程全

摘 要：智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域，對(duì)提高人們家居生活的質(zhì)量及舒適性起到十分重要的作用。文中對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開了研究，在分析其系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件及軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，為有關(guān)需要提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能家居；網(wǎng)關(guān)；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP391；TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）12-00-02

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，并在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效構(gòu)建智能化的家居環(huán)境，提高家居生活的便捷性及舒適性。在智能家居系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)終端與智能家居系統(tǒng)通信，從而有效控制家用電器設(shè)備的重要系統(tǒng)，對(duì)其設(shè)計(jì)展開研究具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)呈現(xiàn)出多元化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，最典型、普遍的總體結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用服務(wù)層、感知控制層以及網(wǎng)絡(luò)通信層。從該類型的系統(tǒng)構(gòu)架內(nèi)容看，其主要連接包括終端節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器、智能家居網(wǎng)關(guān)以及客戶端，具體形式如圖1所示。

終端節(jié)點(diǎn)是智能家居系統(tǒng)中的重要組成部分，處于智能家居系統(tǒng)的底層，歸屬于感知控制層。終端節(jié)點(diǎn)主要以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為橋梁，控制信息的采集與傳輸，從而獲取家居環(huán)境中的各類信息，并進(jìn)行相應(yīng)家電設(shè)備的調(diào)節(jié)。其次，網(wǎng)關(guān)是一個(gè)家庭中內(nèi)網(wǎng)組件的核心，同時(shí)也是控制管理功能實(shí)現(xiàn)的核心，處于系統(tǒng)的中間層，是智能家居系統(tǒng)中的重要樞紐，連接關(guān)系網(wǎng)中的終端節(jié)點(diǎn)以及手機(jī)客戶端。此外，智能家居系統(tǒng)中的服務(wù)器作為信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾浇?，主要?fù)責(zé)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，完成網(wǎng)關(guān)以及客戶端之間的數(shù)據(jù)交互。該部分處于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的中間層，屬于網(wǎng)絡(luò)通信部分。最后，客戶端作為發(fā)出命令的主要設(shè)備，是智能家居系統(tǒng)中的頂層部分，也是應(yīng)用服務(wù)結(jié)構(gòu)的層級(jí)部分，主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)命令的發(fā)出以及信息數(shù)據(jù)的接收。

1.2 智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

典型的智能家居系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)作為重要基礎(chǔ)，其系統(tǒng)通常使用32位的嵌入式ARM處理器（Cortex-M3），并將其作為主控制器的芯片。與此同時(shí)，除該部分外，其余結(jié)構(gòu)通常包括ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、WiFi通信模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和按鍵以及存儲(chǔ)器模塊等。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式ARM處理器位于系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中心，承擔(dān)著整個(gè)智能家居網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從上文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析可知，智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)通過(guò)借鑒模塊化設(shè)計(jì)思路完成了各結(jié)構(gòu)部分的協(xié)調(diào)處理。其中，ZigBee作為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中心，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作效率具有至關(guān)重要的作用，因此，對(duì)ZigBee協(xié)調(diào)器作進(jìn)一步的重點(diǎn)分析十分必要。

在一個(gè)普通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器是關(guān)系系統(tǒng)運(yùn)作的中心，主要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)組建、網(wǎng)絡(luò)管理以及網(wǎng)絡(luò)其他配置等責(zé)任，以集成的方式處于網(wǎng)關(guān)中心。從ZigBee的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)方面觀察可知，其憑借成本費(fèi)用低、功耗水平低以及網(wǎng)絡(luò)容量大、通信穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，且其較高的可靠性水平，對(duì)于智能家居的系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)組建具有明顯優(yōu)勢(shì)。

LED燈的主要功能在于顯示ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，只要智能家居系統(tǒng)通電，ZigBee協(xié)調(diào)器就可進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)組建狀態(tài)，在該狀態(tài)下，LED燈通常表現(xiàn)為等頻閃爍；所有網(wǎng)絡(luò)組建完畢后，LED燈為常亮狀態(tài)。

3 智能家居系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件是智能家居系統(tǒng)中又一重要部分，在典型的智能家居系統(tǒng)中，通常使用Open Wrt操作系統(tǒng)完成用戶相應(yīng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，如圖3所示。智能家居網(wǎng)關(guān)軟件的主要設(shè)計(jì)過(guò)程為：首先，通過(guò)近程控制任務(wù)完成本地服務(wù)器的創(chuàng)建，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行客戶端和網(wǎng)關(guān)之間的近程數(shù)據(jù)交換，在數(shù)據(jù)交換時(shí)，完成本地通信事件的處理；其次，遠(yuǎn)程控制任務(wù)部分主要以Internet為載體與外部服務(wù)器相連，從而完成與外部服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的處理與接收。此外，家居內(nèi)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)核心在于ZigBee，在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)用戶所需的遠(yuǎn)程以及近程數(shù)據(jù)信息交互，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行家居內(nèi)部事件的及時(shí)控制與處理。

