CN111726408A - 一种高效服务的智能家居*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效服务的智能家居***，在“云架构”的基础上结合软硬件设备，搭建一个人与家庭环境信息快捷交互的智能家居***，在指定的居住环境内设定需要采集环境信息的路由节点，这些路由节点与汇聚节点以轮询控制***的方式组网并进行无线数据传输，汇聚节点连接到电脑端的端口上，通过搭建的串口助手读取节点内的数据并将其上传至“云端”，在“云端”搭建所需要的数据库以及web服务，最后设置一个手机应用软件获取“云端”数据实现用户与前端设备的交互。在该***中，用户可以串口助手获取布置在家庭内所有路由节点的详细信息，且用户在办公区域内可以通过电脑进入搭建好的网页观察家庭环境信息，也可以不受时间地址的限制通过手机及时了解家庭环境信息，该智能家居***实现了用户可以多渠道快捷方便观测家庭环境信息的目的。

Description

一种高效服务的智能家居***

技术领域

本发明涉及一种高效服务的智能家居***，是在“云架构”的基础上搭建一个智能家居***以实现对家庭居住环境的信息采集及监控，属无线传感器网络领域。

背景技术

随着5G时代的到来，我国社会发展将从信息时代跨度到智能时代，智能家居作为智能时代的重要生活标志，其广泛实现将标志着我国正式进入智能时代。另一方面，我国在智能家居方面还存在着巨大的经济效益，智能生活的发展也能有效推动我国经济社会的发展。

智能家居***作为实现智能家居生活的关键技术，其简捷快速搭建是广泛实现智能家居的重要途径。在现有的智能家居***中，其路由节点携带能源有限，节点续航能力差，且关键环境信息的不能得到及时传输，网络不具有传输不同优先级信息的能力。在智能家居***中，如果感知层内的节点续航能力较差或者能耗较大，这无疑是增加了每个智能家居用户的家庭开销成本；另一方面，现有的网络不能将关于用户居家安全问题的环境信息与一般信息进行有效区分，比如：家庭的温湿度与家庭的煤气浓度就处于两个优先级，煤气浓度应该及时准确的传输给家庭住户。所以，智能家居***的发展需要解决网络节点能耗过高的问题以及不能传输不同优先级信息的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有智能家居***的存在问题，发明一种利用硬件cc2538cb和软件TinyOS操作***搭建***的感知层，在电脑端使用Python软件搭建***的传输层，在“云端”搭建***的支撑层，在手机端设置一个APP作为应用层，通过四层结构搭建一个可以高效低功耗监控家庭居住环境的智能家居***。

具体是先依家庭环境信息的重要程度对其区分优先级并按照优先级传输这些信息；该智能家居***主要包含四个模块，第一个模块是采集家庭环境信息数据的感知层，第二个模块是将数据上传的传输层，第三个模块是基于“云端”服务器对数据以及用户信息进行管理的支撑层，第四个模块是将环境信息呈现给用户的应用层；让用户在任何地方通过手机及时获取准确的家庭环境信息。

本发明搭建智能家居***具体操作步骤是：首先在家庭居住房间内布置一定数量的路由节点，这些路由节点主要负责采集环境信息并根据所采集的信息重要程度区分为不同的优先级节点，所有的路由节点由cc2538cb芯片和传感器组成，再在区域内设置一个由cc20538cb芯片组成的汇聚节点负责接收路由节点采集到的信息，汇聚节点接入路由节点的方式是基于完全服务和门限服务的两级轮询控制***；其次将汇聚节点与电脑端口连接，在电脑端通过读取串口数据，并获取汇聚节点接收到的环境信息并将其上传到“云端”数据库中；然后在“云端”服务器创建web服务，将接收到的环境信息上传到web网页中，并建立一个用于用户管理的数据库以及web网页；其不在物理硬件上搭建支撑层，在“云端”构建数据库以及服务器以实现对无线传感器网路中感知层与应用层的交互。

