徐金燁

摘要

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)及無線通信技術(shù)滲透到智能家居系統(tǒng)之中，為智能家居行業(yè)帶來了新的生機(jī)和活力，基于智能家居網(wǎng)關(guān)及其關(guān)鍵性技術(shù)的功能需求，可以建構(gòu)基于SIP協(xié)議的智能家居網(wǎng)關(guān)方案，從硬件和軟件兩大部分進(jìn)行模塊建構(gòu)和設(shè)計，使之具有可擴(kuò)展性、多通信集成性和語音控制的特點(diǎn)，較好地滿足智能家居的應(yīng)用需求。

【關(guān)鍵詞】SIP協(xié)議 智能家居 網(wǎng)關(guān) 應(yīng)用

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)迅猛發(fā)展的態(tài)勢下，人們?nèi)找骊P(guān)注和探索智能化、自動化、數(shù)字化的智能家居生活，諸多科技公司也進(jìn)入到智能家居之中，為其提供和設(shè)計多樣化的方案，以提升人們家居生活的舒適性、安全性和便利性?？梢曰诩揖釉O(shè)備自動控制的思路建構(gòu)SIP協(xié)議下的智能家居網(wǎng)關(guān)，使綜合布線、網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制等技術(shù)與家居生活相鏈接，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)形成智能家居平臺，實現(xiàn)對家居環(huán)境系統(tǒng)信息的實時采集、輸入輸出、集中控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

國外的Kim S H，Kang J S等學(xué)者重點(diǎn)研究基于ZigBee協(xié)議的無線個域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，A.RAI-Ali，A.H.El-Hag等人則通過兼容智能電網(wǎng)集成的方式，實現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)與家用電器的雙向通信，就家庭能源損耗設(shè)計了一種智能家居網(wǎng)關(guān)，以實現(xiàn)對家用電器的智能監(jiān)控和管理。Eric Simon，Albert Royo Manjon等人則構(gòu)建模塊化的第三方應(yīng)用程序和軟件體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)應(yīng)用程序的自主管理和優(yōu)化，不斷更新網(wǎng)關(guān)。在國內(nèi)，孫潤通過傳輸層協(xié)議TCP、UDP，建構(gòu)基于Wi-Fi的智能家居網(wǎng)關(guān)，它與紅外控制和ZigBee組網(wǎng)相鏈接。朱迪奇則以ZigBee協(xié)議為依托，設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)關(guān)，利用統(tǒng)一的應(yīng)用編程接口實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)服務(wù)和應(yīng)用。孫兵則以uC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)、STemWin為軟件平臺，建構(gòu)基于ARM的智能家居網(wǎng)關(guān)。

1 SIP協(xié)議下的智能家居網(wǎng)關(guān)應(yīng)用總體方案設(shè)計

1.1 需求分析

基于SIP協(xié)議的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計是基于通信集成的需求進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計，面對功能差異、種類繁多的智能家居設(shè)備，要通過智能家居網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)不同智能家居的通信集成，主要應(yīng)當(dāng)集成ZigBee通信或Wi-Fi通信技術(shù)，使家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互和應(yīng)用。同時，智能家居網(wǎng)關(guān)通常采用嵌入式系統(tǒng)，要能夠?qū)崿F(xiàn)對智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)、遠(yuǎn)程用戶訪問，并滿足多媒體流傳輸?shù)男枨蟆?/p>

1.2 軟硬件總體設(shè)計

從硬件設(shè)計部分來看，基于SIP協(xié)議下的智能家居網(wǎng)關(guān)主要包括以下內(nèi)容：

（1）主處理器。要選取ARM1176JZF-S架構(gòu)的主處理器，采用Samsung SX6410芯片、tiny6410核心板，內(nèi)置SD卡槽、以太網(wǎng)口等，較好地滿足嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的需求。

（2）ZigBee協(xié)調(diào)器?？梢栽O(shè)計應(yīng)用CC2530射頻模塊作為系統(tǒng)ZigBee協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)對終端節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的整合、傳輸。

（3）Wi-FiAP?？梢栽O(shè)計選用Wi-Fi模塊EDUP無線網(wǎng)卡，在與核心板搭配驅(qū)動的條件下負(fù)責(zé)Wi-Fi組網(wǎng)。

（4）語音識別模塊?？梢栽O(shè)計選用擴(kuò)展語音芯片的方式，將LD3320作為語音識別芯片模塊，進(jìn)行語音控制和識別。

從軟件設(shè)計部分來看，它主要包括以下內(nèi)容：

（1）操作系統(tǒng)。可以設(shè)計選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，利用其開源、可移植性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定的特性，實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、事件處理和任務(wù)通信，滿足網(wǎng)關(guān)設(shè)計需求。

