智能家居交互平台系统研究

何 峰

（北京中建海外装饰工程有限公司，北京 100000）

基于国内当下智能家居行业还没有统一的标准、企业各自发展的现状，从2003年起，陆续涌出了多种智能家居产品。这些智能家居产品虽都有其各自的优势和适用性，但是单独的一种技术都很难去为终端用户提供一套完成的智能控制的解决方案。目前多数智能家居厂商都在积极的推动各种技术的“整合”，来完善自己的产品结构，但是多数厂商都有其专属的应用程序与控制技术，不同厂商的终端智能产品之间不具有兼容性，无法实现相互间的互联与互通。

终端客户的需求和智能家居技术的发展，必然不断地接入新的技术、驱动与接口，不断丰富系统的多样性，为此智能家居交互平台系统随着科技的发展会具有越来越强大的兼容性，会“整合”更多的技术，会有更多的智能家居厂商来“对接”智能家居交互平台。因此，构建智能家居统一交互平台系统，使智能家居各厂商产品能够既独立运行，又在交互平台系统中应用，就像万能遥控器一样，既能使用原装遥控器去控制家电，又能匹配万能遥控器去控制家电。设备既能在各家子系统的平台管理下运行，又能在统一平台下集中运行，打破孤岛，使智能家居产业真正的融为一体，以满足当下终端消费者对智能家居产品的需求。

1 智能家居系统架构

智能家居系统架构决定了该系统的功能特性及安全性等诸多问题，当前国内较常用的系统架构可分为“公有云+C/S系统架构”和“私有云+P2P系统架构”两种。

1.1 公有云+C/S架构

公有云（public cloud）是基于标准云计算（cloud computing）的一个模式，服务供应商提供资源，智能家居厂家租用公共云资源用于应用和存储，终端用户可以通过网络获取这些资源的模式。由于许多云服务将直接通过公共Internet访问，所以安全性成为使用云服务处理重要信息的最大障碍。同时，当服务供应商系统故障或智能家居厂商停止租用服务公共云资源时，终端用户的智能家居系统将无法继续使用。

C/S架构（Client/Server架构）是大家熟知的客户机和服务器架构。它是智能家居软件系统体系架构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现[1]。该架构系统的通讯受网络环境影响较大，且在数据传输过程中存在着数据延迟、外泄等因素，因此智能家居的终端用户将会遭遇体验感差和不可估计的损失。

智能家居公有云+C/S架构，如图1所示。由于该架构智能家居厂商前期投入少，所以是目前大多数智能家居厂商采用的架构体系。

图1 公有云+C/S架构

1.2 私有云+P2P架构

私有云（Private Clouds）是为一个客户单独使用而构建的，因而提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制[2]。私有云是智能家居终端用户的专用设备，并可以在此设备上部署应用程序、数据存储、逻辑运算等；私有云可部署在防火墙内，因此在智能家居领域为用户提供了更安全保障。

P2P（peer-to-peer，对等式网络）架构，又称点对点技术，是依靠智能家居系统设备终端（peers）交换信息的通讯体系，它的作用在于减低网路传输中的节点，以降低资料遗失的风险。P2P网络的一个重要的目标就是让所有的终端都能提供资源，拥有较佳的并行处理能力，大幅度提高性能；不用投资大量金钱在服务器的软、硬件设备，适用于小规模的网路，维护容易。

智能家居私有云+P2P架构如图2所示。该架构智能家居厂商开发成本和智能家居主机成本均比较高，但该架构体系的优势性也非常明显的，适合中高端用户选用。

图2 私有云+P2P系统架构

2 智能家居交互平台系统的研究

智能家居交互平台系统是利用计算机技术、网络技术、通信技术，在遵循通讯协议、端口协议、转换协议的基础上，开发的一套可以对信息、系统、协议等进行交互的嵌入式平台系统[3]。智能家居交互平台系统需安装在Android、IOS、windows系统的平板电脑主机上，智能家居交互式平台对各子系统的数据进行接收、逻辑分析、执行、存储、交互等操作，该平板电脑主机即为智能家居主机。

