【物联网智能家居发展应用与趋势浅析9700字】

物联网智能家居发展应用与趋势浅析目录TOC\o"1-3"\h\uTOC\o"1-3"\h\u16979一、引言 427589二、智能家居在国内外的发展现状和趋势 415147（一）智能家居在国内的发展现状 413622（二）智能家居在国外的发展现状 527666三、物联网关键技术 632629（一）物联网应用平台架构 626769（二）物联网网关分层架构 786711.构建网关系统 7155542.构建网关分层架构 827045（三）物联网平台的通信协议 913447四、物联网在智能家居方面的应用 1016562（一）网络通信协议 1029033（二）CoAP可靠传输机制 1019601（三）设备数据上传和更新 10277481.数据操作流程 10198352.数据上传与更新消息定义 1111058（四）物联网通信系统数据采集 111797（五）智能家居平台数据推送 12278611.智能家居平台推送流程 1217892.推送消息定义 1328518五、结语 141149【参考文献】 1516760致谢 17

【摘要】近些年来，物联网技术作为信息通信技术领域的重大突破，它以前所未有的发展速度促进社会生产力的提高，改变着我们的生活方式，逐渐成为了世界各国领导人和学者关注的焦点。目前，虽然物联网在物流、交通、医疗等方面有了广泛的应用。但是对于物联网技术在智能家居的应用来说，仍然存在一些问题，这些问题主要有：一是底层传感涉及智能家居设备的接入类型较少，实现的都是比较小的数据的传输；二是物联网网关与智能家居平台之间通信的问题，传统的物联网通信协议HTTP只能满足数据的单次传输，不能在物联网智能家居系统中建立实时双向通信通道，那么就不能满足底层智能家居设备数据的实时更新；三是当有大量的数据同时涌入时，传统的物联网数据库的设计不能够解决数据高并发的问题。本文针对上述存在的问题，进行了物联网技术在智能家居平台运用中的研究，主要是为了能够通过物联网技术实现在智能家居平台中多种类型设备处理以及对于海量数据的存储。【关键词】物联网，智能家居，通信协议一、引言依据传统电信网以及互联网络等消息承载体，可以使得具备独立寻址的普通物体去实现相互连通的网络就是物联网(Internetofthings,IOT)。物联网是根据一定的互联网协议，将项目、物体等对象设置输入输出等硬件，然后利用软件系统和硬件信号去实现信息之间的交互以达到可以智能控制的目的。20世纪以后人们对于信息技术的应用进行拓展的主要核心，就是在计算机。在2019年，我国对物联网的连接环境更是进行了进一步的优化，推动了5G、Ipv6、NB-IoP等多种网络建设，促进了物联网的实质性发展。物联网的概念提出始于1999年，并且随着IBM的加入，更是得到了美国政府的支持，在全球引起了广泛关注，许多国家更是将物联网当成该国家的发展战略，也是因此物联网的发展得到了进一步的推广。在中国，起步相对较早的物联网也得到了广泛的兴起，新世纪以后新的信息化技术的具体体现主要在物联网的发展上面。更会成为我国战略性的一些新兴产业链的重要一员，产业发展一定会带动我们国家整个国民经济的蓬勃发展，并且我国国家领导人在政府报告里也提到要加快物联网的研究，因此，物联网的潜力是巨大无比的。随着其产业的迅速发展，目前物联网被应用在多个领域，包括智能物流、智能家居、智能交通、医疗保健等各个领域。物联网网关可以被分为由协议适配层、数据模型同步层、感知接口层和平台通信层组成的，其中协议适配层主要负责对搜集的数据进行封装并完成上传工作；数据模型同步层主要负责对数据进行传输和更新；感知接口层负责提供设备接入的接口；平台通信层负责和云平台之间的对接。在物联网系统内，物联网网关是作为连接网络设备以及传统网络的桥梁，将各自分散到不同应用、不同地域的感知网络的信息孤岛通过网络进行连接，并且实现异构网络间的通信和信息交换，推动了物联网的应用。