CN102736599B - 基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了物联网控制技术领域中的一种基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统。包括实时存储刷新模块、专家系统模块、事务处理模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块、认证与匹配服务模块、接口模块和中央处理模块；实时存储刷新模块、专家系统模块、事务处理模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块、认证与匹配服务模块和接口模块分别与中央处理模块相连；ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块和认证与匹配服务模块顺次相连。本发明提供的系统实现了实时可视化和全方位互动，同时兼顾事务处理的实时性和可靠性。

Description

基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统

技术领域

本发明属于物联网控制技术领域，尤其涉及一种基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统。

背景技术

进入21世纪，节能减碳和提升能源效率成为全世界的共识。在此背景下，智能电网成为全球电力行业应对未来挑战的共同选择。2007年美国总统奥巴马确立了智能电网的国家战略地位，2009年国家电网公司也提出了建设坚强智能电网的计划。同时，物联网技术被看作信息领域的一次重大变革，自2009年以来，美国、欧盟和日本等都将之上升为国家战略，而且我国“十二五”规划也将物联网作为国家5大战略性新兴产业之一。物联网技术将进一步推动智能电网的实现，如电网与用户间的智能互动。智能电网和物联网技术相互渗透、深度融合和广泛应用，将进一步促进节能减排，提升电网信息化、自动化和互动化的水平。

电力消耗的实时可视化会让用户明白消费，提高用电信息的知情权，将影响人们用电习惯，从粗放型转化为集约型用电方式，引导人们进入低碳、和谐和智能的用电新时代。实时可视化需要实时测量和提供带时标的参数等技术保障，然而目前智能终端可视化实时程度低，不能提供高标准实时的用电信息。

智能电网最大特征就是互动化，然而目前的智能家居系统大多以单个家庭为单位，缺乏与电力公司的有效沟通，无法适应智能电网背景下的交互式通信、需求侧管理和实时电价等方面的要求。因此推出一种与电网智能互动的智能终端势在必行。

目前智能终端控制家居设备是单一控制方式，联动控制程度不高。设备相互之间没有形成通信和互动。物联网的核心就是物与物之间的信息交互和友好互动。借助物联网技术可以很好地实现智能家居内的各种设备相互通讯和联动，即不需要用户参与指挥，它们将按照自身状态和联动模式可靠地互动运行。这将实现全方位的互动，从而给用户带来最大程度的高效、节能、舒适与安全。

传统的智能家居终端要实现所有计算控制和人机交互，直接与智能家居网交互，这样不能确保控制的可靠性，同时也限制了整个家居系统功能的扩展和升级。为了提高可靠性，目前智能家居终端的信息获取以及指令下达，都通过后台服务系统进行中转，而不是直接与用户户内网络（HAN）交互。因此，智能家居终端只用于信息的转发和相关协议间的转换，不能直接对控制信息进行响应，事务处理能力较差，同时响应速度慢，实时性差。可见，目前的智能终端还不能很好地兼顾事务处理的可靠性和实时性。

随着智能电网的发展，用户希望智能家居能结合智能电网，能更经济和舒适地用电。这就要对采集的用电信息进行全面科学的分析，同时若能统计学习用户习惯，结合两者分析的结果即时向用户显示，科学指导用户的用电行为。这不仅可以改变用户的用电模式，降低用户的用电成本，而且还可以提高用户的用电舒适度和自动化程度。目前，智能终端没有结合专家分析和用户习惯，而是根据预定程序进行指导用户，科学性不强同时自动化程度不高。

目前新家居设备接入系统需要进行复杂的用户干预配置过程，扩展性不强，不能实现即插即用。在UPnP关键技术的支撑下，各种智能家居设备可以自动、无需任何配置地接入系统。这个过程是全自动的，因此使用者无须进行任何干涉，能极大提高系统的可扩展性。

随着智能电网和物联网技术的高速发展，以及用户居住理念的变化与提升，人们越来越追求生活细节的简单化和智能化，希望在智能终端中植入智能化程序，享受“一键OK”式的简单操作模式。用户不仅对家居的自动化和信息化程度要求越来越高，而且对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性提出来更高的要求。

