基于物联网的智慧家庭系统顶层架构设计

车辉 邢慧芬 樊玉琦 裘小林

摘 要：智慧家庭系统存在各子系统相互独立、缺少统一管理平台的问题，这些问题阻碍了智慧家庭的应用和发展。文中以建设智慧家庭统一管理平台为目的，对智慧家庭的系统架构、功能架构、物联网平台架构和技术架构等进行设计，并对各架构中的主要功能模块进行详细阐述，从而为政府和企业建设智慧家庭提供参考。实践结果表明，该智慧家庭系统顶层架构的设计不但为智慧家庭的建设提供理论基础，还具备一定的现实指导意义。

关键词：物联网;智慧家庭;智能网关;物联网平台;顶层架构;管理平台

中图分类号：TP302.1-34文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-00-03

0 引 言

随着科技的发展，新一代信息与通信技术（ICT）得到了广泛的应用，并且逐步进入家居管理中，从而实现家庭的自动化、网络化和智慧化管理。同时随着国民收入的提高，百姓对家庭的定位除了满足居住需要，还对家居舒适度、家庭安全、绿色节能、健康环保等提出了更高要求。因此智慧家庭[1]逐步被人们所熟悉和接受，并且得到了快速的应用和发展。

智慧家庭是以物联网[2]技术为基础，以新一代ICT技术为载体，结合自动控制技术，实现了家庭设备的智能控制、家居环境的自动感知、家人健康的智慧监测、能源消耗感知和家庭安防感知，创造了一个绿色、节能、健康、安全的智慧化、个性化的家庭生活环境[3]。

国内学者和企业对智慧家庭系统进行了大量研究。文献[4]设计一种基于ZigBee的智能家居系统，实现了对家庭环境和家居电器的智能化控制;文献[5]设计一种基于物联网的家庭医疗系统，实现了家庭远程医疗，方便了家庭就医;文献[6]设计一种基于云计算的家庭能源监测系统，方便了家庭能耗管理，实现了家庭的绿色节能;文献[7]针对家庭安全设计一种家庭监控系统，提高了家庭安全性。但这些方案都是针对家庭某一应用进行设计的，各系统之间缺少关联，无法实现系统之间的互联互通和统一管理，实用性较差，严重阻碍了智慧家庭的应用和发展，因此设计统一的智慧家庭管理平台势在必行。

本文根据智慧家庭建设的实际需求，以建设统一系统管理平台为目标，并根据中国电子技术标准化研究院发布的《智慧家庭标准化白皮书》，对智慧家庭系统顶层架构进行了设计。文中分别从智慧家庭的系统架构、功能架构、智慧家庭物联网平台和技术架构等方面进行了顶层设计，并详细的阐述智慧家庭的核心组件。实践表明，智慧家庭顶层架构的设计为我国智慧家庭的建设提供了理论基础和发展思路，具有一定的指导意义。

1 智慧家庭系统架构设计

智慧家庭系统利用物联网、云计算等新一代信息与通信技术，构建了一个和谐、节能、高效的智慧化家庭生活和服务系统，从而为家庭创造一个安全便捷、绿色节能和舒适宜居等方面均优的家居环境。智慧家庭系统可分为终端层、网络层、平台层和应用层4个层次，系统架构如图1所示。

智慧家庭系统通过终端层的信息采集设备和可控设备实现家庭环境的智能化控制和管理，而网络层则负责终端采集数据和控制信息的传输。平台层一方面将从设备端收集到的数据进行存储及智能分析处理;另外一方面提供认证管理功能、设备控制功能和协调不同的终端设备功能，实现了设备之间的联动。应用层则为用户提供包括健康、养老、教育、家居控制、安防等多个方面的应用，是智慧家庭系统在家庭应用中的具体体现。

2 智慧家庭功能架构

智慧家庭是智慧城市的最小单元，是以家庭为载体，以实现家庭智慧化服务为目标，结合新一代信息与通信技术，从而达到绿色节能、健康环保、安全智能和智能便捷的居家生活方式。根据中国电子技术标准化研究院于2016年9月发布的《智慧家庭标准化白皮书》要求，智慧家庭系统的业务内容包括健康管理、居家养老、信息服务、互动教育、智能家居、能源管理、社区服务及家庭安防8个方面。智慧家庭系统的功能架构如图2所示。

2.1 智能家居系统

智能家居管理系统是利用先进的物联网技术、智能控制技术和现代网络通信技术，依据智能信息化建设和家庭室内设计规范，根据每个家庭的不同需求，将智能家居系统中的各个子系统进行有机地结合，通过现代网络通信技术进行室内或者远程的智能控制和管理，实现家庭中的家电、窗帘、门窗、灯光和温湿度等设备的整体联动，从而为家庭成员提供一个智慧化的家居生活环境。