为了解决物联网智能家居系统数据传输的问题和需求，本文在研究物联网在智能家居的实际应用中，设计了基于多通信协议的物联网网关与平台之间双向通信系统。首先，设计了基于Node.js+Socket.IO+Redis的通信系统模块化的设计与实现，采用一致的资源描述方式，安全高效的完成底层传感设备的接入、数据上传和数据模型的实时更新。其次，为了满足物联网系统的可拓展性，实现更多类型设备资源的加入，因此CoAP协议就出现了，在对于完成客户端与服务器双方都可以主动进行沟通，同时也能够实时分享数据的双向传输，CoAP协议对此功能有了很好的表现方式。因此，完成了基于CoAP通信协议的物联网智能家居系统的设计，从而更好地实现多种智能家居设备的接入、管理和数据交互的功能。二、智能家居在国内外的发展现状和趋势智能家居的发展最早是从1980年左右开始的，到目前为止大概已经有了30年左右的历程了，智能家居在国外的研究要先于中国，下面对国内外的发展现状一一介绍。（一）智能家居在国内的发展现状国内智能家居的发展在成长的过程中经历了许多坎坷，如今已经取得了很大的进步，下面对国内智能家居的发展做具体介绍。萌芽时期（1994-1999年）这个时期由于在中国刚起步，所以各方面经验还不是很成熟。在智能家居的销售业务中，只有外国的一两个品牌在中国销售，更有甚者并没有销售给我们华人，而是销售给了欧美用户。开创期（2000—2005年）这个时期国内智能家居行业慢慢开始有了进展，在国内大约成立了家企业。智能家居在技术培训体系和在市场销售业务方面逐步完善起来，由于此时技术还有形成良好的技术体系，因此未能大规模投入市场供人们大规模使用。徘徊期（2006—2010年）本世纪初以后，由于前期智能家居企业的在国内的激烈竞争反而给智能家居行业带来了很大的打击。大概从2005年开始，一半以上的企业退出了智能家居行业，转而做其他他们认为有前途的事去了。虽然还有很多企业坚持下来了，但或多或少遭受到了一定了打击，总体规模还是呈下降的趋势。融合演变期（2011—2020年）这个时期有了好转的势头，但这是房地产行业这一大背景作为支撑站起来的。据统计，我国的智能家居市场已达到5.8万亿元左右，当时估计2018年会突破225万亿元，因此具有无限的发展潜力。然而电器类智能家居稳居榜首。据报道我国智能家居在这个时期有高达13.2％的佳绩，或许可以取得更大的进展。国内的常用产品有以下几种：（1)海尔移动电话。将海尔电脑的芯片作为其主控制器，将各种家电设备聚集作为监控终端设备，控制中心采取移动数字的方式。在技术方面上，海尔和微软结合，发挥各自的特长，如海尔的家电和微软的Window系统，使“e家庭”暂露头脚，当时推出的网络产品主要有空调、冰箱和洗衣机等。（2)移动数字家园，该系列智能家居外观设计和中国家庭用户十分符合，按照国际法的标准，采取嵌入式和硬件技术相结合，提供网络节点和总端的设备。产品在开发功能上有很大的突破，家居标准采用一些欧洲国家的成熟的技术。控制系统分为以下三部分：A系列：采用EIB协议的方式，安装于中高档住宅区。B系列：采用X-10协议的方式，安装在中档住宅区。易家三代：采用配电箱的安装方式。（引用基于STM32的小型智能家居系统设计）为了智能家居能有一个好的未来，国内各大公司都做出了不懈努力，希望能研制出属于我们自己的产品，以解决我国智能化产品在价格昂贵、实用性差和使用复杂等种种问题，各项指标都在向国际化靠拢，包括创新性和实用性等，然后突破自己，这样的中国未来一片光芒。（二）智能家居在国外的发展现状随着1984年的到来，通过不懈努力终于建立了世界上的第一座智能大厦，这栋大厦的建成有着非同凡响的影响，但这座大厦也是在旧式大楼的智慧的基础上建成的。2000年的时候，新加坡的智能家居有了很大的起色，在新加玻约有5000个家庭开始使用家庭智能化系统，美国的智能家居行业也在挫折中走了出来，当时已高达4万用户使用智能家居系统。