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摘要：针对当前传统的物联网使用的BLE、ZigBee等无线网络制式存在扩展成本较高，复杂度较高的问题，文章提出了一种基于无线以太网及TCP-socket通信协议来实现的智能卧室设计，可以利用现已广泛应用于家庭的802.11g/b标准无线以太网对家居环境实施查看和控制，实验结果表明，该系统能够有效地在用户前端呈现出房间数据并对房间环境实施自动或手动控制。同时，通过传感器对用户的感知，主动地去改变房间的环境来辅助用户更加舒适的生活。
关键词：物联网；智能家居；无线局域网；云技术
中图分类号：TP3
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2017）10-0142-02
在目前，社交网络、020、手机应用等Web2.0时代的商业模式已经基本发展成熟，资本和市场亟待新的突破点带来新的技术革命，而物联网正是一个有待突破的新蓝海。由于市场环境的期待、嵌入式技术的飞速发展和无线通信技术的普及，使得家居智能化的愿景得以实现并走向市场，借助物联网的新风口，智能家居已然成为了炙手可热的热门技术之一。
当前家用物联网的无线传输方式有BLE、ZigBee、2.4G和无线以太网等，其中无线以太网作为最为普遍使用的家庭无线网络技术，在信息可靠性、鲁棒性、网络自组织性能、成本的控制等方面具有较高的优势。
当前家用智能家居的思路往往止步于用户通过手机应用或网页对室内环境的控制和数据的查看，而不具有“智能”和“自动”特性；且本地嵌入式设备在家用场合，难以频繁迭代更新控制代码等，使用的灵活性上并不具有优势。
因此，本文提出了一种基于物联网技术，结合了无线以太网技术、嵌入式技术等多个技术优点于一体的智能家居设计。
1.系统概述
1.1系统概述
针对当前年轻人对物聯网智能家居的需求和期待，结合无线以太网技术的灵活性及普遍性，设计了一系列使用策略来帮助用户能够准时入睡，准时舒适起床，并在用户生活中提供无微不至的人性化关怀。
通过本文的设计，使得设备只要有UART接口就可以接入网络，成为物联网的一部分，提高了设备的易用度和智能度，极大地降低了家庭现有设施的改造难度和改造成本。
1.2系统框架
设计包括硬件部分和软件部分两大部分。其中硬件部分包含智能家庭中的传感器、控制器、执行器和家庭无线以太网系统。软件部分包括服务器前端、后端和数据库等内容。
设计搭建的智能卧室硬件系统框架图如图1所示，传感器感知用户的睡眠状态、是否在家以及房价的温度、湿度、亮度等数据，并通过串口或IIC通信传输给STM32单片机，STM32单片机将感知到的家居环境信息、用户状态信息打包加密后，通过无线以太网模块加密后传输至远程服务器。
而软件构架方面，用户可通过多种智能设备访问云服务，进而查看房间的参数，并对房间的设备进行操作。云端基于FlaskWeb构架开发了具有RESTful风格的Web及物联网服务架构，该架构便于拓展，方便更新，能够确保系统接纳多样而又标准的客户端。用户前端使用了JQuery及Bootstrap框架，通过AJAX与服务器进行通信。相对于传统的将运算功能集成在MCU中的传统方案，这样的设计为物联网控制程序迭代升级提供了极大的便利。
软件在应用层面，提供了入睡提醒、睡眠监测、起床提醒、智能安防、健康报告、房间参数查阅、控制房间内设备等功能，此外，还提供了自定义模式供用户自行设计。
2.网络设计
2.1无线网络架构
本文中无线以太网以Infra-Structure模式进行组网，其中：无线路由器作为网络接入点AP，接入到互联网，并与服务器通信；终端设备的数据信息通过无线以太网接入AP与服务器进行通信，接收命令并上传本地传感器的数据。
2.2数据上传与下载
本设计使用了ESP-8266 UART-无线以太网模块，该模块使用802.11b/g/n标准无线以太网协议，内置了TCP/IP协议栈，利用透传模式，允许嵌入式设备与服务器建立Socket连接传输数据。
Socket连接起源于Unix，在Unix一切皆为文件的哲学的思想下，socket是一种”打开一读/写一关闭”模式的实现方式，客户端和服务器各自维护一份”文件”，在连接建立并打开后，可以向自己的文件写入内容供对方读取或者以同样的方式读取对方内容，通讯结束时关闭文件。
2.3用户查看数据及下达指令