综上所述，目前智能终端可视化实时程度低，缺乏同电力公司的互动以及家居设备之间的互动。并且不能兼顾事物处理的实时性和可靠性，家居系统的扩展性和灵活性不强。同时结合专家分析和用户习惯来科学指导用电行为等方面几乎是空白研究。然而，用户对智能终端的可扩展性、灵活性及易用性提出的要求却越来越高。因此，设计一种实时互动智能终端来实现实时可视化和全方位互动将具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统来实现实时可视化和全方位互动，同时兼顾事务处理的实时性和可靠性，解决现有智能终端存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统，其特征是所述系统包括实时存储刷新模块、专家系统模块、事务处理模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块、认证与匹配服务模块、接口模块和中央处理模块；

所述实时存储刷新模块、专家系统模块、事务处理模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块、认证与匹配服务模块和接口模块分别与中央处理模块相连；

所述ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块和认证与匹配服务模块顺次相连；

所述ZigBee主协调模块通过无线方式与ZigBee终端节点相连，所述ZigBee终端节点为物联网设备；

所述实时存储刷新模块用于接收并存储物联网设备信息；

所述专家系统模块用于确定待处理事务的优先级；

所述事务处理模块用于根据待处理事务的优先级处理相应的事务；

所述ZigBee主协调模块用于获取物联网设备信息，并发送至实时存储刷新模块；还用于接收ZigBee终端节点的入网申请，并将所述入网申请发送至认证与匹配服务模块；

所述认证与匹配服务模块用于接收ZigBee终端节点的入网申请，并在通过安全认证时，将所述入网申请发送至ZigBee/UPnP协议转化模块；

所述ZigBee/UPnP协议转化模块用于接收ZigBee终端节点的入网申请，并建立ZigBee终端节点与虚拟UPnP设备的映射，从而将ZigBee终端节点接入所述系统；

所述接口模块用于获取智能电表信息。

所述接口模块包括RS485接口、以太网接口和移动通信接口；所述RS485接口与智能电表相连；所述以太网接口与云计算服务系统相连；所述移动通信接口与移动通信网相连。

本发明提供的系统实现了实时可视化和全方位互动，同时兼顾事务处理的实时性和可靠性。

附图说明

图1是基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统结构图；

图2是本发明的实时数据库技术的数据结构图。

图3是本发明的离线和在线决策流程图。

图4是本发明的认证和匹配服务模块中的映射表形成流程图。

图5是云计算后台服务系统生成用户模式的流程图。

图6是本发明的物联网设备间互动流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明是基于物联网和云计算技术来实现智能用电实时互动的功能。物联网包含感知层、网络层和应用层。而智能终端在物联网中连接着传感网络层和传输网络层，实现数据采集以及向网络层通信的设备。它负担着数据采集、事务处理、加密和传输等多种功能。应用层就是建立云计算平台，实现统一的数据中心和服务中心。云计算技术为实时互动智能终端平台提供高计算能力、海量存储能力、智能数据挖掘能力、分析能力和消息统一管控能力。

物联网的支撑技术包括了RFID（射频识别）、WSN/ZigBee（无线传感网络）、传感器、智能服务等四种技术。RFID是一种非接触式自动识别技术，可以快速读写和长期跟踪管理，在智能识别领域有着非常好的发展前景，这可用于智能插座以自动识别普通家电的身份和属性；以短距、低功耗为特点的ZigBee协议使得搭建无处不在的网络成为可能；微型传感器技术拉近了人与自然世界的距离；智能服务技术则为发展物联网的应用提供了服务内容。

根据物联网的三层结构组成和四大支撑技术，以及结合智能电网特征和用户的要求设计出智能终端控制系统的组成框图，如图1所示为本实施例的基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统。其包括实时存储刷新模块、专家系统模块、事务处理模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块、认证与匹配服务模块、接口模块和中央处理模块。实时存储刷新模块、专家系统模块、事务处理模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块、认证与匹配服务模块和接口模块分别与中央处理模块相连。ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块和认证与匹配服务模块顺次相连。ZigBee主协调模块通过无线方式与ZigBee终端节点相连，所述ZigBee终端节点为物联网设备。本发明的实时互动智能终端控制系统还广义地包括云计算后台服务系统。

实时存储刷新模块，硬件包括RAM与ROM存储器、硬盘和RTC实时时钟芯片。软件采用实时数据库技术，以更好的解决数据的存取速度、实时事务的优先调度和故障恢复问题。该模块首先快速存储物联网设备的实时运行状态和用电信息，然后绑定时钟参数，这过程中做必要的数据刷新，从而提供各类带有时标的信息。

