，智能家庭正在悄悄走進千家萬戶。智能家庭是在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)后臺獲取并存儲數(shù)據(jù)，通過特定的算法對數(shù)據(jù)進行分析，將得到的結(jié)果返回給執(zhí)行機構(gòu)或通知用戶，從而為用戶提供一個智能的居家生活環(huán)境。目前智能家庭系統(tǒng)方案眾多，各有優(yōu)缺點。筆者在智能家庭方面進行了研究，提出了一套易于擴展、高性能的智能家庭系統(tǒng)。本系統(tǒng)是一個輕量級的但功能完整的智能家庭系統(tǒng)。傳統(tǒng)的智能家庭對設(shè)備的控制大多基于局域網(wǎng)絡(luò)，只適應(yīng)于家庭內(nèi)部進行監(jiān)測控制，本系統(tǒng)以家庭為單位，將所有家庭的數(shù)據(jù)采集到云端存儲，便于以后的分析挖掘，使本系統(tǒng)可以更加智能，同時系統(tǒng)采用分層的模塊化架構(gòu)，便于維護和擴展。本系統(tǒng)在設(shè)計的時候充分考慮安全和成本，力求在安全的前提下降低系統(tǒng)成本。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 整體架構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，每個家庭都通過 TCP/IP 協(xié)議接入智能家庭云平臺，在家庭和Internet 之間通過網(wǎng)關(guān)管理控制，家庭內(nèi)部則采用 Zigbee 構(gòu)建的局域網(wǎng)進行通信，達到監(jiān)測和控制的目的。用戶可以通過客戶端連接到云平臺查看家庭環(huán)境數(shù)據(jù)和控制家庭中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。云平臺可以通過特殊的算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，層而達到越用越聰明的目的。

Zigbee 是一種低功耗、短距離、低速短延時、簡單大容量、安全可靠的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[1]。zigbee 具有強大的自組織網(wǎng)絡(luò)性能，主要工作在ISM 頻段。其中，2.4GHz 頻段較為常見，并且免費使用。在每一個家庭中通過 Zigbee 構(gòu)建局域網(wǎng)絡(luò)，達到安全可靠、成本低、低功耗的家庭網(wǎng)絡(luò)的需求。

家庭網(wǎng)關(guān)采用Arduino 模塊。Arduino 是一塊基于開放原始代碼的 Simple I/O 平臺[2]，因為 Arduino 是為業(yè)余電子愛好者開發(fā)的，所以開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境具有簡單易懂的特點，同時Arduino 開發(fā)語言是建立在 C語言的基礎(chǔ)上，功能強大，可以盡情發(fā)揮想象[3]。Arduino 以其簡單、便宜、功能強大贏得了成千上萬電子工程師的喜愛。

客戶端采用 WEB 形式，降低開發(fā)成本并且具有很高的兼容性。當(dāng)模塊增多，功能復(fù)雜的時候可以考慮開發(fā)APP，本身 APP 也可以通過 webview 等組建直接嵌入 WEB頁面，同時 WEB 也可以直接和微信打通，方便用戶使用。

2.2 云平臺架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用 REST 架構(gòu)。REST（Representational State Transfer）表征狀態(tài)轉(zhuǎn)移是從資源的角度看待整個網(wǎng)絡(luò)[4]，分布在網(wǎng)絡(luò)中的各種資源都是通過 URL（統(tǒng)一資源定位器）來唯一確定，應(yīng)用程序可以通過 URL 來取得網(wǎng)絡(luò)資源的表征，從而改變其狀態(tài)。REST 架構(gòu)希望通過統(tǒng)一的 Hypermedia Controls，實現(xiàn)標準的可擴展性高的標準語義及表現(xiàn)形式，從而達到無需人工干預(yù)、機器之間通用的交互協(xié)議邊的目的[5]。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）能夠讓被獨立尋址的物體互相連通，其中涉及的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備非常龐大，物聯(lián)網(wǎng)包含的物體個數(shù)保守估計在千萬億級別，面對如此強大的資源世界，采用 REST 架構(gòu)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在目前來看是最好的解決方案。

3 硬件實現(xiàn)

