物联网模式下的智能小区综述

Micr ocomputer Applica tions V ol.27,No.5,2011
技术交流微型电脑应用2011年第27卷第5期
5文章编号：1007-757X(2011)05-0054-03物联网模式下的智能小区综述
马青
摘要:提出了基于物联网模式下的智能小区设计思路与方案。

“物联网”改变了传统的信息交互模式和管理模式，基于物联网模式下的住宅小区智能化是通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理。

关键词:物联网，无线传感器网络，智能家居
中图分类号:TN911.22文献标志码:A
0引言
物联网（The Internet of things ）[1]的定义是：通过信息
传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网连接起来，
进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监
控和管理的一种网络。

“物联网”概念的问世，改变了传统的信息交互模式和
管理模式，利用信息通信技术(ICT)可以改变未来产业发展
模式和结构(金融、制造、消费和服务等)，改变政府、企业
和人们的交互方式以提高效率、灵活性和响应速度。

“物联
网”的模式可以运用在生产和生活的各个方面，其中智能小
区就是一个典型的例子。

国家建设部住宅产业化办公室提出
了关于住宅小区智能化的基本概念，即：“住宅小区智能化
是利用4C(即计算机、通讯与网络、自控、IC 卡)技术，通
过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安
防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高
技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，
提供安全舒适的家居环境”。

1智能小区全景
在智能家居中，应用传感器网络技术，在家电和家具中
嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet 连接在一起，将
会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环
境。

利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，例如可
以在回家前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享
受合适的室温。

在小区内部，建立统一的智能家居集中监控管理系统，
实现对各住户的信息进行汇总存储，对安全情况进行集中监
控，对各类事件进行统一管理，为住宅小区的服务与管理提
供高技术的智能化手段，实现快捷高效的超值服务与管理。

1.1智能小区系统部署
从功能层面上看，智能小区系统分为：远程控制终端、
小区集中信息管理控制系统（含小区前置机系统）、智能家
居控制终端、智能家电和安全防控终端，如图1
所示：图1：智能小区系统部署图智能小区系统层次架构
远程控制终端包括手机、电话、PC 终端，通过互联网可完成对智能家电的远程遥控。

小区集中信息管理控制系统实现对各住户的信息进行汇总存储，对安全情况进行集中监控，对各类事件进行统一管理；其中小区前置机系统负责接收远程控制终端发送的指令。

智能家居控制终端将远程指令传送至智能家居中的智能家电和安全防控终端，也可以支持用户在本地直接输送控制指令。

智能家电由嵌入式处理器、相关支撑硬件（如显示卡、存储介质、IC 卡或信用卡等读取设备）和普通家电的功能模块组成。

智能家电可以看作是普通家电产品的升级。

安全控制终端与智能家电的构造方式类似，主要功能是完成对住户内部的环境、温度、湿度等做实时的监控，并通过无线传感器网络，将信息传至智能家居控制终端如图2所示：1.2智能小区层次架构图远程客户端软件部署在远程控制终端之上，分为功能层与用户控制层。

功能层实现对用户的各种需求的定制和封装；用户控制层提供用户操作界面，将在功能层封装完毕的指令通过互联网传送至智能小区，并接收智能家居端反馈回来的各类状态信息。

如图2所示：
———————————
作者简介：马青（1980-）女，青海，大学讲师，硕士，研究方向：计算机应用，青海西宁，810016
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Microcomputer Applications V ol.27,No.5,2011技术交流微型电脑应用2011年第27卷第5期
55图2：智能小区层次架构图
小区集中信息管理控制系统中，数据层主要实现各类数
据的存储，包括住户基本信息、各类智能家电的工作模式和
工作状态信息、基本安全监控信息；数据控制层实现对数据
层的基本操作，包括所有状态信息的实时更新；功能层实现
智能小区的信息集中控制与安全事件响应等服务与管理功
能，该层功能的实现主要依据来源于数据层与数据控制层的
所存储的住户的各类数据信息；用户控制层，也可以称为前
置层，一方面，它负责远程控制终端与智能家居控制终端之
间的信息转发，另一方面，它从转发的信息中实时地获取小
区中所有住户的智能家电的工作模式和工作状态信息、基本
安全监控信息，并传送至本地数据层与数据控制层。