本发明在感知层中，利用分簇算法将感知层内动态的网络变为相对固定的簇结构，在簇内设置各个节点的服务顺序以实现规定的轮询***。在该轮询***中，有两种不同优先级的路由节点，高优先级路由节点传输重要数据，比如：红外检测以及煤气含量等重要数据，低优先级路由节点传输一般数据，比如：家里温度和湿度等信息。低优先级路由节点采用的传输服务规则是门限控制策略，高优先级路由节点采用的服务规则是完全控制策略。按照一般家庭的居住环境设置高优先级路由节点的个数是2个，分别采集红外数据以及煤气含量，低优先级路由节点的个数是N个，分别采集家庭内每个房间的温湿度，低优先级节点接受服务后就轮询服务高优先级节点，所有高优先级节点传输完后按次序由下一个低优先级节点接受服务。路由节点在等待传输的过程中，整个节点状态处于低功耗模式，在接到汇聚节点的信标帧命令后才开始采集数据。

本发明利用python搭建智能家居***的传输层。该传输层的主要功能是读取汇聚节点内的环境数据并将其传输至“云端”数据库。传输层的设计是基于python开发的一个串口助手，该串口助手不仅具有电脑端口传输设置的功能还具有连接“云端”的功能。其功能实现是，将汇聚节点连接至电脑端口，通过对串口助手中端口接收数据的端口号、波特率等参数设置读取节点内的存储信息，然后再由串口助手连接“云端”数据库实现对其的读写操作，最后，利用正则表达式提取环境信息并将其上传至“云端”数据库。

本发明在“云端”构建智能家居***的支撑层。该支撑层的特点是不依赖于物理硬件，不需要人员进行专门的设备维护和维修。在“云端”首先搭建数据库，在数据库中建立需要用到的表格，第一个表格是用来管理用户信息，其余表格是用来存放每个路由节点采集到的环境信息；其次，在“云端”建立web服务，其主要包含有两个目的，第一个目的是用来管理用户信息，将由前端传来的用户信息进行核实和注册，第二个目的是将存放在数据库中的环境信息传给手机端。

本发明在手机端构建智能家居***的应用层。现代生活中，手机已成为人们不可缺少的应用工具，为了满足人们快捷方便观察数据的需求，将该智能家居***的应用层建立在手机端，通过开发一个手机应用将环境信息友好的呈现给用户。在该手机应用中，主要有两个功能，第一个对用户进行管理，第二个环境信息展现。由于手机应用访问的是“云端”公网IP，其数据传输不受时间地点的限制，极大的增强了该网络的实用性和便利性。

智能家居***的功能性较强，对硬件设备和软件的要求较高，其中感知层的基础硬件设备是最重要的，其主要负责采集环境信息，如果信息采集失败则整个智能家居***就不再起任何作用。保障感知层的有效运行是整个智能家居***的关键，其中又要求节点的长时间续航，这要求感知层需要一种高效省能的媒体接入控制方式。另一方面，由于感知层与传输层使用了大量物理硬件，如果支撑层再使用硬件就会增加网络的运营成本，引入“云端”服务器不仅节省成本还可以减少人员进行专门的硬件维护。随着人们对手机的依赖，智能家居***在应用层的开发也应随着时代的潮流将其设置在手机端，这样可以友好地将环境信息呈现给用户，用户的使用方式会更加简单，使用范围也会更广，对智能家居***的发展有着至关重要的意义。

附图说明

图1是区分优先级的无线传感器网络体系四层结构图。

图2是路由节点传输顺序图

图3是路由节点运行流程图。

图4是串口助手结构图。

图5是手机应用数据流程图。

图6是手机应用界面图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施方式进行详细的说明，具体如下述方式来进行实现。