进一步地，由于存储实时运行状态数据要求快速写入，因此将实时运行数据先快速写入存储器，然后将历史数据转存至硬盘。硬盘价格便宜，存储容量大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存。

更进一步地，要将信息分门别类地写到各个RAM区段中。将RAM区域划分为电量信息、电价信息、物联网设备运行信息、分布式电源以及储能装置运行状态信息和控制信息等地址段。同时，时钟RTC还为存储提供时间参数，并对信息绑定时钟参数，即将时间参数写入到信息数据段中。考虑到全网同步的重要性，可支持远程校准时钟，以保证全网时间的同步。这过程中做必要的数据刷新，从而可实时地提供各类带有时标的信息。

表1给出了带时标实时电量信息的存储格式，物联网设备ID编号（全网中该编号唯一，以确保可准确表征全网的物联网设备），而将时间参数信息以十六进制方式写入数据代码的时标段内。数据段为该时间段内电量信息、电价信息、物联网设备运行信息、分布式电源以及储能装置运行状态信息和控制信息等。

物联网设备ID编号

时标段

数据段

表1带时标实时电量信息的存储格式

本实施例所采用实时数据库技术的数据结构是由数据库文件头、对象、双对象句柄数组以及位图页表组成。头信息是内存数据库文件的控制信息，位于起始地址；对象句柄组是一个地址数组，存储的是每个对象在共享内存中的相对地址，这2个数组互为备份；系统通过页表在用户存储区内进行内存块的申请和释放。图2给出了本实时数据库的数据结构。

图2中，Head为帧头部，固定为0xFF。

Root为对象句柄组，是一个地址数组，存储的是每个对象在共享内存中的相对地址，这2个数组互为备份。

Dev_Kind为ZigBee设备种类，例如:0x00表示电灯，0x0l表示电风扇，等等。

Dev_Id为ZigBee设备在该种类中的序号，取值从0X00到0xFF。

Dev_state为设备状态类型：0x00为dead帧，表示设备不可用：0x01为alive帧，表示设备可用；0x02为start帧，表示设备工作状态；0x03为设备ready帧，表示设备初始信息已经发送完毕；0x04为设备close帧，表示设备关闭状态

Tail为帧尾，固定为0xFA。

专家系统模块包括专家系统、用户访问接口和升级接口。专家系统中的知识库含有大量的智能用电领域专家水平的知识与经验，通过专家系统程序进行推理和判断，来模拟人类专家的决策过程。实现对事务优先级排序、科学控制物联网设备、物联网设备间友好联动、科学指导用户用电等复杂问题给出专家水平的结果。用户访问接口，用于匹配知识库数据以及调用专家系统分析结果。升级接口用于同云计算后台服务系统通信，在线升级专家系统中的知识库与完善专家系统程序，以提高其决策能力及准确性。

专家系统主要由知识库、数据库和推理机3部分组成。其中知识库和推理机是核心部分。知识库，用于存放智能家居控制领域的专门知识。本实施例的知识库的知识一部分是书本知识，但主要是在长期实践中逐渐积累起来的经验性知识。知识库采用产生式规则的组织结构。考虑到在智能控制的条件多样性和变化性，结论单一和较为固定。将结论置于首列，将与结论匹配的条件置于尾列。这种结构易于匹配事实，也易于更新控制机理的条件。本实施例的知识库的组织结构见表2，以控制电动窗开启为例说明。

表2知识库的组织结构

数据库，用于存放原始数据和推理过程中得到的各种中间信息。为了使推理机能方便地求解问题，数据的表示和组织形式应尽量和知识库的表示相容。

推理机，是用来控制、协调整个专家系统工作的一组程序。首先根据数据库中的信息，然后按照推理策略去推理和判断，其次利用知识库中的知识和实时存储刷新模块的事实匹配，最后给出科学的控制结论。以控制电动窗开启为例，当发生煤气检测器超标时，这个事实写入专家系统的数据库，根据推理机的推理策略进行快速推理和判断，根据二分法查询到该事实条件的结论“电动窗开启”。最后实现了事实和专家系统知识库的知识匹配，给出最终的科学控制结论“电动窗开启”进行通风降低煤气浓度，以确保家庭的安全。