2.1 智能家居交互平台系统的构成

目前主流技术是利用HTML5设计的人机交互界面。因特尔公司推出基于HTML5智能家居图形化编程环境原型，它可以让家庭自动化工程师拖放元素来完成整个智能家居系统的设计，对于智能家居设计工程师来说，这一功能可以大大提高效率，并且具有高度的灵活性，人机交互得到了更好的发展，如图3所示。

图3 人机交互界面

2.2 MySQL数据库

智能家居交互平台系统主机采用的是MySQL数据库[4-5]，该数据库为一款完全免费的产品，可以运行在windows平台，且MySQL数据库的跨平台性是一个很大的优势，极大地方便了开发和后期应用移植。

本文研究的智能家居交互平台系统，其兼容性很高，系统内置对RS232/485技术、红外技术、蓝牙技术、Z-Wave技术、标准RF433技术的核心控制功能，其设备添加和控制以及数据及交互均在MySQL数据库内进行。智能家居交互平台主机系统和MySQL数据同时在智能家居交互平台主机运行，设备状态信息和操作指令实时的在系统和数据库之间进行传递和存储。

2.3 开放的通讯协议及接口函数

智能家居交互平台采用SSDP和UDP通讯协议进行与子系统的端口对接；采用TCP或HTTP传输协议进行传输；传输内容能通过HTML5、XML、JSON技术进行编辑。

子系统欲实现与智能家居交互平台进行控制和数据交互，需兼容以上通讯协议和技术进行开发。本文研究的智能家居交互平台系统通讯基于JSON-RPC 2.0，使用TCP短连接。

3 与外部网络之间的数据交互

本文研究的智能家居平台主机与外部网络是通过TCP远程驱动接入智能家居交互平台HomeCenter系统，云对云驱动也使用此协议；TCP远程驱动使用JSON作为数据交换格式。开发者可以通过TCP驱动，或rhome命令来开发和调试TCP Driver，开发一个TCP远程驱动需要以下3个命令，见表1。

表1 开发TCP远程驱动常用的命令

此外，在Windows10系统下设置防火墙，用于识别通过网络传输的指令是否为合法指令，而不是“黑客”非法指令。因此，智能家居交互平台既是家庭信息的交通枢纽，又是防火墙。

智能家居交互平台应实现家庭内部网络与外部网络之间的数据交互，能与广域网连接，实现远程控制、远程管理，如图4所示。

图4 内/外部网络的数据交互

基于无线技术智能家居交互平台扩展总线或无线技术在室内环境中的交互式平台主机是通过桥接器或路由器与各个子系统或终端设备进行物理连接。智能家居交互平台主机“整合”技术之间通过MySQL数据库进行存储与交互；与智能家居交互平台主机“对接”的子系统，其数据交互是通过TCP传输协议传输JSON的数据格式的数据包，实现与其他智能主机进行数据交互与控制，如图5所示。

图5 智能家居交互平台主机与子系统之间的数据交互图

4 智能家居交互平台“整合”的几种控制技术

4.1 红外技术的“整合”

红外技术在智能家居领域得到了广泛的应用，是因为常用的家用电器设备都有红外接收功能，也就是说很多电器都有红外功能的遥控器。随着终端用户的各种家用电器的需求不断增加，遥控器的数量也随之增多，为此也给生活带来了不便。随着智能家居红外转发技术的不断成熟和完善，终端用户也体验到智能家居给生活带来的改变。

与此同时，红外技术有一个致命的弱点，就是红外线在传输过程中穿透力很弱，隔房间或物体时，是不能对设备进行控制的。红外转发技术可以解决这个难题，但数据交互过程会出现延迟等情况，降低了客户对智能家居的体验感。

本文研究和实施的红外转发器ZEN-Ball是与智能家居交互平台系统主机之间通过网线进行连接的，且串联并延伸到各个房间。当智能家居交互平台主机执行某一红外设备的控制时，主机会下发射“红外码”，该“红外码”通过网线进行传输至某一特定的红外发射器，红发转发器发射红外码，来实现对该红外设备的控制。