实施例1：高效服务的智能家居***的具体实施方法主要包含有四个层次，其结构图如图1所示。在四层结构中，底层是感知层，本发明利用TinyOS操作***和cc2538cb单片机构建智能家居***的感知层。感知层作为整个智能家居***的核心层和基础层，其良好的性能决定着智能家居***的实用性。Tiny OS操作***是由University of California,Berkeley针对WSN特点设计的专用***。与其它操作***相比，Tiny OS是一个具有低功耗、小体积以及事件驱动模式等特点的开源轻量级操作***，提供一些常用组件，也可以扩展组件，独立编写组件模块，作为应用程序中的服务组件使用。由于其良好的性能表现，本发明将其作为智能家居***感知层内所有节点的操作***。

cc2538cb是以cc2538芯片为核心的低功耗单片机，其组成的其它主要硬件有USB接口、Reset按键、14PinJTAN、天线接口、IO口、LED灯以及PL2303芯片。cc2538芯片是整个单片机的核心，是单片机的操作***，用于执行载入的编译程序，其特点是芯片需要的供电电流为0.4微安，属于低功耗芯片。USB接口是整个单片机的供应电源接口，同时也是单片机异步传输接口，其单独与电源接通时仅提供电源，但当其连接到电脑端时，其即提供电源也可以与电脑通信。Reset按键为复位键，按下后整个单片机启动，cc2538内的程序重新执行。14PinJTAN主要用于载入编译程序至cc2538芯片中。天线接口主要用于连接SMA 2.4G天线，实现单片机的无线通信功能。IO口主要用于连接传感器，其功能是为传感器提供电源并接收其采集的环境数据。LED灯有三个灯且颜色各不一样，分别为红黄绿，可以用来显示单片机的不同状态。PL2303芯片可以实现RS232信号与USB信号的互相转换，其可以使单片机直接连接到电脑。cc2538cb单片机功能强大且功耗低，本发明将其作为感知层内所有节点的硬件设备。

所以，感知层内的所有节点的功能设置都是在TinyOS操作***中进行程序编译的，然后再将编译好的程序植入到cc2538cb单片机中实现实际采集功能。在TinyOS操作***中，对节点的程序编译主要分为两种，汇聚节点和路由节点。汇聚节点的主要功能是控制着路由节点传输数据的顺序并接收其所采集的环境信息。为了实现汇聚节点轮询控制传输顺序，本发明通过改变IEEE 802.15.4的超帧结构实现这一功能。IEEE802.15.4的超帧结构主要包含有信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。本发明实现轮询控制的方式是添加服务地址字段到信标帧中，添加节点号到数据帧中。轮询控制的具体实现方法是在建立簇结构之后，汇聚节点首先建立轮询表，轮询表中的顺序设置为序号1、2分别代表采集红外信息以及煤气浓度的高优先级路由节点，序号3至N+2分别代表采集温湿度的低优先级路由节点，在轮询表设置好以后将其写入存储区中。在轮询表中，每一个路由节点都有了对应的序号，轮询控制就可以在汇聚节点中根据各个节点的序号实现。本发明的轮询顺序为服务一次低优先级路由节点就按次序服务高优先级路由节点，在两个高优先级节点传输完数据后，低优先级路由节点按照次序接受服务，所有节点接受服务的次序图如图2所示。

在设置好节点轮询控制传输次序好，还需要对高优先级路由节点和低优先级路由节点的服务策略进行设置。本发明对这两种节点服务策略实现的方式是在信标帧中添加轮询方式字段，在数据帧中添加收发器状态与剩余数据包计数两个字段。这两种节点都是在接收到信标帧后，从休眠中被唤醒，将内存中已缓存的数据进行发送。在与汇聚节点建立无线通信时，在NesC程序中，其应该先调用boot接口来开启射频通信；在射频开启后，节点将从内存中读取进入节点的数据信息量，之后调用sock.sendto()函数进行数据发送。这两种节点的区别在于是否将服务期间内到达节点的数据包发送出去。高优先级路由节点采取完全服务，节点在接受服务时必须将其内的数据包全部传输出去；低优先级路由节点采取门限服务，仅需发送射频开启时从内存读取的数据包。两种路由节点的运行流程图如图3所示，其中左边的是完全服务，右边的是门限服务。