Ajax是一种无需重新加载整个网页的情况下，能够更新部分网页的技术。用户可以通过访问利用Ajax实时刷新的网页来实现实时查看数据的功能，用户点击按钮发送命令时，命令通过JavaScript点击触发事件激活，并通过AJAX传送到服务器进行处理。
3.感知功能的实现
3.1睡眠状态的感知
科学研究发现，人的睡眠分为四个相位，不同的睡眠状态，产生的肢体动作、胸腔扩张收缩、心脏泵血等会动作引起的震动都不尽相同，采集这些震动，经过加速度器转换为电信号，通过MCU和UART无线以太网模块，再传输到服务器进行分析，即可获得较为准确的睡眠状态数据。
3.2房间状态的感知
通过在房间内安装DHT-11温湿度传感器、光敏电阻及A/D转换电路等，可以获得较为准确的室内温湿度、光照强度数据；同时，MCU通过UART无线以太网模块对局域网内所有设备MAC地址的扫描，辅以红外位移传感器的探测，可用于探测用户是否在家。
4.应用及实现
4.1人造“自然醒“
科学研究发现，人的睡眠状态是周期性的，大致可分为浅度睡眠（非REM期）和深度睡眠（REM期），同时统计也发现，人在不同周期被唤醒时的主观体验和客观指标是不同的，在浅度睡眠中的某一周期被唤醒时，用户的主观体验最为舒适。在最佳唤醒时间节点之前30分钟，通过红外发射模块控制空调提升室内温度；前10分钟，通过步进电机拉起窗帘，仅保留窗纱，并启动LED补光，从而提升房间内亮度；到达最佳唤醒时间后，通过启动电视或收音机，播放白噪声，从而达到人造自然醒的功能。
4.2入睡提醒
用户设定起床时间区间和睡眠时长后，不难计算出用户的最晚入睡时间，在即将到达最晚入睡时间前的40分钟，系统会逐步降低房间的环境光亮度以提醒用户入眠，直至达到预计入眠时间时，会通过无线路由器的远程管理命令对用户的手机等设备进行限速，直至用户入睡。
4.3智能安防
当前很多家庭都在室内安装了安防摄像头，但出于隐私考虑往往只有在外出的时候开启，但只有的操作往往会使得用户忘记启动或忘记关闭。针对这样的生活痛点，我们设计了基于MAC地址感知的智能安防：MCU会通过UART无线以太网模块不间断请求局域网内所有设备的MAC地址，当发现用户指定的某台设备（如用户的手机）不在局域网内且红外位移模块检测不到有人移动时，自动进入安防模式，启动安防监控等。
5.小结
本文设计了一款面向卧室场景的智能家居设计，基于了广泛使用的无线以太网协议，布设成本相对较低，重点分析了通过无线以太网建立家庭物联网的可行性；并提出了一种基于用户状态感知主动去调节房间环境的新思路，该系统有成本低，易部署等特点，经过测试，证实该系统具有良好的稳定性和通信/控制性能，可满足当前物联网发展的需求，具有良好的使用前景和推广价值。
关键词：物联网；智能家居；无线局域网；云技术
中图分类号：TP3
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2017）10-0142-02
在目前，社交网络、020、手机应用等Web2.0时代的商业模式已经基本发展成熟，资本和市场亟待新的突破点带来新的技术革命，而物联网正是一个有待突破的新蓝海。由于市场环境的期待、嵌入式技术的飞速发展和无线通信技术的普及，使得家居智能化的愿景得以实现并走向市场，借助物联网的新风口，智能家居已然成为了炙手可热的热门技术之一。
当前家用物联网的无线传输方式有BLE、ZigBee、2.4G和无线以太网等，其中无线以太网作为最为普遍使用的家庭无线网络技术，在信息可靠性、鲁棒性、网络自组织性能、成本的控制等方面具有较高的优势。
当前家用智能家居的思路往往止步于用户通过手机应用或网页对室内环境的控制和数据的查看，而不具有“智能”和“自动”特性；且本地嵌入式设备在家用场合，难以频繁迭代更新控制代码等，使用的灵活性上并不具有优势。
因此，本文提出了一种基于物联网技术，结合了无线以太网技术、嵌入式技术等多个技术优点于一体的智能家居设计。
1.系统概述
1.1系统概述
针对当前年轻人对物聯网智能家居的需求和期待，结合无线以太网技术的灵活性及普遍性，设计了一系列使用策略来帮助用户能够准时入睡，准时舒适起床，并在用户生活中提供无微不至的人性化关怀。
通过本文的设计，使得设备只要有UART接口就可以接入网络，成为物联网的一部分，提高了设备的易用度和智能度，极大地降低了家庭现有设施的改造难度和改造成本。
1.2系统框架
设计包括硬件部分和软件部分两大部分。其中硬件部分包含智能家庭中的传感器、控制器、执行器和家庭无线以太网系统。软件部分包括服务器前端、后端和数据库等内容。
