基于無線物聯網技術的智能家居系統

翟翌立 王健 方麗華 郭慶穩

1 青島海爾電子有限公司 青島 266101

2 中國海洋大學信息學院 青島 266100

引言

物聯網的發展為智能家居引入新的概念及發展空間，智能家居可以被看作是物聯網的一種重要應用。當前，ITU-T、3GPP、ETSI、OMA等國際標準化組織紛紛加大標準化力度，先后啟動物聯網功能架構及應用的相關標準化研究，旨在推動物聯網的應用研發與產業化進程，建立可擴展的交互模型，并通過Web技術的引入使得物聯網與物聯網絡能有機地結合起來，形成物聯網，并成為物聯網(Internet of Things，IoT)領域之中的研究新熱點。

研究者對智能家庭系統做了大量研究，提出各種智能家庭系統，如設備管理系統、環境監測系統、健康監測系統、能源管理系統等。文獻[1]設計了一個智能家庭管理平臺，采用分層結構、區域管理的方式對家電進行管理；文獻[2]設計并實現了一種基于APP的智能家居環境監測系統，可用于實時監測室內CO、CO2、O3及PM2.5的濃度，可以讓用戶方便及時地了解室內環境狀況，并進行相應處理；文獻[3]提出一種新型醫療健康監測系統，可對用戶的身體狀況進行全面監測；文獻[4]提出一個電力負載的集成解決方案，以預測和重新設計電力需求(例如峰值負載減少和轉變)，從而有效減少能耗。

智能家庭系統網關問題也得到了廣泛研究，文獻[5]提出一種智能家庭網關設計方案，基于改進的用戶數據報(UDP)協議，搭建智能家庭信息處理平臺。利用現有的網絡設施，將采集到的家電終端信息進行處理和控制，達到智能聯網與信息處理的效果；文獻[6]設計了一種智能家居網關模型，對智能家居設備利用一個多級路由機制進行數據包的發送，傳輸和接收；文獻[7]研究云環境下的智能媒體等信息的調度策略，為家庭網關等的信息監測、控制數據發送提供了更高效的解決策略；文獻[8]給出了一種基于ARM的智能家庭網關的實現方法，實現對各種家電設備的遠程監控，同時，也可以在本地實現同樣的操作。

本文在相關研究的基礎上，圍繞智能家居無線物聯網的相關問題，研究適應三網融合發展的家居物聯網體系，在充分分析論證智能家庭的綜合組網、安全接入和用戶服務需求的基礎上，建立了以智能網關為中心的家居無線物聯網系統，實現了針對用戶服務需求的動態信息感知，完成了基于用戶個性化定制的服務支撐和運營體制的建立，達到為家庭提供安全、健康和節能信息服務的目的。本研究可推動國內外家電廠商、各級服務運營商等相關標準制定及產業發展，為智能家居無線物聯網設備的產業化及大規模應用和建設面向家庭的物聯網運營服務模式奠定基礎。

1 智能電視作為物聯網網關的智能家居應用場景

圖1是以智能電視為物聯網網關的智能家居應用場景。對于已經購買智能電視的用戶，只增加少量傳感器及外圍設備的支出，就可搭建一套典型家庭安防系統，也可實現諸如燈光窗簾等家居控制，這些外圍設備可來源于第三方。該場景通過中心節點適應不同的無線傳輸協議。同時，通過物聯網網關和云端的連接及相關設備類型的協議定義，可提供支持HTML5的URI標識的設備管理和接入，并通過用戶管理系統實現安全認證。

圖1 智能電視為物聯網網關智能家居應用場景

作為物聯網網關，重點需解決和物聯網傳感器的互聯問題，考慮到無線物聯網協議的多樣性，本系統利用智能電視相應的硬件開放接口通過中心節點架構來適應協議的多樣性。同時，對于智能家居應用個性化的特點，本系統利用智能電視標準的應用接口(應用商店、HTML5引擎)來實現智能家居個性化應用的開發。

2 基于智能電視的開放式物聯網網關

目前，智能電視所具備的硬件資源、軟件資源、互聯接口、交互方式等都非常適合作為智慧家庭中心。以智能電視為中心，通過其所具備的交互接口(如USB接口等)連接各種傳感器、白色家電、小家電、健康醫療設備及家居控制等設備，即可構建各種智慧家庭解決方案。而對于消費者而言，利用已有的智能電視設備，只需少量投資即可按需定制智慧家庭應用，非常有利于智慧家庭業務的開展及普及。

智能電視網關的原理框圖如圖2所示，該產品視頻部分支持1路AV信號輸出，1路YPbPr視頻信號、3路HDMI、1路YPbPr音頻、2路高清流媒體USB_2.0輸入、1路USB_3.0、1路TV，并帶有TF-SAMLL卡，支持數字電視DTMB，其可通過以太網絡接口或內置的Wi-Fi實現物聯網的連接。

圖2 基于智能電視的開放式物聯網網關硬件方案圖

該方案中可通過2.4G或藍牙接口連接多種物聯網設備。同時，通過其通用的USB接口和相應的中心節點模塊，可連接ZigBee、紅外或其他無線物聯網設備。

該產品的軟件系統除采用標準的Android之外，還采用海爾和阿里聯合開發的YunOS操作系統，YunOS是一個自主研發的可控的操作系統，為保證產品的可擴展性，其兼容Android應用和Web應用，通過HTML5引擎提供一個兼容WEB的應用開發平臺，通過一個JAVA虛擬機提供兼容Android應用的開發平臺。目前，其已可提供賬號、支付、購物、視頻、音樂、游戲等服務。

3 智能家居無線物聯網系統平臺

智能家居用戶服務平臺包括門戶系統、應用商店系統和電子商務系統，具體如圖3所示。

圖3 智能家居用戶服務平臺架構圖

門戶系統支持移動智能終端以及電腦端的接入，方便用戶使用，并完成用戶的身份認證以及設備認證。

應用商店系統主要承載各種智慧家庭的應用服務。已具備的應用包括視頻點播、家庭安防、老人看護、健康管理、智慧家庭、云存儲等便民服務。在應用商店后臺可實現用戶管理、系統監控、存儲管理等相關服務。

目前，針對電子商務服務，主要以阿里的電子商務系統為主流應用系統，該系統接入了阿里電子商務平臺。其可實現支付服務、信息服務、計費管理、服務管理等功能。

以上系統都具備用戶行為分析功能，利用用戶行為大數據，依據大數據分析模型對數據信息實現聚合、融合、分析、處理和控制，生成家居安全、個人健康、家電節能等信息，為用戶提供及時、互動和高效的信息服務。

4 結束語

本論文針對智能家電無線綜合組網、家電安全接入和智能家電信息服務需求，介紹了以智能電視為中心的智能家居物聯網網關，通過不同種類的家電傳感設備，建立以智能電視為中心的無線網關，實現家庭安全、健康和節能等信息的感知。據此，設計了智能家居無線物聯網系統平臺，通過信息聚合、融合、分析、處理和控制，為家庭提供及時、互動和高效的信息服務。本系統研究成果的進一步推廣應用可促進智能家居產業的發展。隨著智能家庭應用的不斷推廣和創新，如何針對家庭物聯網大數據進行智能獲取、處理和挖掘，進而提高用戶服務質量和有效綜合利用服務資源，提高用戶體驗，將是未來研究的重點。

參考文獻

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