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分布式家庭自动化系统的设计、规范与实现
摘要
本文介绍了一种应用物联网技术的新型家庭自动化系统的设计与模型实现。本文探索了利用简化的设计原则来开发一个用以解决现有系统复杂、多个指标不兼容等问题的功能强大的家庭自动化系统的方案。该嵌入式系统使用了被广泛使用的低功耗32位单片机模块ESP8266，配合一些传感器和驱动来与房屋内的活动进行交互。通过基于HTML5的直观移动和Web 图形用户界面应用程序实现远程访问、操作和管理的灵活性。WAMP协议（网络应用程序与通信协议）被用来确保独立的应用和系统无缝地使用Web服务安全协议进行一种安全性能较高的通信。该系统提供了一个成本效益和效率高的解决方案，因为专用的公共IP地址和高端计算机的成本被排除在外了。
- 综述
日常生活中对智能设备的使用极大的提高了人们生活的质量，也提高了生产效率。由此，人们对舒适性、控制集成性、成本控制、能源节约以及安全性能等方面的要求也日益增高，这些方面也恰恰是人类住宅和工业工厂实现自动化路上所需满足的首要指标。对这些需求的呼声日益增高的结果是，设备的智能化性能飞速增长。同时，设备间相互的连接为用户提供了更高的可用性和便捷性。通过互联网技术、人类社交网络以及机器间的通信技术，智能系统中的各个组件实现互联已经成为了可能。“物联网”概念的产生与智能化家居的兴起密切相关。随着全球网络物理基础设施的发展，物联网这一新兴技术受到了研究者广泛的关注。
物联网的概念包括以下几点：智能部件的集成，以及连入网络的带有传感器和驱动的嵌入式设备。物联网中的这些设备是智能互联的，因此需要在事物和人之间以及事物本身之间建立新的通信方式。需要注意的是，随着设备处理能力的增强和存储容量的增大，设备本身的尺寸变得越来越小，这使得它们更容易适配各种各样的传感器和驱动。更强的处理能力和存储性能使得诸如此类的嵌入式设备可以胜任理想网络协议中的无缝通信。家居自动化很早前以可节约人力的机器的形式出现了，而“智能化家居”的术语最早由美国房屋建造协会在1984年提出。早期的智能化家居饱受性能不如意、维护成本高以及组建和操作过程复杂等方面的诟病。尽管如此，现代自动化家居技术正在快速进步，因此，已经有了不同的自动化程序，其中有大量基于无线和互联网技术的“物联网”概念。
本文探索了利用简化的设计原则来开发一个用以解决现有系统复杂、多个指标不兼容以及由此产生的费用等问题的功能强大的家庭自动化系统的方案。该自动化系统的独立计算单元相互合作，其相互间只传递精简的信息来实现所需的自动化功能。除了系统和应用程序的输入和输出数据操作之外，它们还同步当前状态。
2.相关研究
人们应用不同的方案已经对房屋的自动化进行了数项研究。基于蓝牙可以使设备在无需因特网的情况下进行连接，与蓝牙技术相关的方案被用来实现房屋自动化。在此系统中，连接到嵌入式控制器的设备通过内置蓝牙连接的设备进行访问和控制。 但是该方案有一个缺陷：蓝牙设备的最大控制距离在100米左右，而此限制恰恰使得蓝牙系统不能满足长距离移动通信，所以该方式的系统只能局限于在邻里间使用。与此同时，基于GSM技术的房屋自动化管控的解决方案也被用于实践当中了。该方式中，手机（或GSM模块）与家庭端控制器相互协作，用来接收由家庭端发出的AT指令。该方案下也有两个缺陷：首先该系统缺少对应于繁多操作指令的图形用户界面，这使得用户必须清楚得记得对应于不同操作的代码；其次，当移动网络连接失败时，该系统中的信息传递可能会存在一些延迟。基于以上两点，该方式并不适用于实时操作和远距离数据传输。
在诸如宽带技术和移动热点技术日益普及的趋势下，远程对家庭内设备进行访问和控制已经成为了可能。基于Wi-Fi的家庭自动化解决方案利用本地化的系统来管理连接的设备。这样的安排通常会造成资源瓶颈，因为它们需要复杂的网络流量路由来进行远程操作。 这些设置的缺点是：对于高端计算机的使用不仅提高了操作的成本，同时也增大了对能源的消耗和对空间的占用。持续发展的应用于家庭服务器的接口应用不易于升级，同时所采取的数据传输协议还不够强大，也很难根据未来可能出现的需求进行升级。
鉴于在客户住宅中没有专用的服务器，对于公共IP地址的分配使得系统的价格变得高昂，同时也限制了对有限的地址资源的利用。此外，作为一个基于代表性状态转移（RESTful）的Web服务器的互操作的应用层，并没有为实时操作提供全双工通信。为了升级之前的设计，云增强家庭控制器（CEHC）架构——通过云计划而将本地资源增强——的概念被提出了。 虽然该研究试图在发展中的自动化技术领域内提供一种灵活的、对环境友好的丰富应用，但是它忽略了相随的安全问题。此外，利用基于谷歌云消息（GCM）服务的分布式云平台之间的通信，已经实现了一个完全基于云的解决方案。GCM是一种允许信息在客户—服务器模式的应用下传输的免费服务，它用到了XMPP协议。此外，除非与谷歌的某项特定合同被考虑会收取费用，就算没有用户同意，也可不受限制的将系统数据用以存储以外的目的。