云计算后台服务系统，利用“云”的强大计算处理能力，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，以提供在线智能的决策和可靠的控制。同时，也提供了最可靠的、最安全的数据存储中心，实现重要数据的云备份和访问使用。除此，云计算后台服务系统不仅与专家系统通信，对其知识库与专家系统程序的升级，以保证专家系统的决策能力及准确性。而且还同实时存储刷新模块通信，收集分析存储模块中的用户操作习惯，统计学习出更贴合用户的用电模式。进而可生成“一键OK”式操作模式，以提高用户用电的舒适度和自动化程度。

物联网产生的海量数据，云计算后台服务系统通过将数据处理软件和服务运行在云计算平台，利用云计算平台的计算能力和存储能力对海量数据进行大规模处理。而云计算中的分布式数据库技术实现最为关键。本实施例以Google的开源、分布式BigTable技术作为模板，开发出适合智能家居物联网的HomeTable。HomeTable的数据模型见表3。

HomeTable是一种用来在海量数据规模下（如每个智能家居实时的数据将达到客观的PB级）管理结构化数据的分布式存储系统。每一个HomeTable都是一个稀疏的、分布式的多维有序图，按行键值、列键值和时间戳建立索引。表3是一个存储物联网设备的例表的片段。通过Tablet和列组两大特性提高访问效率和伸缩性。

表3HomeTable的数据模型

HomeTable中的行关键字可以是任意的字符串。对同一个行关键字的读或者写操作都是原子的，这个设计决策能够使用户很容易理解程序在对同一行进行并发更新操作时的行为。HomeTable通过行关键字的字典顺序来组织数据，即支持Rowkey作为唯一主键，并且可被用于索引和查询。表的每个行都是动态分区，每一个分区称为Tablet，是调整数据分布和负载均衡的最小单位。这是因为当操作只读取行中的几列数据时效率很高，通常只需要很少的几次机器间的通信即可完成。用户可以通过选择合适的行关键字，在访问数据是有效利用数据的位置相关性。更重要的是，在表3存储的数据不断增加的情况下，HomeTable会将这个表切为多个Tablet，并让这些Tablet分布到不同的服务器上，而每个Tablet都负责一定范围的列。例如在表3中，Tablet2负责Rowkey为510502至510503的数据，可见Tablet2储存的是普通家电的信息。

HomeTable的列组是将多个相关列并为一小组。存放在一列组下的所有数据通常是同一类型。因为每个表格都有成百上千列，而大多数查询只需得到其中少数几个列。例如在表3中，“RFID标签”和“UPnP-IP标识”都属于“标识码（Dev_Id）”这个列组，“设备状态”和“电网状态”都属于“状态信息(State)”这个列组，“查询指令”、“控制指令”和“联动方式”都属于“操作指令(Command)”这个列组。这样的最大好处，将这些相关的列放在一起存储，不仅能提高存取效率，而且能避免读取过多的列。

在HomeTable中，表的每一个数据项都可以包含同一份数据的不同版本，不同版本的数据通过时间戳来索引。HomeTable的时间戳的类型是64位整数，HomeTable为时间戳赋值，用来表示精确到毫秒的“实时”时间。数据项中，不同版本的数据按照时间戳倒序排序，从而使得最新版本最先被读取，而且系统能根据时间戳来做GC（garbage collection，垃圾回收）。例如在表3中，列组“状态信息(State)”的数据项就是通过时间戳来进行实时信息的更新，以实现实时状态的监测。

事务处理模块包括软件控制主程序和事务优先级排序。软件主程序控制各部分电路有序地完成安全服务、认证和匹配服务、实时存储刷新、离线和在线决策、控制指令处理、中断请求处理、感知家庭用电、用电方案制定、各类交互式通信处理、专家系统升级和重要数据云备份。要保证事务处理的效率和可靠，必须对处理的事务进行排序，根据专家系统模块分析来优化排序，然后按照优先级处理事务。

进一步地，如图3所示为本实施例的离线和在线决策流程图，具体步骤如下：

步骤一，根据专家系统分析出该事务的要求，即要求实时性还是可靠性。比如，烟感报警器在检测烟雾浓度超标后，火灾报警事务的实时性更加重要，并且由于该紧急事务处理的流程较为固定，则按照专家系统离线决策的结果可靠性也很高。又比如，远程控制物联网设备，由于物联网设备多样性以及考虑到安全性，所以远程控制事务的可靠性更加重要。