设计搭建的智能卧室硬件系统框架图如图1所示，传感器感知用户的睡眠状态、是否在家以及房价的温度、湿度、亮度等数据，并通过串口或IIC通信传输给STM32单片机，STM32单片机将感知到的家居环境信息、用户状态信息打包加密后，通过无线以太网模块加密后传输至远程服务器。
而软件构架方面，用户可通过多种智能设备访问云服务，进而查看房间的参数，并对房间的设备进行操作。云端基于FlaskWeb构架开发了具有RESTful风格的Web及物联网服务架构，该架构便于拓展，方便更新，能够确保系统接纳多样而又标准的客户端。用户前端使用了JQuery及Bootstrap框架，通过AJAX与服务器进行通信。相对于传统的将运算功能集成在MCU中的传统方案，这样的设计为物联网控制程序迭代升级提供了极大的便利。
软件在应用层面，提供了入睡提醒、睡眠监测、起床提醒、智能安防、健康报告、房间参数查阅、控制房间内设备等功能，此外，还提供了自定义模式供用户自行设计。
2.网络设计
2.1无线网络架构
本文中无线以太网以Infra-Structure模式进行组网，其中：无线路由器作为网络接入点AP，接入到互联网，并与服务器通信；终端设备的数据信息通过无线以太网接入AP与服务器进行通信，接收命令并上传本地传感器的数据。
2.2数据上传与下载
本设计使用了ESP-8266 UART-无线以太网模块，该模块使用802.11b/g/n标准无线以太网协议，内置了TCP/IP协议栈，利用透传模式，允许嵌入式设备与服务器建立Socket连接传输数据。
Socket连接起源于Unix，在Unix一切皆为文件的哲学的思想下，socket是一种”打开一读/写一关闭”模式的实现方式，客户端和服务器各自维护一份”文件”，在连接建立并打开后，可以向自己的文件写入内容供对方读取或者以同样的方式读取对方内容，通讯结束时关闭文件。
2.3用户查看数据及下达指令
Ajax是一种无需重新加载整个网页的情况下，能够更新部分网页的技术。用户可以通过访问利用Ajax实时刷新的网页来实现实时查看数据的功能，用户点击按钮发送命令时，命令通过JavaScript点击触发事件激活，并通过AJAX传送到服务器进行处理。
3.感知功能的实现
3.1睡眠状态的感知
科学研究发现，人的睡眠分为四个相位，不同的睡眠状态，产生的肢体动作、胸腔扩张收缩、心脏泵血等会动作引起的震动都不尽相同，采集这些震动，经过加速度器转换为电信号，通过MCU和UART无线以太网模块，再传输到服务器进行分析，即可获得较为准确的睡眠状态数据。
3.2房间状态的感知
通过在房间内安装DHT-11温湿度传感器、光敏电阻及A/D转换电路等，可以获得较为准确的室内温湿度、光照强度数据；同时，MCU通过UART无线以太网模块对局域网内所有设备MAC地址的扫描，辅以红外位移传感器的探测，可用于探测用户是否在家。
4.应用及实现
4.1人造“自然醒“
科学研究发现，人的睡眠状态是周期性的，大致可分为浅度睡眠（非REM期）和深度睡眠（REM期），同时统计也发现，人在不同周期被唤醒时的主观体验和客观指标是不同的，在浅度睡眠中的某一周期被唤醒时，用户的主观体验最为舒适。在最佳唤醒时间节点之前30分钟，通过红外发射模块控制空调提升室内温度；前10分钟，通过步进电机拉起窗帘，仅保留窗纱，并启动LED补光，从而提升房间内亮度；到达最佳唤醒时间后，通过启动电视或收音机，播放白噪声，从而达到人造自然醒的功能。
4.2入睡提醒
用户设定起床时间区间和睡眠时长后，不难计算出用户的最晚入睡时间，在即将到达最晚入睡时间前的40分钟，系统会逐步降低房间的环境光亮度以提醒用户入眠，直至达到预计入眠时间时，会通过无线路由器的远程管理命令对用户的手机等设备进行限速，直至用户入睡。
4.3智能安防
当前很多家庭都在室内安装了安防摄像头，但出于隐私考虑往往只有在外出的时候开启，但只有的操作往往会使得用户忘记启动或忘记关闭。针对这样的生活痛点，我们设计了基于MAC地址感知的智能安防：MCU会通过UART无线以太网模块不间断请求局域网内所有设备的MAC地址，当发现用户指定的某台设备（如用户的手机）不在局域网内且红外位移模块检测不到有人移动时，自动进入安防模式，启动安防监控等。
5.小结
本文设计了一款面向卧室场景的智能家居设计，基于了广泛使用的无线以太网协议，布设成本相对较低，重点分析了通过无线以太网建立家庭物联网的可行性；并提出了一种基于用户状态感知主动去调节房间环境的新思路，该系统有成本低，易部署等特点，经过测试，证实该系统具有良好的稳定性和通信/控制性能，可满足当前物联网发展的需求，具有良好的使用前景和推广价值。