截止到2003年底，智能家居行业赢得了高达的4500亿美元的盈利，但大部分还是来自于硬件产品，其有将近3700亿美元的盈利，其余的部分包括技术服务、软件费用等各方面共盈利800亿美元左右。迄今为止，智能家居经历了大起大落的经历后也开始日益成熟。鉴于技术等各方面随着时代的发展愈发趋于成熟，其前景也十分可观。和那些几万美元的高端别墅相比，这些智能家居环境性价比极高，不仅耗资少，而且住的舒适，得到了住户也十分肯定。在智能家居在研制方面，不得不承认欧洲国家比我们要好得多，这正得益于他们起步早，投入了很大的成本，对我们来说想赶超他们不是件容易的事，因此他们处于领先地位也理所当然。但近些年来，在国外的一批知名其他企业也开始转向智能家居行业，如摩托罗拉和微软两家公司，摩托罗拉公司的“居所之门”、微软的“梦幻之家”以及BM的“家庭主任”等，都开始慢慢占据家居市场的主导地位。除了美国的一些企业，与此同时，日韩新等一些国外国家的的好企业也进入了智能家居的开发行业中，智能家居早已成为人们的焦点话题。在国外的常用产品有以下几种：(1)美国生产的X-10系统，该系统的电力线搭建在基础线平台上，采取集中控制的方式。这套系统不仅功能强大，而且与ABBC_BU等智能家居相比之下，更容易被接收，结构相对来说也比较简单。在功能的实现上，X-10系统采取先接受来自电力线路的信号，然后将接受的数据传输给接收器，从而达到控制的目的，由于不需要额外布线，所以因此也节省了许多功夫，也成为了本套设计系统最大的亮点，相比之下其它系统都是需要进行额外布低压线路的，有的是走墙上、有的是地面钻孔或开槽布线等，施工费用高、对施工人的考验大而且消耗时间长，因此该方案在国内几乎没有市场。(2)德国生产的EIB系统，该系统采取新颖独特的控制方式：预埋总线以及中央控制。但由于工作难度大、控制精度高，因此要求极其严苛，既然如此，价格必然十分昂贵，很难打开中国的国门。(3)新加坡生产的8X系统，控制方式是预处理总线以及集中控制。其最大的好处在于可以对产品进行扩展，且具有较为完善的系统，但也存在一些技术问题，如活性不能满足市场要求，性价比低等，所以也不能很好地进入国内市场。三、物联网关键技术（一）物联网应用平台架构物联网系统架构，使用基于平台+网关的开放设备体系，完成对底层传感设备数据的接入、传输和处理等，最终通过前端界面展现给个人电脑用户（personalcomputer,PC）或着移动端用户。服务器选用Node.js，用javascript语言来进行程序的实现，完成平台对于底层设备的接入和数据的传输等功能。利用Node.js的非阻塞机制、事件循环机制特性，使得平台在处理大量并发I/O请求，在向客户端发出响应之前，不需要进行复杂的计算的时候，可以进行快速的传输，不会产生数据高并发的问题。物联网系统架构如图3.1所示。图3-1物联网开放平台架构图3-1中，利用底层设备、物联网网关、物联网云平台以及浏览器组成物联网系统架构。其中物联网云平台又把可以解决不同需求的部分划分出来，物联网事件平台和资源平台便是其中的两部分。事件平台主要针对事件进行操作处理，资源平台则将物联网网关设备的一些操作例如模型的创建以及管理作为一部分功能来实现。在需要将底层设备的实时数据和图片数据通过建立连接进行传输时，则可以通过对于物联网系统中的网关和平台之间建立一个连接，完成这些数据到平台的一个传输过程，并加入数据库中，实现平台对底层设备数据的接入、管理和存储等。在此基础上，平台可也对于底层设备有一个操作和管理的过程实现，主要是为了完成在物联网平台已经注册好的虚拟的实体数据的模型与上传到物联网网关的实时的数据模型的一个同步更新的过程；与此同时，可以通过对于物联网平台创建接口来实现与用户浏览器的连接，将数据传输到前端进行显示，供用户去查看和访问。（二）物联网网关分层架构物联网系统中为了完成底层设备的认证、数据上传、数据更新等管理以及应用，对于连接云平台和底层设备的桥梁采用物联网网关完成。