步骤二，判断调用哪种模式，调用的判据是事务处理要求实时响应还是可靠控制。若要求实时响应，进入步骤三；若要求可靠控制，进入步骤四。

步骤三，执行离线决策模式。首先将实时存储刷新模块的运行数据匹配专家系统的知识库数据，然后接收专家系统的分析结果，最后直接对控制信息进行响应。离线决策模式事务处理能力强，实时性强。

步骤四，执行在线决策模式。首先与云计算后台服务系统通信进行上传事务处理请求，然后云计算后台服务系统快速云计算分析出处理结果，最后接收后台服务系统在线智能的决策和控制。在线决策模式提高了事务处理的可靠性。

UPnP是针对智能家电、无线设备以及各种外观尺寸的个人电脑的普遍对等(Peer-to-peer)网络连接而设计的一种架构。它即插即用，更支持零配置、“不可见”联网，以及对众多厂商的广泛设备类型的自动发现。它不使用设备驱动程序，而是使用通用协议，不依赖于任意媒体，可以在任何操作系统上采用任何编程语言来实现。UPnP对设备的硬件需求简单，仅仅需要设备具有以太网口或WLAN网口，并支持TCP/IP协议栈即可。

但是目前传统家庭设备，大多都不具有网络接口，要使其成为UPnP设备，不仅需要为其添加网络接口(有线网口或无线网口)，若是通过有线局域网还需要重新铺设网络线路，具有较大难度。若能将ZigBee网络与UPnP标准相结合，让每一个ZigBee结点都成为UPnP设备，构成混合型智能家庭网络，则既能发挥家庭ZigBee设备的灵活、无线控制的优点，又能实现设备的即插即用和网络远程控制功能。在ZigBee网络和UPnP网络间架设ZigBee/UPnP软件桥是一个比较理想的解决方案。

ZigBee/UPnP软件桥是具有UPnP协议栈的嵌入式软件。ZigBee/UPnP软件桥通过串口连接ZigBee网络的核心设备FFD，通过FFD获取ZigBee-RFD节点信息，并实现对ZigBee-RFD节点的控制。通过和认证和匹配服务模块连接，实现对ZigBee-RFD节点可自动、无需任何配置地接入系统。这个过程是全自动的，使用者无须进行任何干涉。

进一步地，通过Ethernet网口连接UPnP网络，而软件桥运行UPnP协议，为ZigBee网络的每一个RFD节点创建一个虚拟的UPnP设备映射，并通过串口通讯，将实际的ZigBee-RFD节点与虚拟的UPnP设备映射一一对应，可实现消息的透明传输。需要实现对多个UPnP设备的虚拟，就需要维护一张虚拟设备列表，为每一个连接上网桥的zigBee设备创建一个虚拟设备结点，并向认证和匹配服务注册。

认证和匹配服务模块包含注册认证子程序和匹配子程序。注册认证子程序对接入家庭网络（HAN）的物联网设备进行注册和权限认证，构建物联网设备映射表以及动态维护映射表。映射表内容包含物联网设备类型、设备属性、设备位置和唯一的ID号。匹配子程序完成物联网设备与控制信号之间的匹配关联，用户从而可查看家庭网络中所有物联网设备的信息，同时智能终端也能对被控设备进行控制。

具体来说，本实施例的认证和匹配服务是针对采用ZigBee协议的物联网设备。ZigBee网络的设备包括具有完全功能的全功能设备（FFD）和具有部分功能的精简功能设备(RFD)。全功能设备可作为主协调器，负责网络的发起、参数的设定、信息管理及维护等功能。在本实施例中，物联网设备都作为ZigBee精简型(RFD)终端节点，智能终端配置ZigBee全功能型（FFD）主协调器。FFD器件和RFD器件的配合使用，降低了硬件成本。

ZigBee网络具有无线自组网特点，由全功能型（FFD）主协调器选择一个信道和网络标识符（PAN ID）进行自组网。一旦组网完成后，主协调器就以路由器节点的角色运行，允许RFD终端节点的加入和退出以及同RFD终端节点通信。这是由于ZigBee网络的分布式的特点，网络的后续运行不需要依赖主协调器的存在。在本实施例中，ZigBee网络采用星型网络拓扑结构，即FFD和RFD采用点对多点的无线通信方式联网，各节点彼此并不通信，所有信息都要通过FFD节点进行转发。星型网络拓扑用于短距离信息采集和控制，以及其低运行成本使其非常适用于搭建家居通信网络。