在前一部分介绍了汇聚节点轮询控制路由节点传输次序以及路由节点传输服务策略的实现方法，下面将实现路由节点对家庭环境信息的采集。由于网络路由节点的内存有限，需要通过限定数据包个数来限制采集数据的时长。而方法是在采集数据时，需要定时采集，即隔一段时间再采集。在这个过程需要用到HIL层的TimerMilliC组件来完成定时采集数据的功能，而TimerMilliC组件的功能实现可以由Timer接口完成。其具体方法是，首先通过event void Timer.fired(){}设定一个时间触发时间，在这个时间中含有触发采集环境数据的程序，再调用call Timer.startPeriodic(256)指令完成定时采集数据的功能。Call Timer.startPeriodic(256)指令的含义是每隔256ms就执行一次event voidTimer.fired(){}。在路由节点接收到汇聚节点的传输指令后，将通过error_tSplitControl.start()开启射频模块与汇聚节点建立点对点的无线通信模式，在数据传输结束后，调用errort SplitControl.stop()关闭射频模块并结束通信连接。

在感知层搭建完成后，下面是对传输层的设计。在汇聚节点接收到路由节点的采集信息之后，需要将汇聚节点内的信息上传至“云端”。本发明利用串口通信的方式，结合python开发出一个串口助手，该串口助手的功能主要有串口端口自动识别、串口信息读取并显示以及数据库连接及数据上传。首先，利用PyQt5搭建界面，在界面布局中使用网络布局管理QGridLayout，通过QLable添加端口号、数据库连接等控件，grid.addWidget()设置控件位置，.clicked.connect()关联按钮与信息槽；其次，在界面设置好之后，通过对控件参数获取实现串口通信以及数据库连接等功能；最后，在串口助手成功搭建完成后，再在其后面程序中添加信息读取功能，即利用正则表达式提取出环境数据并写入“云端”数据库对应表格中。在这个过程中，汇聚节点需要用到PL2303芯片实现RS232信号转换为USB信号，以这种方式直接与电脑端连接。串口助手的设计框图如图4所示。

在传输层搭建完成后，需要在“云端”搭建支撑层。该支撑层主要目的是实现对环境信息的存储以及用户信息管理。在“云端”首先安装MySQL数据库，在数据库中搭建需要用到的表，比如：用户信息表、存放各个节点采集数据的环境信息表；最后，在“云端”通过Eclipse建立web服务，其目的是将数据库中的数据调用到web网页中以备用户使用。

在支撑层搭建完成后，需要构建人机交互的用户层。该层的主要实现是通过ADT(Android Developer Tool)软件开发一个手机应用，该应用可以实现用户管理和环境信息呈现。在用户管理中，主要是对用户进行登录验证和注册添加。登录验证即获取用户的用户名和密码并将这两个字段封装成json对象传给后端，后端获取数据库中的用户名和密码字段进行比对，后端将比对的结果返回给前端，前端通过此结果进行判断跳转到不同的界面。注册添加即将注册的字段同样封装成json对象传给后端，后端解析json对象获取其中的字段并***到后台数据库中，注册成功后返回到登录界面，其流程图如图5所示，用户登录界面如图6所示。在家庭环境信息的呈现中，主要是由手机应用端发送POST请求到支撑层中的web网页进行环境数据的查询，将查询的数据封装成json对象返回至前端；最后，前端通过对后端返回的json对象进行解析展示给用户，其流程图如图5所示，家庭环境信息展示界面如图6所示。