为了实现网关对设备的协议的转换、管理与广泛接入，因此我们对网关进行分层架构和系统模块设计。1.构建网关系统网关系统用来完成传感设备数据快速存取、加快事件处理速度，减轻平台压力，实现网关对设备的管理，网关系统模块如图3-2所示。图3-2网关系统模块图3.2中，网关系统模块主要由Socket.IO通信模块、网关和设备模型模块、网关和设备管理与事件处理模块、设备通信模块以及网关心跳、加密处理5部分组成。Socket.IO通信模块实现物联网平台和物联网网关的双向通信系统的建立，用于实现设备的接入等一系列操作；网关和设备模型模块在网关上电后自动与平台通信，按平台注册模型建立网关和设备物理模型，并维持与平台实时同步更新；网关和设备管理与事件处理模块完成对网关和设备的状态管理、网关的配置管理和设备的位置及操作管理，同时实现对网关设备模型事件处理模块和事件监测模块的处理；设备通信模块通过Tcp通信来实现底层设备的接入，完成传感设备数据和物理网关设备模型数据的转换；网关心跳管理模块需要定时上传心跳信息到机器服务器，否则机器服务器认为网关关机，并上传状态到平台数据库；加密处理模块采用MD5加密方式对网关接入认证时分配的userkey和网关ID进行认证授权网关。2.构建网关分层架构在网关分层架构中，可将其分为由平台通信层和数据模型管理同步层组成的网关内部模块，由协议适配层和感知接口层组成的设备接入模块两部分组成，并且在两个模块之间采用TCP进行通信，来完成我们对于设备的接入认证，设备的管理以及设备数据的协议转化。网关分层架构如图3-3所示。图3-3网关分层架构图图3.3中，感知接口层、协议适配层、数据模型同步与处理层以及平台通信层是被分层了的网关的架构。感知接口层主要是用来连接底层传感设备，并且接收来自设备的消息先经过协议适配层的通用协议进行转化以后再将其上传到平台去，对于大多数通用设备，提供通用适配程序；对于非标准的设备来说，可以通过专门开发程序来实现。协议适配层用来实现对来自下层接口的的各种协议类型的数据的转化，利用已经定义好的格式，完成设备数据模型与实际设备间的数据转换，实现物联网平台对各类设备的接入。数据模型管理同步层主要的功能是对于不管是平台下发还是设备上传的数据进行一个解析和处理的过程。其中对于来自设备的数据，要进行上传和更新；而对于平台下发的需要对设备进行操作的消息，要按照一定的协议方式来下发处理给设备；模型同步则是需要实时完成的一个动作，只要有更新，便必须进行平台中的模型与网关中的模型的一个同步更新，并发送同步消息。平台通信层的功能是既要完成下层即数据模型管理同步层发来的同步消息的接收，进行同步操作，同时也要给网关下发数据模型同步更新的消息。通过构建Socket.IO客户端，以及在机器服务器中构建服务器端，来完成物联网平台双向通信系统的实现。（三）物联网平台的通信协议在遵循一定原则的基础上进行物联网平台通信协议和资源抽象定义，主要有一下三个方面：一是资源的统一抽象，由于各种物联网应用平台缺少统一的资源抽象描述，进行对各种资源的统一的管理比较难，因此统一的资源抽象要被安排好；二是设备即插即用，一种对设备可以随时接入、随时删除的机制，从而使得设备能够自动的接入、配置以及删除操作；三是要满足物联网系统的可拓展性，通过建立接口API，实现更多的设备与资源的接入，从而实现更加智能的物联网服务。通过调查研究及资料查询，本文将资源抽象描述分为三部分：网关（gateway）、设备（device）、设备数据点（datapoint）。（1）网关：基本信息进行抽象描述以及管理该网关下的所有设备。同一个网关内设备组成区域，不需通过平台，可实现本网关内设备间互操作，但需与平台同步。为了让网关的接口协议具有扩展性，所以本文中使用字段信息version来进行网关的版本控制，平台可以根据版本号来选择不同的数据解析方式。网关模型按JSON格式定义。（2）传感设备：主要对传感设备基本信息进行抽象描述。