智能家居系统充分利用物联网通信技术实现智能控制终端与应用终端之间的联网控制，进而实现对家居终端的数据采集、控制管理等应用。目前，智能家居系统采用的主要物联网通信技术包括红外、KNX 总线、RF（射频）、ZigBee、Z-Wave等。

同时，智能家居系统也可通过应用互联技术实现家庭终端之间进行网络协议识别、数据传输、设备发现控制管理和应用分享等，如数字生活网络联盟（Digital Living Network Alliance，DLNA）协议、WiFi联盟推出的Miracast、高通开发的AllJoyn等。

2.2 家庭安防系统

家庭安防系统是指利用现代网络通信和物联网技术，通过在家庭中安装摄像头、门窗磁、门禁控制器和红外入侵检测仪器等各种安防设备，从而为家庭提供入侵检测、防盗、防火等安防功能的服务系统。家庭安防系统可与智慧小区、公共服务机构等进行互联，当出现异常情况时通過声光、呼叫业主、小区物业管理中心或公共服务机构等方式实现报警、紧急求助等功能，增强家居生活的安全性。智慧家庭安防系统包括家庭监控系统、门禁管理系统和家庭消防系统三个部分。

2.3 能源管理系统

通过在智能电表、水表、燃气表、热量表中内嵌载波或物联网（如ZigBee）信号接收电路组成家庭能耗管理系统，实现对家庭用电、水、气、供热、热水等信息自动采集，并利用系统的统计分析功能了解到家庭的能源消耗情况。同时通过在能源终端智能插座、智能开关等，实现对家庭能源的开/关控制、能源使用数据统计等。

2.4 家庭健康管理/居家养老系统

家庭健康管理/居家养老系统以新一代信息与通信技术为依托，将医疗健康类可穿戴式设备作为数据采集终端，以手机、PAD等设备为智能终端对健康资讯、医疗卫生服务和个人健康信息进行呈现。在健康管理信息系统的基础上，通过整合健康服务机构来为消费者提供健康管理信息服务。家庭健康管理/居家养老系统以社区医疗卫生系统、社区居家养老支撑服务体系为核心，上接城市智慧医疗系统、卫生局和第三方服务机构，并借助家庭医生辅助系统、IPTV、高清监控摄像头和智能终端等设备，从而实现家庭健康监测、家庭健康档案管理、健康咨询、家庭远程医疗、老人一键求救、居家养老等功能。家庭健康管理/居家养老系统一般包括家庭健康管理系统、居家养老管理系统、家庭医生辅助系统等。

智慧家庭是智慧城市建设的最小单元，因此智慧家庭系统需要与上级部门或第三方服务机构对接来实现家庭系统的功能。如智慧家庭系统与社区、医疗卫生系统相结合来完成健康管理、居家养老;与公共教育系统或第三方教育机构相结合来完成家庭的互动教育;与智慧城市系统或智慧社区系统相对接来实现社区服务、信息互动;与消防、公安部门的相结合来完成家庭安防、家庭能源管理等。

3 智慧家庭物联网平台

智慧家庭物联网平台处于连接软硬件的枢纽位置，使得不同类型的硬件设备通过不同网络连接方式整合起来。它向上传送终端设备采集的数据和通信信息，向下远程管理终端设备、监测终端设备异常、发送控制和通信信息，为上层应用提供支撑服务;同时，为设备和用户提供安全和身份认证[8]。系统物联网平台如图3所示。

目前，智慧家庭系统物联网平台提供商主要分为运营商、互联网公司和家用电器厂商几大类，如中移物联网开放平台、QQ物联、长虹UP平台等[9]。虽然公司不同造成物联网平台存在差异，但智慧家庭物联网平台一般都可分为4部分，即设备管理平台、连接管理平台、应用支持平台和业务分析平台[10]。

通过设备管理平台可以实现家庭终端设备的远程控制、系统设置、系统升级、故障监测等，同时也对网关和应用状态进行实时的监控，从而实现设备故障的预处理。连接管理平台一般应用于运营商网络，实现功能包含了SIM卡生命周期管理、资费账单管理、账户管理、连接诊断、通知管理等。应用支持平台为上层应用提供成套应用开发工具、中间件、数据存储功能、业务逻辑引擎、对接第三方系统API等，从而大大降低开发成本、缩短开发时间。数据分析平台是指引入人工智能、数据建模的方法，对物联网的业务数据进行分析，以提供预测类、诊断类等服务。