3.1 本地服務(wù)器的創(chuàng)建

在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本地服務(wù)器的創(chuàng)建是重要基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的完善與穩(wěn)定，已形成一套行之有效的流程，主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）創(chuàng)建TCP協(xié)議套接口，并在此基礎(chǔ)上，清零相應(yīng)服務(wù)器的地址結(jié)構(gòu)；

（2）確認(rèn)本地服務(wù)器的具體地址并設(shè)定；

（3）創(chuàng)建相關(guān)套接字，完成監(jiān)聽指示端口號(hào)的設(shè)置；

（4）完成上述步驟后，進(jìn)行本地監(jiān)聽的長(zhǎng)度設(shè)置；

（5）實(shí)現(xiàn)本地信息的監(jiān)聽功能。

為加快本地服務(wù)器的相關(guān)創(chuàng)建，通常將IP地址用作本地服務(wù)器檢測(cè)的IP地址，即“192.168.255.24”，與此同時(shí)，檢測(cè)端口號(hào)通常設(shè)置為19770，監(jiān)聽長(zhǎng)度通常設(shè)為10。

3.2 智能家居網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)

智能家居網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程通信功能是完成外部數(shù)據(jù)與外部服務(wù)器數(shù)據(jù)信息交互的重要手段。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)在消息訂閱基礎(chǔ)上，由外部服務(wù)器接收，同時(shí)也可以發(fā)布消息的形式在外部服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。若將服務(wù)器的地址/域名設(shè)置為192.168.0.66，將其端口號(hào)設(shè)置為8000，其用戶名以及密碼設(shè)置成Users，其主題設(shè)置為terminal，則此時(shí)智能家居系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器發(fā)送的消息訂閱格式即為mosquitto_sub-h192.168.0.66-p8000-uUsers-PUsers-tterminal，而智能家居網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器發(fā)布消息的格式則為mosquitto_pub-h192.168.0.66-p8000-tterminal–m。endprint

3.3 家居網(wǎng)關(guān)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

家居網(wǎng)關(guān)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要功能為網(wǎng)絡(luò)管理，在感知ZigBee終端傳感設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)其屬性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行智能判斷，并做出處理決策。此外，網(wǎng)關(guān)以獲取網(wǎng)絡(luò)信息為主要途徑辨別終端設(shè)備的相關(guān)特征數(shù)據(jù)，進(jìn)而達(dá)到提升系統(tǒng)控制準(zhǔn)確性的目的，同時(shí)也將有助于保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4 系統(tǒng)調(diào)試

智能家居演示平臺(tái)系統(tǒng)的常規(guī)模擬功能可完成系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù)，一般來(lái)說(shuō)，演示平臺(tái)包括網(wǎng)關(guān)、ZigBee、電燈以及網(wǎng)絡(luò)接口等設(shè)備都將得到控制與調(diào)試，具體見表1所列。平臺(tái)將在無(wú)外網(wǎng)連接狀態(tài)下，通過(guò)客戶端完成相關(guān)設(shè)備的近程調(diào)控調(diào)試；在連接外網(wǎng)的狀態(tài)下進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。

4.1 近程控制測(cè)試

在上述演示平臺(tái)的基礎(chǔ)上，以電燈為例進(jìn)行測(cè)試，具體步驟如下：

（1）啟動(dòng)客戶端“Smart Home”，登錄，在“房間列表”界面點(diǎn)擊“客廳”；

（2）在燈光控制界面點(diǎn)擊“調(diào)光燈”“臥室燈”的相關(guān)開啟按鍵，完成控制，若電燈成功點(diǎn)亮，則功能正常。

4.2 遠(yuǎn)程控制測(cè)試

在上述演示平臺(tái)的基礎(chǔ)上，以WiFi插座為例進(jìn)行測(cè)試，具體步驟如下：

（1）選擇遠(yuǎn)程控制輸入框，并輸入“SERVER-TALK：WIFI@MAC：02：0a：f7：00：00：01@SWITCH：1@#”，點(diǎn)擊 “Send”按鈕，完成開啟命令的發(fā)送；

（2）平臺(tái)接收命令，控制插座指示燈，并完成開啟，由此證明該功能正常。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，隨著通信技術(shù)與智能技術(shù)的不斷研發(fā)，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居將逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞?。本研究設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)有助于進(jìn)一步準(zhǔn)確、高效地完成近程、遠(yuǎn)程家居設(shè)備控制，且成本低廉，具有較高的可靠性，操作簡(jiǎn)便，可為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

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