由于设备类型的丰富性和设备数量的海量性，所以规定每个设备只有一个数据点输入，但是可以进行多个设备操作以及设备事件操作。对设备进行操作主要描述包括设备操作的参数、设备参数的所属单位、设备操作的命令以及设备操作的事件。设备事件分为数据点事件、联合事件、位置触发事件、状态触发事件。设备模型按JSON格式定义。（3）传感设备数据点：主要是对采集到的设备数据进行抽象描述。所有的数据类型（比如图像型数据、视频型数据、音频型数据等）都必须有数据点采样时间。图像设备数据点包括时间、序号、缩略图、原图、位置坐标。一般设备数据点包括时间、序号、传感数据或字符串、位置坐标；传感设备数据点模型按JSON格式定义。通过以上分析，定义开放性物联网应用平台的数据模型如表2-1所示。表3-1网关数据模型参数描述同步源version版本号(V1.0)固定name网关名称固定userkey网关操作key固定GID网关ID固定status网关状态网关type网关类型固定protocol网关通信协议固定Loc网关[经度,纬度]固定parameter{网关参数}网关Configures_Name网关配置名称平台Configures_value网关配置参数值平台Configures_unit参数值单位平台Configures_op网关配置命令或者消息平台Devices_DID设备ID固定四、物联网在智能家居方面的应用（一）网络通信协议为可以实现比较远距离的访问，智能家居系统连接到Internet网络，在Internet上交换客户端和服务器数据，在物理网络和互连层之间接收和发送IP数据包，实现设备的公共网络。为了实现网络通信的功能，必须通过TCP/IP协议栈进行干预，形成对网络数据的交互功能。系统的TCP协议采用了一系列简化机制，在系统功能的前提下，大大提高了利用率。（二）CoAP可靠传输机制物联网智能家居系统中，服务器的作用就是为了完成所有设备的连接，这时的平台压力很大，因此减少平台服务器的连接量是主要目的，CoAP协议的连接与传输可以通过不可靠的协议（UDP）来实现。所以消息会有很多可能，也许乱序到达、也许没有回应、或也许数据丢失、重复接收等等。这些现象如果通过TCP协议进行消息传输的话，是不会出现以上情况的。可以通过模仿模仿TCP协议的办法，使作为应用层协议的CoAP协议对于数据的传输质量有保证，在内部就可以实现轻量级的传输机制可靠，避免了上述现象的发生，以便提供可靠的智能家居设备传输的服务。CoAP协议可靠性有以下特点：（1）通过使用停等协议来完成对于一个需要确认的消息进行响应，一直等到第一条消息有回应时在发送下一条。（2）通过采取对于通信双方的待处理消息的限制，来预防通信拥堵的现象的产生。（3）不管一条消息是否需要进行确认，都要通过对于消息的反复排查来阻止消息的反复发送。（三）设备数据上传和更新1.数据操作流程智能家居设备需要而且必须要与物联网智能家居系统建立连接，在设备认证成功以后。对于底层设备数据的模型同步需要与设备数据传输到平台端的过程同步进行。底层设备的数据先由TCP协议传送至网关端，然后完成模型的一个同步过程。也就是说需要保持物理的数据模型与平台的数据模型一致，也就是说，每当平台模型发生更改时，相应的物理模型就必须更改。然后完成智能家居设备实际数据与设备数据模型的同步转换，其中包括状态更新数据和设备的实际数据等。开始数据上传流程前，我们首先要进行初始化工作，智能家居网关中的Socket.IO客户端要先开始监听智能家居设备上传的数据，然后对于数据的类型要做出判断和处理。若监听到的为设备认证消息，则通过智能家居设备认证流程对设备完成认证过程的实现并且将物理网关设备模型返回；若监听到的消息为需要对设备数据更新，则需通过数据上传流程同步更新数据至平台端，完成底层设备数据的实时更新过程。2.