基于ZigBee网络及WebOS云计算技术的智能家居安防系统设计

罗 隆

（广州工程技术职业学院，广东广州 510075）

随着自动化与智能控制技术的发展，加上人们对生活环境的要求大幅提高，家居控制的智能化与便捷性越来越重要，智能家居系统得到了飞速发展，各种智能产品、智能电器、智能家居极大地丰富了人们的生活。智能家居以人工智能技术、计算机通信技术、自动化技术、语音识别与图像识别技术等为基础，将家庭各种用电设备进行系统集成，构建一个方便快捷的住宅与家庭管理系统，为人们的生活提供了舒适与便利[1]。可以预见，随着科学技术的不断进步，它将为人们带来更多的居住幸福感。

传统的智能家居设备侧重于控制家用电器方面，如果用户需要兼顾安防方面的需求，就需要额外购买监控摄像机、防盗系统等设备，这就增加了用户的投入，使智能家居一直停留在高端市场，而不能走进百姓家庭[2]。而且家庭控制主机由于运算性能有限，只能完成数据采集、简单控制的功能，但随着科技的发展，出现了语音控制、行为控制等新需求，传统的智能家居控制技术已不能满足未来的需要[3]。随着云计算的诞生，这些高级的控制需求有了新的解决方式。针对这些问题，本文设计开发了一种基于ZigBee网络及WebOS云计算技术的智能家居系统，该系统集成有网络摄像头，用户既能在远程控制家电，还能即时通过网络摄像头功能观看视频，布防防盗系统，利用本地控制主机进行数据采集，远程云服务器进行分析、存储，再回传数据至本地控制主机执行，实现云服务，从而做到一套系统满足智能家居控制、视频监视、防盗报警三种功能。

本智能家居安防系统由三层网络组成，底层为感知控制层ZigBee网络，中间层为Internet以太网网络，顶层为应用层，底层与中间层之间通过控制主机相连进行数据交互，后台是强大的云服务器群。

本系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图

控制主机是感知控制层ZigBee 网络与中间层Internet以太网网络相连的网关，是本系统开发中的关键设备，它是一个嵌入式的智能前端，采用ARM架构的Linux系统平台，其通过有线、Wi-Fi或5G上网卡对外连接Internet，并提供一个WebOS服务管理系统，负责网络管理、ZigBee设备管理、情景模式管理、布防管理等，人机控制界面为WebOS，具有很强的可操作性，兼容未来的HTML6技术，支持新一代的浏览器[4]；
可以利用计算机、智能手机等各种具有浏览器的智能终端设备，通过互联网远程访问中心控制器内置的Web界面，实现人机交互，进行家电设备操作、视频监控、防盗布置等操作，方便易用。

通过它用户可以实现家庭设备的无线控制、红外遥控的在线学习、音视频自动环境检测、主动或被动报警等功能。控制主机集成有网络摄像头的功能，用户既能远程控制家电，还能即时通过网络摄像头功能观看视频，还可以录制监控视频、设置录制触发模式等。

每个家庭有一个或多个控制主机设备，每个设备管理一部分的无线传感器或无线控制器。接收这些设备的数据上传到云服务中心，这些数据包括音频数据、视频数据、温度、湿度等，云服务中心根据用户注册的信息及用户社交网络的信息建立对应每个家庭的专家系统，实现家庭的智能化。

控制主机中的WebOS使用了最新的HTML5标准和基于HTTP长连接的“服务器推”，使得富客户端程序成为可能。通过HTML5，用户操作界面像操作系统一样便于操作，像普通的Web应用一样方便修改和升级。通过“服务器推”技术，服务器的信息可以及时推送到浏览器客户端，例如实现摄像头视频推送，实现设备状态信息报警等[4]。传统上这些必须通过C/S模式实现，这也是其与传统智能家居终端主要的区别之一。

控制主机将用户的点击、设置等操作，发送ZigBee控制命令到各对应ZigBee控制模块，模块接收命令识别后执行对应的操作，包括开关家用电器、发送红外遥控命令等，同时接收及显示各ZigBee模块的状态信息。

位于系统底层感知控制层ZigBee网络的控制节点与传感节点模块也是本系统重要组成部分。基于ZigBee无线组网技术的控制节点属于系统控制信息硬件输出部件，通过ZigBee芯片接收控制主机发送的控制信息控制节点上的各种设备。无线传感节点属于系统外部信息硬件接入部件，节点上各种传感器转化为的数字信号通过ZigBee传输到控制主机，再由控制主机响应处理。另外，还可以通过设置节点间的强关联，使得节点可以脱机联动控制。

ZigBee控制节点与传感节点模块均采用8051内核的单片机芯片为控制器，通过SPI接口连接ZigBee无线芯片实现无线网络通信。节点模块负责实现控制主机发送的命令，具体来说可以实现以下主要功能：

（1）可控插座，可以实现家电设备的开关控制。

（2）照明开关，可以实现照明设备的开关控制。

（3）红外转发器，可以实现将对应的ZigBee无线信号转为红外遥控信号，实现各种带红外遥控功能的家电设备控制，例如电视机、电风扇、功放音响、空调等控制。

（4）灯光控制器，可以实现灯光亮度的控制。

（5）窗帘控制器，可以实现电动窗帘开合控制。

（6）温度湿度监视器，可以实现温度、湿度的监视。

（7）人体红外防盗监视器、安防防盗设备，能够检测人体红外信号，配合其他模块实现设防、撤防和报警等功能。

（8）有害气体检测器，可以检测煤气、烟火、一氧化碳等各种有毒气体。

（9）火焰检测器，可以检测明火，起到检测火灾发生的作用。

本设计的云服务器主机采用LAMP平台技术，采用Linux+Apache+Mysql+Python来搭建后台数据处理的动态网站，多台LAMP服务器主机组成云服务器群，共同组成了一个强大的Web应用程序平台[5]。本系统的服务后台采用云计算技术为每个家庭建立对应的智能系统，用户数据存储在以数据存储和管理为核心的云计算系统，可以实现语音控制、行为控制等高级控制，并有着很高的可靠性，且很容易动态拓展[6]。本系统的云技术网络架构如图2所示。

图2 系统云技术网络架构

网络层包括在每个智能家庭控制主机内的基于WebOS技术的嵌入式服务器，负责本地及远程访问控制ZigBee网络中各个联网设备，实现Web管理控制界面，保存记录各相关数据状态。Web站点服务器通过访问上述数据库服务器获取数据信息，并通过Web站点发布到互联网上的应用层[7]。

应用层包括各类搭载了Web浏览器的终端设备，利用电脑、手机、平板电脑等各种具有浏览器的设备，通过Internet远程访问中心控制器内置的Web界面，实现人机交互，进行家电设备操作、视频监控、防盗布置等操作。另外，用户还可以在智能用户终端上直接安装运行于Android、iOS、Windows Phone操作系统的App应用程序，以实现在Web上暂时无法实现的功能，例如语音控制、手势控制等。

本系统将ZigBee网络技术及WebOS云计算技术用于智能家居安防系统，兼容新一代互联网HTML6技术，中心控制器集成有网络摄像头的功能，将ZigBee与WebOS云计算技术用于智能家居设备的研发，开发控制主机及网络控制与传感节点模块，利用后台的云计算平台实现智能家居的语音控制、行为控制等高级控制，将家居控制、视频监视、防盗报警等功能集成到一套家居控制系统中，能够有效降低用户成本，简化用户操作难度，提升家居防盗安全水平，减少因家庭电器操作失当造成的水电浪费，推动智能家居产业发展。

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