智能家居控制终端的数据层主要存放本地住户的基本
信息。

数据控制层实现对数据层的基本操作，包括所有状态
信息的实时更新。

功能层一方面对实现用户需求的定制与封
装，供用户控制层调用，一方面根据住户的安全状态信息，
实现安全事件报警的功能。

用户控制层可以分为对远程指令
响应与对本地操作响应两个功能。

智能家电/安全防控设备中，用户控制层负责接收智能
家居控制终端发送过来的指令，并将智能家电/安全防控设
备自身的状态信息通过无线传感器网络反馈给智能家居控
制终端；指令格式转换层负责将指令翻译成智能家电或安全
防控设备可识别的语言；功能层与功能整合层属于家电和安
全防控设备的具体实用功能。

功能层分为不同的子功能模
块，功能整合层实现对各功能模块的统一调用，实现用户的
多种需求。

1.3智能小区网络架构
在智能小区的网络架构中，智能家居内部的无线传感器
网络可以视为感知层，主要用于采集家居中的各类信息，及
时指令的传递；互联网部分可以视为网络层，包括通信与互
联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心
等，将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构
中的神经中枢和大脑；智能小区这一具体的行业应用可以视
作为物联网应用层的范畴，是物联网与行业专业技术的深度
融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社
会分工，最终构成人类社会。

2无线传感器网络——智能家居
根据无线传感器网络[2]的定义，无线传感器网络系统
通常包括传感器节点（sensor node ）和汇聚节点（sink node ）。

2.1传感器节点
智能家居体系中传感器节点包括：传感器模块、无线通
信模块、处理器模块、能量供应模块和智能家电/安全防控
设备中央处理模块，如图3
所示：
图3：传感器节点
传感器模块：传感器模块通过传感器获取家居内部环境数据，如温度、湿度等信息；通过模数转换器（AD ／DC ）转化成数字形式，将信息传递给处理器模块。

无线通信模块：无线通信模块负责该节点与其他节点或者网络代理等设备之间的无线通信，即无线信号的收发功能。

处理器模块：处理器模块一般是与存储部件紧密结合，根据从数据采集模块和无线通信模块传送过来的数据完成数据融合、节点定位等各种计算功能。

处理器模块完成传感器节点的核心计算功能，在智能家居体系中，核心计算功能主要包含两个层面的内容。

首先，完成数据融合与转发的功能，一方面，将传感器模块、家电设备中央处理模块中的各类状态信息进行采集，通过无线通信模块发送给汇聚节点，一方面，将汇聚节点过来的控制指令，通过统一指令接口模块，转发给家电设备中央处理模块；其次，在网络中完成协助路由选择的功能，为需要转发的信息选择下一跳，保证整个网络路由可达。

能量供应模块：能量供应模块在无线传感器节点中至关重要，为传感器节点各部件提供能量。

在智能家居环境中，能量可以从家电或安全防控设备的外接电源中获取，实现方式较为简单。

智能家电/安全防控设备中央处理模块：接收传感器节点处理模块发送过来的指令信息，触发本地设备的功能。

2.2汇聚节点智能家居体系中汇聚节点包括：无线通信模块、处理器模块、能量供应模块和以太网接口模块，如图4
所示：
图4：汇聚节点
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无线通信模块：无线通信模块负责汇聚节点与其他节点
或者网络代理等设各之间的无线通信，即无线信号的收
发功能。

处理器模块：在智能家居体系中，汇聚节点的处理器模
块主要完成两个层面的功能。

首先，是对数据的汇总与处理，
一方面，对传感器节点发送过来的家电设备状态信息，环境
信息等信息进行汇总，一方面，向各传感器节点发送指令；
其次，在网络层面实现全网的路由选择功能。

