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摘要：智能家居给人们的生活增添无限地舒适度、安全感及幸福感，使家庭时刻保持与外界进行信息交流。智能家居的普及对建设智慧城市、智慧医疗等可持续发展战略起着催化作用。然而智能家居存在着不可忽略的问题，如智能家居物联网安全被忽视，易造成家庭隐私泄露；设计标准与协议没达成统一，出现设备不兼容的现象，系统增加设备及维护困难，造成成本偏高；其基本功能未迎合我国“4+2+1”的家庭模式，对老年人意外跌倒及健康数据监测功能认识薄弱；且控制终端样式繁多，操作复杂。
关键词：物联网；智能家居；应用
引言：
物联网是继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，作为国家新兴战略产业之一，引起全社会广泛的关注。物联网使用射频识别（RFID）、多种无线通信技术，将各个部分的传感器、微控制器、人及物等关联集合，提供管理、数据共享活动，实现智能化、可远程控制的庞大网络。物联网支持多个领域的应用与服务，涉及智能家居、智慧医疗、智能电网、智能物流、工厂化农业等，其中智能家居是发展较快领域。
1智能家居物联网安全设计
物联网被广泛使用的同时，其隐私保护是物联网被应用的必要条件之一，否则智能家居物联网服务将不被大众所信任，其相关的安全问题得到人们广泛的关注。物联网体系架构通常分为三个层次，分别是感知层、网络层、应用层，各层面临着不同的安全问题，如感知层所面临着物理破坏、信道堵塞、伪造攻击等，网络层面临着虫洞或路由攻击，应用层面临着拒绝服务流、去同步等。基于物联网技术的智能家居控制系统，家居内部不同的传感器节点自组织成网络，其中可包括采集室内温度、湿度的环境监测节点，采集身体健康数据的医疗传感器节点，防入侵的红外传感器节点等。不同类型的传感器节点采用Zig Bee无线网络技术将数据传输到家庭网关，采用Internet作为传输机制的基础网与外部网络互联将数据传输到服务器。最终实现户内传感器网络与外部网络的安全互联，实现家居设备的安全监控，是层次分明的物联网应用场景。
智能家居的网络安全应全面考虑，网络攻击者在外部通过互联网进行交互破坏，瞄准智能家居的基础设施，或者是存储在服务器中的信息。基于IP服务，网络攻击者试图窃听可用的通信，以获取信息，这些信息可以用来监视用户的行为，也可以在随后的攻击中得以利用。为了获取信息，网络攻击者根据自己的能力和目标，在智能家居系统的不同位置捕捉流量。这样就会影响用户的隐私安全。
2智能家居控制系统总体设计方案
智能家居控制系统分别由底层结构中的终端设备节点、家庭网关，上层结构中的服务器、数据库、客户端，手机控制终端构成。系统由下至上分为底层结构及上层结构。底层结构包括终端节点及家庭网关，终端设备节点由家庭医疗设备节点、智能家电设备节点及能耗监控设备节点组成。终端设备节点内置Zig Bee网络通信模块，用于设备的数据采集和传输。家庭网关由Zig Bee网络中的协调器担任，而且在协调器上增加了Wi-Fi模块，是Zig Bee网络对外通信的进出口。上层服务器管理所有的Zig Bee网络及设备内的Zig Bee节点，管理所有的服务其包括数据库服务、设备管理器服务、数据包解析服务及对控制终端支持服务等。客户端设置能耗设备使用量的查询数据窗口，实现社区能耗管理集中控制，方便查询缴费。控制终端采用Andriod智能手机终端，是智能家居控制系统对外的管理端，可用于实时查看整个系统的运行状况并完成对系统的控制和数据查询。
本系统根据网络运行层次可分为三层。第一层是终端设备节点及家庭网关，本层以Zig Bee网络作为通讯网络，采用CC2530为核心芯片。第二层是将第一层使用Internet网络连接到服务器。第三层是Andriod控制终端。
第一层的主要工作有三个。首先是由家庭网关中的协调器负责Zig Bee无线网络的建立。其次是实现终端设备节点数据的更新、数据采集及对上层服务器提供节点设备的数据。最后是管理Zig Bee网络中的节点，当服务器向家庭网关发送含有目标节点地址的数据包时，家庭网关会以数据转发器的职能将数据包准确送达目标设备节点。第二层的主要工作有两个。Internet网络用于第一层的各个网络与服务器间的搭建。服务器用于完成对智能家居控制系统的日常管理，维护系统能够正常工作，并能为上一层提供节点管理服务、数据查询服务、系统管理服务等。
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第三层的客户端，客户端是最直观的实现对家居设备的控制。客户端程序通过Internet网络连接到服务器，经过服务器的身份验证后接入到服务器提供的各类服务中，控制终端即可通过服务器服务查看节点信息、修改系统参数等。