综上，本实施例的映射表形成和维护就是针对星型ZigBee网络中RFD终端节点。如图4所示为本实施例的映射表形成流程图，具体步骤如下：

步骤一，由FFD主协调器发送组网广播帧进行自组网，网络中的RFD终端节点接收到广播帧后，用64位IEEE扩展地址作为节点号，发出入网申请帧。这过程要判断节点是否合法，若合法则存储该节点信息。

步骤二，FFD主协调器向认证服务模块发送注册请求，然后要对设备进行权限安全认证。若通过权限安全认证，转到步骤三；若不通过，则结束。

步骤三，ZigBee/UPnP软件桥对ZigBee-RFD节点创建虚拟UPnP设备节点列表，将实际的ZigBee-RFD节点与虚拟的UPnP设备映射一一对应。然后通过UPnP技术可自动、无需任何配置地接入系统。最后ZigBee/UPnP软件桥向认证服务模块发送注册请求。

步骤四，认证服务模块向FFD主协调器返回注册响应。然后，FFD主协调器分配给RFD终端节点一个16bit的网内节点号。

步骤五，RFD终端节点将自身信息上报，自身信息包括设备类型、设备属性、设备位置。

步骤六，认证服务模块将全网唯一的ID编码和RFD终端节点的信息进行映射关联，从而形成映射表。

步骤七，通过和云计算后台服务系统通信，将映射表进行云备份，同时也可实现信息访问和共享。

“一键OK”式操作模式首先是由云计算后台服务系统对用户操作习惯统计学习给出参考模式，最后由用户最终设定家庭用电的操作模式。用户在智能终端的人机交互界面选择一种“一键OK”式操作模式，然后智能终端将读取相应操作模式下的物联网设备的设定状态，最后同时控制相应的物联网设备以达到操作模式的效果。

进一步地，如图5所示为本实施例的云计算后台服务系统生成用户模式流程图，具体步骤如下：

步骤一，存储模块通过因特网通信将用户操作习惯上传至云计算后台服务系统。其中，用户操作习惯包括远程控制的内容和时间、用户调整参数和用户使用物联网设备的情况等。

步骤二，由云计算后台服务系统统计学习，进而分析生成用户模式。

步骤三，将用户模式下载到储存模块中家庭模式的存储区，来进行更贴合用户习惯的指导和控制。

更进一步地，“一键OK”式操作模式包括经济模式、舒适模式、睡眠模式、外出模式等。这可让用户体验到智能用电带来的便利和舒适。

（1）经济模式。将开展用户预设定的家电托管服务，可根据实时电价进行预编程实现对物联网设备的启停控制，以实现降低用户的用电成本；

（2）舒适模式。如果用户家庭具有控制恒温系统（HVAC），控制系统可根据温度要求对空调进行智能控制。还可开展灯光智能控制等，以营造出舒适的家居环境。

（3）睡眠模式。开展安防报警服务，包括门窗磁报警、紧急求助报警、燃气泄漏报警、火灾报警等。同时自动关闭预先设定的家用电器，以及调节恒温系统保持恒温，以提供一个安全舒适的睡眠环境。

（4）外出模式。将开启安防布防状态，则红外探头进行非法入侵安防，也会开展煤气和火灾安防。同时，自动关闭家中预先设定的家用电器。

本实施例的智能终端可开展自动托管服务，即根据电网侧实时信息进行预编程实现对物联网设备的托管控制，以及根据分布式电源和储能装置的状态进行智能用能控制。

首先根据电器的耗能情况以及专家系统分析结果对电器进行分类。本实施例分成3级，1级为停止级，如电热水器等；2级为建议级，如洗衣机等；3级为保留级，如照明等。然后针对不同级别的电器进行智能控制：停止级进行停止操作；建议级向用户提醒并建议转移其至低电价时段使用；保留级则保留该电器继续运行。

为构建全方位的互动，还需要物联网设备间友好互动。物联网设备间互动，即智能家居内的各种物联网设备能相互通讯和联动，而不需要用户参与指挥，它们将按照自身状态和联动模式可靠地互动运行。

如智能空调与电动窗控制器联动，当智能空调运行时，电动窗控制器会自动将窗闭合。智能电视和灯光控制器联动，当打开智能电视时，灯光控制器会自动减弱灯光。这些都确保了能源的高效利用。