能量供应模块：能量供应模块为传感器节点各部件提供
能量，在智能家居体系中，能量可以通过外接电源来实现。

以太网接口模块：面向网外作为中继和网关完成传感器
网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接传感器网络与
其它网络的桥梁。

3互联网——小区集中管理
在小区局域网，部署智能家居集中监控管理系统，利用
互联网计算功能与存储能力，对各住户的信息进行汇总存
储，对安全情况进行集中监控，对各类事件进行统一管理。

3.1系统体系结构（Architecture ）
各住户的智能家居监控终端与部署在小区局域网内部
的智能家居集中监控管理系统，可采用客户端/服务器（C/S ）
的体系结构，也可采用浏览器/服务器(B/S)的体系架构。

在
C/S 架构中，客户端需要设计与服务器端对等的软件架构，
如图2中的介绍的智能家居控制终端采用了C/S 架构下的客
户端设计。

在B/S 架构中，智能家居监控终端与部署在小区局域网
内部的智能家居集中监控管理系统，利用HTTP 端口（80）
进行信息的交互。

这一设计思路，将各种操作集中在服务器
端，即智能家居集中监控管理系统端进行处理，智能家居集
中监控管理系统作为用户操作终端，只需要安装WEB 浏览
器即可，如图5所示：。

图5：智能家居小区集中监控管理系统体系结构
智能家居集中监控管理系统采用3层架构的模式，即
WEB 服务器，APP 服务器，DB 服务器，分别对应图2中
的用户层，功能层，数据管理层与数据层。

3.2小区管理信息化
利用小区集中监控管理系统，可以实现多方面的功能，
在多个层面实现小区的管理信息化。

首先，可以为物业管理、消防、水、电、煤等方面提供
多方位的服务，为用户创造一个高效、舒适、安全、便利的
居住环境，实现物业管理信息化。

利用系统的报警功能，一旦发生警情，报警信息就会及
时上传至管理中心，保安人员会及时与业主联系并上门服
务，实现安全管理信息化。

4若干关键技术
物联网模式下的智能小区是一个非常庞大和复杂的信息系统，需要考虑若干关键技术。

4.1无线传感器网络层面可以把传感器网络按其功能抽象成四个层次，即基础层（传感器集合）、网络层（通信网络）、中间件层、数据处理和管理层。

（1）基础层基础层以研究新型传感器和传感系统为核心，包括应用新的传感原理、使用新的材料以及采用新的结构设计等，以降低能耗、提高敏感性、选择性、响应速度、动态范围、准确度、稳定性以及在不同环境条件下工作的能力。

还包括多通道传感器以及无线通信芯片的系统集成，嵌入式处理器的集成化，以及与家电设备功能模块的集成。

（2）网络层网络层以通信网络为核心，实现传感器与传感器之间的通信，对传感器节点进行有效的控制和管理，支持多传感器协作完成智能家电与安全防控设备相关的感知任务。

需要展开的研究工作包括低能耗、高速率、长生命周期的无线传感器网络的随机自组织通信协议[3]、通信方式及自重构、自调整性；无线传感器网络的可扩展性、容错性、可维护性及安全性、隐私性；适用于传感器网络的网络通信模式、支持传感器网络通信的各种协议、时间同步、任务分配与协调控制以及相应的软硬件资源等方面。

（3）中间件层中间件层研究[4,5]具有通用性能的标准中间层软件结构，负责传感器网络系统的资源管理、动态环境分析，以及普适应用的开发支持，如应用功能改换、功能扩展、系统升级、重复再利用等关键性能的实现。

（4）数据处理和管理层数据处理和管理层[6,7]以传感器数据管理与处理软件为核心，包括以数据为中心的实时分布式数据流管理、查询及相关信息处理技术；支持感知数据的采集、存储、查询、分析等各种数据管理和分析处理软件系统，新型统计算法、排除误差信息的方法、对大型分布式传感器阵列的协同处理、图象识别方法等。