我们的研究目的是使用最新的因特网络技术实现分布式房屋自动化系统的服务。我们采用耐用且可升级的协议来确保个体应用与系统间的无缝通信。主要的和新的协议（WAMP）实现Web socket全双工和持久连接和JSON数据序列化。此外，通过HTML5基于Web的应用程序和服务开发，直观的GUI移动和Web应用程序可以在自动化操作和管理中体现出灵活性。整体来说，这种架构为灵活的家庭自动化实现提供了一个简化的范例，它解决了由专用的公共IP地址和高端计算机的成本，从而为家庭自动化提供了一个性价比高的解决方案。
3、系统架构
图一展示了由硬件接口和软件控制部分组成的分布式房屋自动化系统。
3.1 硬件接口部分
硬件部分组成了为房屋中传感器和驱动提供合适接口的CPE模块。这些模块由用C 语言书写固件的32位单片机ESP8266协调控制。CPE模块需要可以控制灯照、HAVC应用以及防盗锁等功能，CPE同时需要管理房屋内诸如温度、湿度以及光照强度等环境。CPE必须提供与用户交互的接口和因特网络连接。总体来说，该嵌入式硬件可以被划分为控制器、电力驱动装置和集成传感器三个部分。
控制器使用的是基于被广泛使用的WI-FI模块ESP8266的低功耗32位CPU，ESP8266是一个独立的单片机，其集成了TCP/IP协议栈，这使得我们可以通过无限网络将嵌入单元与之进行通信。该模块因其强大的片上处理和存储能力而被选用，这些能力使得其可以在运行时通过其GPIO接口与传感器和其他特定的应用设备进行连接，而这一过程并不需要详尽的前端开发和高的运行负载。该单片机较高的片上集成度使得其可以搭载最简洁的外部电路，其本身还装载有一个可自我校准的射频发射器，使得其可以在没有外部射频发射器的情况下也可正常运行。
家电由以继电器为主的驱动控制。一个八通道继电器通过移位寄存器与拥有较少引脚的控制器进行交互。同时，LED发光二极管通过发光状态来标志和配置数字输出引脚的状态。为了监测周围的气象条件，需要测量诸如温度和光照强度等参量。这些测量到的参数可以使得系统能够与周围环境产生交互，同时也可以基于参数来控制周围环境。温度通过LM35IC芯片进行测量，其输出电压与温度成线性关系，温度每升高1摄氏度则其引脚输出电压增加10毫伏。红外探测仪则可以检测附近的活动目标。一旦检测到附近有任何动作变化，设备的数字输出引脚就会输出数字高，并且可以人为地延迟，以便由控制器的数字引脚读取信息。
3.2 软件控制组件
软件部分由网络服务器、客户端应用和嵌入式软件组成。网络服务器是管理、控制、校验和监控分布式系统访问的核心。客户端应用提供给用户图形化用户界面，方便用户进行操作。涉及设计模式和框架的操作使用的结构化设计也被用在了软件系统的开发中。而包含了网页应用和移动端应用的前端应用部分为管理和监控用户的设备和传感器提供了图形化界面。页面端应用使用了开源的HTML5技术，包括：HTML、PHP、JavaScript、CSS和MySQL五个方面。移动端应用通过网页浏览器的插件工具等启动。而移动端应用则是通过跨平台开发环境研发的一个适配网页端应用的适应品。应用的灵活性、直观性、存储效率和操作简洁性等特性是为了满足用户更好的使用体验。
内嵌软件使用C语言和C 所写，软件的作用是将输入输出设备与ESP8266控制器相连接。内嵌软件利用双工模式的板上Wi-Fi发射器通过嵌入式微型网站和Web socket服务器来支持离线操作。这一功能是为了增强系统使得系统可以在云服务器连接断开的情况下进行使用，这使得系统可以在住宅中独立的使用。
3.3 通信接口
Web socket是最适合在实时双向全双工模式下持续将浏览器和服务器连接起来的方式。WAMP协议是一个可在多种语言支持下提供应用程序路由的开放式标准Web socket子协议。WAMP协议使得分散式系统内部低耦合的应用可以在软实时模式下进行通信。该协议是在Web socket通信协议和JSON数据序列化的基础上建立的。JSON是一个语言独立、人类可读的数据交换格式，通过JSON可以将数据以非常理想的状态在系统间进行运算、存储和传递等操作。 JSON的设计原则是：简洁、通用、结构化、人类和机器可读，并且可以在因特网上使用。它是使用Unicode编码的文本数据格式，相对于XML而言，它是无冗余的。典型JSON格式下的数据节如下