从实际应用的角度出发，通过模块化设计，实现了对整套智能家居的统筹管理，易操作、易管理、易安装的系统特点，大大提高了系统工作效率，具备较大的应用前景。
3底层智能家居控制系统框架设计
底层智能家居控制系统由终端设备节点和家庭网关组成，具有实现智能家居控制系统主体的功能。使用Zig Bee无线网络进行通讯，采用无线Mesh网络规则拓扑结构，“多跳”网络方式通信。其中Zig Bee网络分别充当协调器、终端节点的角色。家庭网关中Zig Bee网络作为协调器使用，是建立Zig Bee网络首先启动的设备，启动后的协调器当有其他Zig Bee节点进行访问，判断此节点是否允许加入，并赋予唯一的节点号为允许加入的子节点。在智能家居控制系统家庭网关完成启动后，系统开始工作，在对设备进行控制时，该Zig Bee网络具有不同作用。
3.1协调器
作为协调器接受服务器发出指令，对指令目的节点进行分析，继而将信息重新包装使用Zig Bee网络发送到目的节点。当接受到Zig Bee网络内节点数据包时，把该数据包转发到服务器上。
3.2终端节点
智能家居节点设备间互相协调，实现对数据的采集、处理和无线收发。终端节点具有家庭医疗监测、远程家电控制、能耗设备监控的功能。(1)家庭医疗设备节点。佩戴可穿戴设备的传感器节点检测到心率值、血氧饱和度的健康数据，对数据进行初步处理后，利用无线通信技术传送到家庭网关，再由家庭网关将接收到的健康数据通过Internet网络传送到社区智能化综合健康管理客户端，进行储存并分析，采用加速度传感器采集运动参数并结合心率值健康数据设计跌倒监测算法，同时将采集到的信息发送至用户手机端。(2)智能家电控制节点。家电控制节点负责接收家庭网关发送的家电控制报文，并对其进行解析，继而通过执行器实现对家电的控制，同时反馈自身当前的状态向家庭网关。设备不同所需执行器类型也不同，具体有红外控制、继电器控制、电机控制三种类型的执行器。(3)智能家居能耗监控节点。能耗计连接在户内电力线路上，家用电器如电视、空调、热水器等通过电源插座接到带有能耗计的电力线路上，能耗计读取数据。水表、气表通过无线方式与能耗计相连接，能耗计将采集的数据进行计量处理，能耗测量模块通过串口与CC2530无线通信模块相连，根据定好的通信协议将计量数据上传到家庭网关，最后通过TCP/IP协议传送到服务器，并存储在服务器数据库中。用户通过手机查看家庭用电情况，远程关闭待机电器设备。
4上层服务器及客户端框架设计
系统上层结构主要包括服务器及客户端。首先对服务器进行模块化设计，目的是为了提高系统的可维护性以及降低开发智能家居控制系统的难度系数，根据不同的功能模块拆分成各个独立的部分，保证不同的块拥有统一的接口，并通过自动加载模块，模块间各尽其责、互相交互使服务器完成管理的任务。服务器依赖于各个部分模块间的协同合作处理复杂的逻辑关系。
4.1网络管理模块
负责开启、监听特定的接口及数据收发工作，管理Zig Bee网络及Internet网络的基本网络接入情况，对网络接入和网络丢失情况发出通知。其中，Zig Bee网络管理用于Zig Bee网络模型的建立，可将复杂的mesh网络抽象成简单的星型网络拓扑结构，并支持网络变化的监控、及时获取网络信息以及查找网络节点等服务。
4.2子系统加载器模块
负责完成服务器进行的业务逻辑的实现，包括对数据进行采集功能和对客户端发出的指令生成数据包。
4.3数据解析器模块
此模块包括上行数据解析器和下行数据解析器，对上行数据和下行数据进行解析和封包服务，归属公共服务范畴。
4.4客户端用于实现对智能家居控制系统的管理和控制
通过TCP/IP协议与服务器进行相连接，并通过服务器的对外支持模块完成于服务器的交互。数据库提供对服务器中所有数据的存储，通过操作数据库来实现对客户端参数进行的修改。在家居内传感器网络建立与服务器完成连接后，需要一个界面友善、人性化的人机界面进行控制。在社区服务站PC端设置客户端，对社区内的居住用户建立三表采集及医疗数据采集。
5结束语
智能家居为不同元素的共生关系，建立动态异构体系结构的传感器及应用程序，有效地管理家庭设备，向用户提供高级服务。不仅给予人们居住环境内的多信息交互功能，还提供家庭内部与外部维持信息交流互通的功能。目标是在提高人们生活质量的同时造出一个安全、舒适、节能环保且宜管理、宜操控、重服务的智能住宅。
参考文献：
[1]刘丹丹.物联网产业化遇挑战智能家居或成突破口[J].通信世界.2014(34):33.
[2]汤春龙.智能家居信息采集系统的研究与实现[D].湖南大学.2014.
论文作者:侯东方
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/14
标签：节点论文; 网络论文; 智能家居论文; 服务器论文; 家庭论文; 数据论文; 网关论文; 《防护工程》2019年10期论文;