4.2互联网层面由于智能小区各类信息集中存储在小区局域网内部，这些信息包含了住户的各类机密信息，因此采用合理的安全技术非常关键。

（1）WEB 访问安全技术[8]WEB 服务器对用户提供WEB 访问的功能，WEB 服务器保证外部有权限的用户通过它正常地访问数据中心。

首先，用户身份的确认在B/S 系统中是不可或缺的，这就需要进行严格的访问控制和用户权限控制；其次，需要引入对WEB 应用进行内容审查和应用隔离机制，可删除或者关闭不必要的服务端口；为了保护小区住户敏感信息在传送过程
中的安全，可采用SSL/TLS （Security Socket Layer/Transport
（下转64页）
[1]Han Jiawei，Kamber M。

数据挖掘概念与技术[M]。

范
明，孟小峰译。

北京：机械工业出版社，2001．[2]QUINLAN J R．Induction of decision tree[J]．Machine
Learning，1986．
[3]QUINLAN J R．Simplifying decision tree
[J]．International Journal of ManMation Studies，1987．[4]Manish Mehta，Jorma Rissanen，and Rakesh
Agrawal．MDL-based decision tree pruning．In Int’l
Conference on Knowledge Discovery in Database and
Data Mining(KDD-95)，Montreal，Canada，August1995．[5]Marko Bohanec and Ivan Bratko．”Trading Accuracy for
Simplicity in Decision Trees”。

Machine Learning．[6]QUINLAN J R．C4．5：programs for machine
learning[M]．San Francisco:Morgan Kaufmann
Publishers Inc,1993．
[7]韩慧，毛锋，王文渊．数据挖掘中决策树算法的最新
进展[J]．计算机应用研究，2004(12)：5—8．
（上接56页）
Layer Security）加密机制。

（2）应用及数据库安全
应用及数据库服务器为应用信息系统的核心部分，可以利用XML数据加密技术、SOAP数字签名技术等，保证应
用到应用的安全。

数字加密技术可以防止公用或私有化信息在网络上被拦截或窃取。

数字签名可以验证消息源的可靠性，还可以保证消息发送者不能否认发出的消息。

5结束语
在物联网模式下的智能小区系统，打破了传统小区的管理体系，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段。

在技术层面上，智能小区系统需要集成和融合各类信息技术，也是对下一步工作的主要挑战。

参考文献:
[1]UIT.ITU Internet Reports2005:The Internet of
Things[R].2005.
[2]任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学
报,2003,14(7):1282-1291.REN Fengyuan,HUANG
Haining,LIN Chuang.Wireless sensor
networks[J].Journal of Software,2003,14(7):1282-1291.
[3]Jehoshua Bruck,Jie Gao,Anxiao Jiang.MAP:Medial
axis based geometric routing in sensor
networks[C].Annual Int’1Conf on Mobile Computing
and Networking(MOBICOM2005),Cologne,Germany,
2005.
[4]Yu,Y Prasanna.V K Energy-balanced task allocation for
collaborative processing in wireless sensor
networks[J].Mobile Networks and
Applications,2005,10(1-2):115-131.
[5]Yang Yu,Bhaskar Krishnamachari,Viktor K Prasanna.
Issues in designing middleware for sensor
networkd[J].IEEE Network Magazine,2004,18(1):15-21.
[6]Raghavendra,C S Krishna M Sivalingam,Taieb Zhati,et
al.Wireless Sensor Networks[M].Kluwer Academic
Publishers,2004.185-252.
[7]Deepak Ganesan,Deborah Estrin,John Heidemann.
Dimensions:Why do we need a new data handling
architecture for sensor networks[J].ACM SIGCOMM
Computer Communication Review,2003,33(1):143-148.
Park Joon S.Sandhu R.Ahn Gail-Joon.Role-based access control on the W eb[J].ACM Transactions on Information and System Security2001(1)
(收稿日期：2010.09.30) 4
6。