还如当煤气传感器监测到超标后，进行全网络范围内的智能协作。关闭所有物联网设备的电源，同时电动窗控制器打开窗进行通风，以确保家庭的安全。

这些联动方式时根据用户的家庭网络进行具体设计，并且联动方式都是来自于专家系统知识库，可以保证联动方式的丰富性和灵活性。这给用户带来最大程度的高效、节能、舒适与安全。

进一步地，如图6所示为本实施例的物联网设备间互动流程图，具体步骤如下：

步骤一，各ZigBee精简型RFD节点监测自身状态，并且实时上传信息至主协调器。

步骤二，实时存储刷新模块将物联网设备的信息进行存储，并与专家系统知识库进行分析匹配，判断是否满足联动条件。若满足，进入步骤三；否则，返回步骤一。

步骤三，选择进入离线或在线决策模式进行执行。调用离线和在线决策流程即可。

步骤四，生成联动指令，然后将联动指令转码编制为控制帧，并且根据ZigBee协议中的AES/CCM算法对控制帧加密。

步骤五，查询映射表，将联动指令发送至相应的ZigBee精简型(RFD)终端节点。然后对相应的物联网设备进行控制。

步骤六，返回联动回复，完成一轮物联网设备间互动。

如图1所示为本实施例的基于物联网技术的实时互动智能终端控制平台。其外围接口包括用于同智能电表通讯的RS485接口；用于同终端设备无线通讯的ZigBee无线通讯接口；用于接入Internet互联网和同家庭网络内其他终端通信的以太网通讯接口；用于接收手机远程控制的移动通信接口。

具体来说，RS485接口同智能电表通讯，建立智能终端和智能电表的双向互动。既可发送用户的服务信息如电能质量要求等，又能接收电网侧信息和用户侧信息。电网侧信息，是通过智能电表的双向交互式通信模块从电力公司获得，包括浮动电价（支持实时电价，阶梯电价）、以及用户感兴趣的电网服务信息（如停电计划信息）等。而用户侧信息，是来自智能电表的双向计量模块信息，包括用电信息、损耗分析、分布式电源以及储能装置运行状态等。

进一步地，智能电表可实现同电力公司的双向交互式通信；可进行实时测量以提供带时标的电量信息；以及支持双向电量计量能计量分布式新能源倒送配电网的电能信息。

更进一步地，分布式电源以及储能装置包括光伏发电电源、风力发电电源、储能设备和电动汽车充电设备。

ZigBee无线通讯接口同物联网设备无线通讯，建立智能终端和物联网设备的双向互动。物联网设备将自身的状态信息上传给ZigBee主协调器，并且智能终端接收后进行事务处理。而智能终端将控制指令通过ZigBee主协调器发送到相应的物联网设备。从而可开展自动托管服务，以及实现本地与远程智能控制物联网设备，还能支持物联网设备间的友好互动。

进一步地，物联网设备包括，智能家电、智能插座、智能控制器和安防传感器。智能插座可实时地分析其连接的家电耗能，并配合智能交互终端来进行普通家电的控制。智能插座采用射频识别RFID技术，对普通家电配置可唯一被识别的RFID电子标签，从而可自动智能识别普通家电的身份。利用智能插座和RFID技术使得普通家电也成为物联网设备。智能控制器包括灯光和门窗等控制器，分别控制灯光的启停和强弱，门窗的关合。安防传感器包括煤气、烟雾传感器和红外探头。煤气、烟雾传感器以进行煤气和火灾报警，红外探头以进行入侵报警，还可选配摄像头以监视家庭网络情况。

以太网通讯接口，用于接入Internet互联网以及同家庭网络其他终端通信。将智能终端拓展到互联网侧的云计算后台服务系统，以建立同云计算后台服务系统的交互式通信。通过以太网通讯接口也能接收来自PC机的远程控制指令，以及连接家庭网络（HAN）的本地PC或其他终端设备。

移动通信接口用于接收移动终端远程控制指令，建立智能交互终端和各种移动终端设备(如手机和PDA)的通信。智能终端可以向移动终端发送安防信息以及用户请求的感兴趣信息，同时移动终端也能向智能终端发送控制命令，对HAN（家庭网络）进行远程控制操作。

优选的，该发明的智能终端同时支持因特网和移动通信通道，移动通信信道支持3G网络，用户可自由选择接入网络方式。两种通信信道相互备用，而且两种不同性质通道进行数据传输，增强了数据传输的可靠性和实时性。