3.1 主控制器設(shè)計

主控制器采用Arduino+Zigbee模塊，如圖，Arduino 擁有14個數(shù)字IO 接口和6個模擬 IO 接口，外部供電5V～9V 直流電源，輸出5V 和3.3V 直流電壓，采用 Atmega328微處理器控制器芯片。 Zigbee 模塊使用 TI 公司的 CC2530芯片，此芯片具有增強型 8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)部可以編程閃存，且其具有4種不同的閃存運行模式模式，可直接在片上系統(tǒng)進行編程且代碼移植性好，技術(shù)成熟，成本低等優(yōu)勢讓其成為目前 ZIGBEE 開發(fā)的主流芯片。

3.2 溫濕度監(jiān)測模塊

通過DHT11溫濕度傳感器實時采集數(shù)據(jù)并通過 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)關(guān)。DHT11具有快速響應(yīng)、全程測量、數(shù)字輸出等優(yōu)點。

3.3 繼電器控制模塊

主要由繼電器和簡單的電路構(gòu)成，用于接收動作命令控制大功率家電設(shè)備。

3.4 電路檢錯模塊

電路檢錯模塊獨立封裝，用于檢測設(shè)備是否正常，檢錯電路工作原理：協(xié)調(diào)器獲得開燈指令后，如果電路輸出為高電壓狀態(tài)，即設(shè)備損壞或電路接觸不良等，則客戶端和主控制器檢錯指示燈亮，提醒用戶檢查電路情況。

4 軟件實現(xiàn)

4.1 硬件系統(tǒng)工作流程

設(shè)備開始運行先進行初始化，然后嘗試連接到云平臺，如果沒有連接成功則寫入日志并再次嘗試，三次之后若還沒有成功則對用戶做出反饋。硬件設(shè)備成功連接到網(wǎng)絡(luò)之后開始等待指令，得到指令之后立即執(zhí)行指令，成功則繼續(xù)等待執(zhí)行下一條指令，如果執(zhí)行不成功則記錄到日志并對用戶做出反饋。用戶可以隨時查看設(shè)備日志，方便發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

4.2 云平臺設(shè)計實現(xiàn)用

Node.js的特點是單線程、異步 IO、事件驅(qū)動，這種程序設(shè)計模型的優(yōu)點是性能優(yōu)異、開發(fā)效率高[10]。目前 Node.js 憑借其優(yōu)秀的特性吸引了一大批開發(fā)者和公司，形成了一個龐大的生態(tài)系統(tǒng)。成千上萬的第三方模塊讓 Node.js 開發(fā)更加高效，因此我們選擇采用 Node.js 技術(shù)構(gòu)建智能家庭系統(tǒng)的服務(wù)器平臺。

4.3 客戶端設(shè)計實現(xiàn)

通過服務(wù)器提供的 API，可以很方便實現(xiàn)各個平臺的客戶端。為了減少開發(fā)周期和盡可能多的適配客戶端，我們選擇先實現(xiàn)自適應(yīng)的 WEB 客戶端。采用WEB 技術(shù)實現(xiàn)客戶端，可以一次開發(fā)多種

客戶端適配，不同尺寸、不同平臺的設(shè)備都可以得到一個完美的呈現(xiàn)。

5結(jié)束語

本文是在參考了其他智能家庭實現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上，進一步簡化流程和優(yōu)化操作之后設(shè)計的一種智能家庭解決方案。相比以往Zigbee網(wǎng)絡(luò)的智能家庭系統(tǒng)，主要增加了HTTP協(xié)議支持，讓用戶隨時隨地掌控家庭；采用RESTful風(fēng)格設(shè)計，方便設(shè)備連接和二次開發(fā)，加入云平臺的概念，給智能家庭帶來無限可能。目前系統(tǒng)存在的不足是服務(wù)器端無法直接發(fā)起會話，后期會通過mqtt協(xié)議解決這個問題。

參考文獻：

[1] 杜興國. 一種可擴展的內(nèi)容管理插件的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 北京大學(xué)， 2009.

[2] 張勇. 數(shù)字糧庫中基于RSSI的ZIGBEE無線定位系統(tǒng)研究和實現(xiàn)[D]. 河南工業(yè)大學(xué)， 2012.

[3] 尉志武. 基于ZigBee的家庭火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 太原理工大學(xué)， 2012.

[4] 祁春陽， 戴歡， 李小超，等. 基于ZigBee的智能節(jié)能燈控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電腦知識與技術(shù)， 2014（6）

[5] 陳瑤. 基于Node.js高并發(fā)web系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D]. 電子科技大學(xué)， 2014.