：{“user_id”:“1”,“port”:“2”,“state”:“0”}。
3.4 网页服务安全性
我们在应用和应用间通信上都采用的是标准的网页安全服务技术。例如，在网页端和移动应用端都安装有认证系统，任何未经认证的客户都不能取得进入应用的权限。为了进一步保证Web socket的安全性，我们采用了一次性密码（OTP）机制。在应用控制台进行认证之前，一个随机生成的50字符长度的密码首先被发送到了Web socket服务器以进行通信认证，从而使进一步的信息交换可以进行。
4 实现
大多数硬件部分模组是根据集成化设计开发的。因此，标准数据总线和跳线被用于嵌入式硬件各网路间的路由。同时，每一级结构的模型都经过测试，可以按要求独立或联合起来工作。为了保证软件开发的效率，本工程中使用了一些现有框架。这些框架包括：Laravel PHP框架，Rachet PHP Web socket框架，PhoneGap移动应用框架，和Twitter Bootstrap CSS框架。软件设计所采用的设计模式是面向对象的模式，而较高层设计体系结构采用的是模型-视图-控制器（MVC）模式。总的来说，该软件应用将用户体验良好且非常可靠。这一目的的可行性将由嵌入在应用内部的精密测试（BIT）保证。本应用产品目前已经上架，您可以通过一下网址获得：[http://cb.djade.net].
5 成果
本产品功能强大且可进行后续升级，该产品使用了基于Web socket和JSON的通信协议，该协议可以只通过传送精简的信息来很大程度上节省通信带宽，同时该协议的传输延迟很低，可以满足房屋自动化系统省时、省钱、省空间的要求。虽然系统各部分实际连接的效果与因特网连接强度有关，但是就算连接强度相对较弱，该系统也能保证出色的性能。同时，在因特网完全连接不上，或者离线运行的情况下，系统内置的微型网络和Web socket服务器将在中央处理单元（CPE）上运行以保证可以继续对系统进行操作。值得一提的是，该分布式自动化系统模型经测试可以完美实现所设计的所有功能，并且在2015年举办的EPEX工程展上获得了奖项。
6 总结
在本作品中，最新的网络技术被用来实现整个房屋的分布式自动化系统。分布式系统的云部分涉及集成了数据管理和存储库以及通信接口的Web应用程序。 我们通过基于HTML5的Web应用程序和服务开发，为直观的GUI移动和Web应用程序自动化操作开发带来了极大的灵活性。 同样，嵌入式硬件开发采用了模块化设计理念，以提高功能性和可靠性。系统使用了一个性能强的数据通信协议，以确保各个应用程序和系统之间的无缝通信。基于强大的网络服务安全协议，实现了系统相对高的安全性。总的来说，本作品将其他研究中经常使用的通过使用专用的IP地址和高端计算机来实现高效房屋自动化系统的方式移除了。在今后的工作中，我们打算进一步引入更高一层的通信协议，提高性能，即：消息队列遥测传输协议（MQTT），这是一个非常简单的、轻量级的机器对机器的通讯协议，该协议建立在有限的设备和低带宽高延迟或不可靠的网络通信中。
ESP8266数据表
概述
ESP8266EX由乐鑫公司开发，提供了一套高度集成的Wi-Fi SoC解决方案，其低功耗、紧凑的设计和高稳定性可以满足用户的需求。
ESP8266EX拥有完整的自成体系的Wi-Fi网络功能，既能够独立应用，也可以作为从机搭载于其他主机微控制单元（MCU）运行，当ESP8266EX独立应用时，能够直接从外接flash中启动。内置的高速缓冲储存器有利于提高系统性能，并且优化存储系统。此外ESP8266EX只需通过SPI/SDIO接口或I2C/UART口既可作为Wi-Fi适配器，应用到基于任何微控制器的设计中。
ESP8266EX集成了天线开关、射频balun、功耗放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块。这样紧凑的设计仅需极少的外部电路并且将PCB的尺寸降低到了最小。
ESP8266EX还集成了增强版的Tensilicarsquo;s L106钻石系列32位内核处理器，带片上SRAM。ESP8266EX可以通过GPIO外接传感器和其他设备。软件开发包（SDK）提供了一些应用的示例代码。
乐鑫智能互联网平台表现出来的领先特征有：睡眠/唤醒模式之间的快速切换以实现节能、配合低功耗操作的自适应射频偏置、前端信号的处理功能、故障排除和射频共存机制可消除蜂窝/蓝牙/DDR/LVSD/L
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