本发明具有以下有益效果：

（1）实时可视化让用户明白消费，提高用电信息的知情权，可实时获取物联网设备运行情况，实现家庭用电的实时监控。

（2）同电力公司互动，满足了智能电网背景下的交互式通信、需求侧管理和实时电价等方面的要求，加强了用户和电力公司之间的友好互动。

（3）同物联网设备互动，可开展自动托管服务，以及支持本地和远程智能控制物联网设备。使得用户可以随时随地查看、管理和控制家居内一切物联网设备。

（4）物联网设备间联动，很好地实现了智能家居内的各种设备相互通讯和联动，即不需要用户参与指挥，它们将按照自身状态和联动模式可靠地互动运行。实现了全方位的互动，从而给用户带来最大程度的高效、节能、舒适与安全。

（5）兼顾了事务处理的实时性和可靠性。提供的离线和在线决策模式很好地兼顾了事务处理的实时性和可靠性。

（6）更经济和舒适的用电。结合专家分析和用户习惯来科学指导用户的用电行为，不仅改变用户的用电模式，降低用户的用电成本，而且还可以提高用户的用电的舒适度和自动化程度。进一步将影响人们用电习惯，从粗放型转化为集约型用电方式，引导人们进入低碳、和谐和智能的用电新时代。

（7）可扩展性、灵活性及易用性。物联网设备接入家庭网络（HAN）采用UPnP关键技术，提高了系统的可扩展性。提供“一键OK”式的操作模式让用户灵活控制物联网设备，享受“一键OK”式的简单操作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统，其特征是所述系统包括实时存储刷新模块、专家系统模块、事务处理模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块、认证与匹配服务模块、接口模块和中央处理模块；

所述实时存储刷新模块、专家系统模块、事务处理模块、ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块、认证与匹配服务模块和接口模块分别与中央处理模块相连；

所述ZigBee主协调模块、ZigBee/UPnP协议转化模块和认证与匹配服务模块顺次相连；

所述ZigBee主协调模块通过无线方式与ZigBee终端节点相连，所述ZigBee终端节点为物联网设备；

所述实时存储刷新模块用于接收并存储物联网设备信息；

所述专家系统模块用于确定待处理事务的优先级；

专家系统模块包括专家系统、用户访问接口和升级接口；专家系统中的知识库含有智能用电领域专家水平的知识与经验，通过专家系统程序进行推理和判断，来模拟人类专家的决策过程；实现对事务优先级排序、科学控制物联网设备、物联网设备间友好联动和科学指导用户用电的复杂问题给出专家水平的结果；用户访问接口，用于匹配知识库数据以及调用专家系统分析结果；升级接口用于同云计算后台服务系统通信，在线升级专家系统中的知识库与完善专家系统程序，以提高其决策能力及准确性；

所述云计算后台服务系统用于接收用户操作习惯，并由云计算后台服务系统统计学习，进而分析生成用户模式，将用户模式下载到储存模块中家庭模式的存储区，进行用户习惯的指导和控制；其中，用户操作习惯包括远程控制的内容和时间、用户调整参数和用户使用物联网设备的情况；

专家系统由知识库、数据库和推理机组成；所述知识库用于存放智能家居控制领域的专门知识；知识库采用产生式规则的组织结构，将结论置于首列，将与结论匹配的条件置于尾列；

所述事务处理模块用于根据待处理事务的优先级处理相应的事务；

所述ZigBee主协调模块用于获取物联网设备信息，并发送至实时存储刷新模块；还用于接收ZigBee终端节点的入网申请，并将所述入网申请发送至认证与匹配服务模块；

所述认证与匹配服务模块用于接收ZigBee终端节点的入网申请，并在通过安全认证时，将所述入网申请发送至ZigBee/UPnP协议转化模块；

所述ZigBee/UPnP协议转化模块用于接收ZigBee终端节点的入网申请，并建立ZigBee终端节点与虚拟UPnP设备的映射，从而将ZigBee终端节点接入所述系统；

所述接口模块用于获取智能电表信息。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的实时互动智能终端控制系统，其特征是所述接口模块包括RS485接口、以太网接口和移动通信接口；所述RS485接口与智能电表相连；所述以太网接口与云计算服务系统相连；所述移动通信接口与移动通信网相连。