4.2 Z-Wave技术的“整合”[6]

Z-Wave传输协议是专为智能家居通讯而研发的一款协议，频段纯净无干扰，兼容性好，在平台协议内产品可互通；Z-Wave协议是开放的，其联盟160多个国际厂商开发的1 000多种设备都是兼容的；本文研究的智能家居交互平台主机系统中内置了所有的ZWave产品列表，并不断完善与更新。因此，在终端用户选用Z-Wave技术的智能家居系统时，可以不用另行采购智能家居主机系统，而是通过添加Z-Wave控制器来完成与其他Z-Wave设备间的双向通讯。

本文研究的Z-Wave控制器是采用USB即插式连接方式，方便移动，适合各种复杂环境，我们称之为USB Z-Wave网关控制器。用于实现系统内所有ZWave设备的双向通讯，接收传感器的回传信号，通过设定联动其他设备动作。亦可直接收命令，发出ZWave信令，控制Z-Wave终端设备做出动作。设备响应时间只有5 ms；信号衍射性强覆盖性好室内传输30 m，室外传输100 m；内置记忆卡，不连接主机匹配信息也不会丢失。

USB Z-Wave网关控制器也可以通过USB延长线与智能家居交互平台主机的桥接器的USB接口进行连接，如图6所示。

图6 Z-Wave网关控制器

4.3 标准RF433MHz射频技术的“整合”

在国际上基于标准RF433MHz无线通讯协议开发的国际厂商众多，满足RF433通讯协议的产品更是不胜枚举。其产品应用于安全报警、无线自动抄表、家居及工业自动化、远端遥控等领域。遵循标准RF433无线通讯协议开发的产品之间能够实现数据交互。因此，基于标准RF433无线通讯协议的智能家居产品在平台协议内也是可以进行控制和数据交互。本文研究的智能家居交互平台系统，对于标准的RF433产品进行“整合”，其设备添加和控制的原理与Z-Wave基本相同。

4.4 蓝牙技术的“整合”

蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信技术，具有开放性和全球的统一规范，可提供低功耗、短距离的无线空中接口，传输距离小于10 m，在信号放大器的帮助下，通讯距离甚至可达100 m左右[2]，在固定设备与移动设备之间实现无线通信。基于蓝牙技术开发的数据传输模块，不仅可以用来进一步开发蓝牙高层协议，而且还可作为通用的接口函数和模块应用到多种无线场合[2]。

蓝牙控制器，可直接连接在智能家居交互平台的桥接器USB口上，也可以通过USB延长线，扩展到室内应用的场所。

智能家居交互平台主机系统发送控制信令，蓝牙适配器接收后将信令传给出去，并被多个蓝牙模块或蓝牙设备接收，经单片机或设备识别后完成相应的动作，从而实现了智能家居交互平台与终端设备的无线控制功能。本文研究的智能家居交互平台系统，对于标准的蓝牙产品进行，其设备添加和控制的原理与ZWave基本相同。

4.5 RS485技术的“整合”

RS485设备通过USB转485数据线与智能家居交互平台主机的桥接器进行连接，在确保驱动程序正常的情况下，执行发射和接收RS485码，实现对RS485设备的整合及控制，如图7所示。

图7 USB转RS485接口数据线

4.6 RS232技术的“整合”

智能家居交互式平台主机与RS232设备进行交互的原理和RS485设备的交互原理是相同的。不同的是通讯协议不同，设备端口线不同，功能按键的编码不同。RS232通讯端口的设备很常见，一般家庭中的影音设备通常都具有RS232通讯接口，如电视机、机顶盒、公放机、DVD、投影仪等。随着终端客户对影音室的需求提升，多端口转换设备应用出现，使得智能家居系统对影音设备的控制变得简捷，如图8所示。

图8 RS233多端口转换设备

5 发展趋势

通过对智能家居领域多种通讯技术和系统架构进行深入的研究，研发出适合当下国情的智能家居产品体系和系统架构，构造出一套功能强大的智能家居交互平台系统。打破了当下国内不同厂商生产的设备之间不能进行数据交互的窘境；同时，其他智能家居厂商，尤其是新进入智能家居领域的厂商在与“智能家居平台系统”对接时，其通讯协议和接口函数要遵循“智能家居交互平台系统”的定义，从而在一定程度上为智能家居统一规范起到了积极的推动作用。“智能家居交互平台系统”是近阶段国内智能家居行业发展的方向。