数据上传与更新消息定义（1）上传实际数据实际数据指的是底层传感设备传输给网关的数据，包括来自温湿度传感器的数据以及摄像机采集到的图片数据，具体消息定义如下：{msgType:“deviceData”;//设备数据消息gwid:“gwid”;//网关标识符devid:“devid;//设备标识符dataType:“dataType”;//数据类型，如温湿度传感数据、图片数据等dataTime:“dataTime”;//数据获取时间点binaryData:“binaryData”;//图片数据的格式为二进制}（2）更新状态数据包设备可能存在被使用和不被使用的情况，因此，要将设备现在的实时状态更新情况传输给平台端，平台则会根据收到的数据包进行一个同步更新的过程。具体状态更新消息定义如下：{msgType:“devstateUpdate”;//进行状态更新的消息gwid:“gwid”;//网关标识符devid:“devid;//设备标识符devState:“devState”;//设备状态gwState:“gwState”;//网关状态}（四）物联网通信系统数据采集“数据采集传输层”的主要内容是对于上层来说接收物联网智能家居系统业务逻辑层下发的操作命令和对于下层来说完成感知层的智能家居传感设备数据采集工作并将数据上传。可以采用TCP/IP协议、Modbus协议以及其他的一些传输服务实现设备的接入，并通过CoAP协议的客户端完成设备数据的传输与交互。为了更好地完成数据的交互以及CoAP协议在物联网中的应用，对于智能家居客户端进行工作流程设计。客户端工作流如图3-1所示。图3-1客户端软件流程图为了方便底层智能家居传感设备数据的上传请求，首先，智能家居客户端要根据服务器确定连接需求，然后随时等待向服务器发送需要上传的数据，等待服务器接收数据，并返回相应的信息。首先需要对接收到的信息进行分类处理：假如客户端这边是要获取设备数据的指令，那么另一边即服务器端会把设备的数据进行接收，并且还需要将其为了方便用户查看在前端界面显示出来；假如获取到的信息是服务器端要获取当前设备状态的指令，则会接收设备的当前状态，并在界面上显示；如果发送的是对于底层设备的操作控制指令，则会收到智能家居设备操作控制的信息反馈，整个流程结束，反之则需要继续发送操作控制指令或者对于当前设备的工作状态进行查询。（五）智能家居平台数据推送1.智能家居平台推送流程在智能家居平台端构造JSON格式的关于对设备需要进行操作的指令，设备便会收到来自网关的反馈，进行相应的一个操作过程。操作流程如图3-2所示。当平台需要对设备进行操作时，进行初始化，对于智能家居平台下发的JSON消息数据进行监听，对于接收到的消息类型进行判断和对应处理，并通过Socket.IO协议由平台下发给网关。若监听到的为指令消息，则通过网关下发给具体的底层传感设备，对其进行具体的操作；若监听到的为模型消息，平台端则会返回认证完成时相应的设备模型和网关模型到网关中，至此，智能家居设备数据下发过程结束。图3-2数据下发图2.推送消息定义（1）指令数据包如果用户再通过前端界面进行底层设备数据查看的过程中，发现需要对智能家居设备进行一些相关参数配置的操作，那么平台就要将这个操作指令打包成数据包通过网关发送个设备；与此同时，当我们的底层设备的实时数据超过我们网关设定数据最大容量值时，也给给智能家居底层设备一个反馈告知。具体数据下发消息定义如下：{msgType:“devControl”;//指令消息devid:“devid;//设备IDname:“name”;//字符串，设备操作名value:“value”;//设备操作参数，数值opration:“opration”;//对设备进行操作消息}（2）数据模型包就如登录某个系统一样，首先要先进行注册和认证的一个过程，设备接入网关也是一样，只有当设备成功完成了注册和认证以后，物联网平台就会发送对应的数据模型给网关端。其中设备模型和网关模型都包含在内。具体模型消息定义如下：{msgType:“dataModel”;//数据模型消息gwid:“gwid”;//网关