本发明首先根据家庭环境信息的重要性对其区分了不同优先级并对采集环境信息的路由节点进行了优先级划分，可以实现重要信息的及时传输；其次，通过python搭建的串口助手实现了电脑数据观测，并可以连接“云端”数据库实现环境信息上传；最后，通过Android Developer Tool开发了的手机应用实现了用户管理以及环境信息呈现，用户可以随时随地通过手机应用观察家庭环境信息变化，该智能家居***可以给用户带来极大的便利性，可以为用户提供高效服务。

Claims (8)

1.一种高效服务的智能家居***，其特征在于利用硬件cc2538cb和软件TinyOS操作***搭建***的感知层，在电脑端使用Python软件搭建***的传输层，在“云端”搭建***的支撑层，在手机端设置一个APP作为应用层，通过四层结构搭建一个高效低功耗监控家庭居住环境的智能家居***，具体是：先依家庭环境信息的重要程度对其区分优先级并按照优先级传输这些信息；该智能家居***主要包含四个模块，第一个模块是采集家庭环境信息数据的感知层，第二个模块是将数据上传的传输层，第三个模块是基于“云端”服务器对数据以及用户信息进行管理的支撑层，第四个模块是将环境信息呈现给用户的应用层；让用户在任何地方通过手机及时获取准确的家庭环境信息。

2.根据权利要求1所述的高效服务的智能家居***，其特征是搭建智能家居***具体步骤是：首先在家庭居住房间内布置一定数量的路由节点，这些路由节点主要负责采集环境信息并根据所采集的信息重要程度区分为不同的优先级节点，所有的路由节点由cc2538cb芯片和传感器组成，再在区域内设置一个由cc20538cb芯片组成的汇聚节点负责接收路由节点采集到的信息，汇聚节点接入路由节点的方式是基于完全服务和门限服务的两级轮询控制***；其次将汇聚节点与电脑端口连接，在电脑端通过读取串口数据，并获取汇聚节点接收到的环境信息并将其上传到“云端”数据库中；然后在“云端”服务器创建web服务，将接收到的环境信息上传到web网页中，并建立一个用于用户管理的数据库以及web网页；其不在物理硬件上搭建支撑层，在“云端”构建数据库以及服务器以实现对无线传感器网路中感知层与应用层的交互。

3.根据权利要求1所述的高效服务的智能家居***，其特征是所述家庭环境信息数据是指家庭居住的房间温度、空气湿度以及煤气浓度等指标数据。

4.根据权利要求1所述的高效服务的智能家居***，其特征在于所述感知层内的网络媒体控制接入协议采用完全服务和门限服务两级轮询控制***，依照环境信息的重要程度将路由节点分成不同优先级，即采集一般信息的路由节点为低优先级，采集重要信息的路由节点为高优先级节点；所有路由节点只有在接收到汇聚节点的传输命令后才会被唤醒进行数据采集，传输结束后会进入休眠状态保持低功耗模式。

5.根据权利要求1所述的高效服务的智能家居***，其特征是所述汇聚节点作为网络数据的中心节点，其与电脑端连接，通过电脑端获取汇聚节点接收的环境信息并将其上传至“云端”数据库；所述所有的路由节点都能够采集自身周围的环境信息并传输由其它路由节点传过来的数据，实现数据的收集、存储和发送的功能。

6.根据权利要求1所述的高效服务的智能家居***，其特征在于所述电脑端通过python构建的串口助手读取汇聚节点内的数据并提取出需要的环境信息，再由串口助手将环境信息数据上传至“云端”数据库保存。

7.根据权利1所述的一种高效服务的智能家居***，其特征是用户通过手机应用软件访问“云端”服务器的方式，在用户层实现用户信息管理模块、数据显示模块以及环境数据呈现。

8.根据权利1要求所述的高效服务的智能家居***，其特征是支撑层中的web服务建立在“云端”，应用层只需要访问“云端”服务器的公网IP即可得到所需的信息，这意味着用户可在互联网的模式下不受地点时间的限制观察家庭环境的数据变化，且用户也可以通过电脑输入网址的方式进入家庭环境信息页面。

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