4 智慧家庭技术架构

智慧家庭系统通过智慧家庭网关设备、智慧家庭物联网云平台、终端设备和手机APP四者构成一个完整的整体[11]。智慧家庭网关向上连接网络服务提供商，实现宽带互联网互联，向下对接智慧家庭终端，实现各终端设备的互联互通，是智慧家庭系统的核心枢纽;而智慧家庭物联网云平台通过向家庭网关提供所需的插件和服务，从而实现对终端设备的远程控制和管理;而终端设备则是实现各业务功能的终端元件，是创造一个舒适、智能的居家环境基础;家庭成员则通过手机APP实现对智能网关和家庭各终端设备的控制，以满足家庭智慧化的需求。智慧家庭技术架构如图4所示。

4.1 智慧家庭网关设备

家庭网关是智慧家庭系统网络通信的枢纽，它向上对接网络服务营运商、承接管理平台，向下连接智慧家庭中的各种智能终端，负责终端数据的向上传输和平台控制信息的向下转发，是系统的核心设备，具有控制中心、网络中心和通信服务中心的功能。目前，家庭网关主要采用基于Linux操作系统的开放架构平台方案设计，部署时则采用基于Linux的Android操作系统或中间件技术OSGi[12]。

4.2 智慧家庭物联网云平台

智慧家庭云管理平台是智慧家庭的神经中枢，其一方面对智慧家庭的各种连接终端进行控制，另一方面则对终端收集的数据进行处理分析。物联网云管理平台向上与网络服务提供商完成系统的对接;向下则管理智慧家庭系统中各种终端设备的发现认证、心跳保活、故障监测，插件的安装、升级卸载和业务管理等。同时，物联网云平台还为APP、第三方系统和云管理平台提供API接口，为家庭提供家居设备、终端通信等管理和数据查询功能。

4.3 智慧家庭终端设备

智慧家庭终端设备可以分为两种类型，即控制型设备和应用型设备。控制型设备是指通过对终端设备的控制来实现家居环境的管理，如门窗磁、门禁、窗帘等设备;而应用型设备是指可以满足家庭生活需要的设备，如冰箱、电视机、空调等各种家用电器。智慧家庭终端设备是家居中实现各业务功能的终端元件，是创造一个舒适、智能的居家环境的基础。

4.4 智慧家庭 APP

家庭成员通过APP客户端可以实现设置家庭网络、配置家庭网关、控制家居设备以及与第三方应用的连接，实现家居环境、安防、能耗的智能监测以及家庭健康健康管理、移动学习和信息获取和互动交流，为智慧家庭系统提供友好的接入界面和人机互动窗口。

5 结 语

智慧家庭系统通过综合运用新一代信息与通信技术，实现对家庭环境的智能感知、家庭设备自动控制、家人健康管理、家居安全防护、远程教育学习、家庭能耗管理和信息交流，从而实现了家庭居住的舒适化、电器管理的智能化、居家安全的可视化、家庭学习的便捷化和家庭的绿色节能。本文以建设智慧家庭系统通一管理平台为目的，从智慧家庭的系统架构、功能架构、物联网平台架构和技术架构四个方面对智慧家庭系统进行了顶层架构设计，并对各架构的核心功能模块进行了详细阐述，从而为政府和企业建设智慧家庭系统提供了参考。总之，智慧家庭系统顶层架构的设计不但为智慧家庭的建设提供了理论基础，也具备一定的指导意义，有力地推动了中国智慧家庭的发展。

参 考 文 献

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[2]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.

[3]佚名. 智慧家庭[EB/OL]. [2012-12-24]. https：//baike.baidu.com/item/智慧家庭/1869811？fr=aladdin.

[4]王易川，李文钧.基于ZigBee、WiFi和云服务器集群的智能家居系统设计[J].物联网技术，2018，8（1）：76-79.

[5]汪悦，管弋铭，李梦蓉，等.基于物联网的智慧家庭健康医疗系统[J].光通信研究，2018（1）：56-60.

[6]王伯勇.基于云计算的智慧家庭能源管理系统架构及功能研究[J].绿色科技，2014（5）：277-279.

[7]伍粤山.智能家庭监控系统的设计与实现[J].清遠职业技术学院学报，2011，4（3）：55-62.

[8]王峰.中国移动物联网平台的探索与未来[J].通信世界，2018（10）：26-27.

[9]周斌斌，古乐声.国内物联网平台的发展现状研究[J].创新科技，2018，18（3）：50-53.

[10]陈越.电信运营商物联网运营管理平台研究[J].互联网天地，2017（4）：37-43.

[11]汤敏健，贾夏俊，徐江山，等.基于家庭智能网关的智慧家庭技术和业务方案[J].广播电视信息，2018（10）：20-26.

[12]万象.基于OSGi的智慧家庭应用控制架构研究与模型设计[J].电信科学，2014，30（3）：143-148.