（2）核心通信協(xié)議?？梢栽O(shè)計選用新一代會話初始協(xié)議SIP作為核心通信協(xié)議，并在網(wǎng)關(guān)中移植SIP協(xié)議棧，通過模塊化的方式進(jìn)行智能家居內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)的通信，體現(xiàn)出極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

（3）人機(jī)交互界面?？梢栽O(shè)計選用模塊化程度高、可重用性好的QT平臺進(jìn)行開發(fā)，呈現(xiàn)網(wǎng)關(guān)接收的信息并進(jìn)行有效的控制。

1.3 搭建智能家居網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺

1.3.1 網(wǎng)關(guān)硬件開發(fā)平臺

本文選取ARM1176JZF-S嵌入結(jié)構(gòu)的S3C6410芯片作為核心板，內(nèi)部主板以S3C6410為內(nèi)核，SDK底板主要是實現(xiàn)主板功能和擴(kuò)展開發(fā)。ZigBee模塊則主要由CPU、外設(shè)模塊及無線電相關(guān)模塊構(gòu)成。Wi-Fi模塊以AP節(jié)點(diǎn)作為接入核心板的擴(kuò)展模塊，以ESP8266作為終端節(jié)點(diǎn)的Wi-Fi模塊，實現(xiàn)不同模式的快速切換、信號處理、故障排除等功能。語音識別模塊則以LD3320作為語音識別專用芯片，進(jìn)行不同語音模式的識別和控制。

1.3.2 網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)平臺

要建構(gòu)交叉編譯環(huán)境，建立宿主機(jī)Linux系統(tǒng)，具體操作主要包括有：制作bootloader、內(nèi)核及根文件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對配置好的源代碼進(jìn)行交叉編譯。同時，還要安裝交叉工具鏈，實現(xiàn)對程序的預(yù)處理、編譯、匯編和鏈接。

2 SIP協(xié)議棧在智能家居網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用設(shè)計

2.1 SIP協(xié)議概述

SIP是一種基于文本編碼形式的會話初始化協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)中的實時通信和會話，體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢特點(diǎn)，并能夠開發(fā)功能不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如：SIP與SDP相結(jié)合使用，能夠較好地描述會話通信的類型;SIP與RTP相結(jié)合，可以實時傳輸信息數(shù)據(jù)并生成QOS反饋;STP與RSVP相結(jié)合使用，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的預(yù)約處理;STP與SAP相結(jié)合，可以對發(fā)布的會話進(jìn)行組播。

2.2 智能家居網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中的SIP協(xié)議棧的選擇

目前主要的開源SIP協(xié)議棧包括有：

（1）OPAL.它是基于Openh323的架構(gòu)前提，優(yōu)化音視頻的編解碼和傳輸內(nèi)容，對所有的VOIP協(xié)議進(jìn)行多層次的抽象，處于不斷成熟和完善的階段。

（2）ReSIProcate。是支持新一代的rfc3261的獨(dú)立SIP協(xié)議棧，體現(xiàn)出高穩(wěn)定性、兼容性強(qiáng)的特性。

（3）osip2。在對原有協(xié)議棧進(jìn)行封裝處理的前提下，由C語言編寫而成的SIP開發(fā)源碼的協(xié)議棧，具有較大的開發(fā)難度和工作量，且必須與其他協(xié)議棧相整合使用。

（4）PJSIP。由C語言編寫而成的一種開源協(xié)議棧，適用于嵌入式SIP功能的開發(fā)和應(yīng)用，也是智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計開發(fā)的首選。

2.3 SIP協(xié)議棧的模塊應(yīng)用設(shè)計

基于SIP協(xié)議下的智能家居網(wǎng)關(guān)應(yīng)用功能模塊主要包括以下方面：

（1）創(chuàng)建和初始化模塊。這一模塊主要實現(xiàn)對默認(rèn)配置、回調(diào)函數(shù)及pjsua的初始化設(shè)計，要合理配置初始化參數(shù)，確保協(xié)議棧正常啟動和運(yùn)行，保障應(yīng)用程序運(yùn)行通暢與安全。

（2）注冊模塊。主要是利用相關(guān)代碼完成賬戶屬性設(shè)置，并向服務(wù)器申請注冊，包括常規(guī)用戶句注冊、密碼注冊、服務(wù)器域名注冊等。

（3）會話管理模塊。該模塊要依照SIP消息編碼格式的順序進(jìn)行SIP信令解析，包括SIP消息、URI、頭字段的解析，調(diào)用相關(guān)函數(shù)創(chuàng)建和改變服務(wù)器事務(wù)和客戶機(jī)事務(wù)狀態(tài)，并依照請求/應(yīng)答架構(gòu)，實現(xiàn)AP節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)的會話通信能力協(xié)商。

3 智能家居網(wǎng)關(guān)的外圍模塊及組網(wǎng)實現(xiàn)

3.1 ZigBee組網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計

ZigBee組網(wǎng)是基于ZigBee協(xié)議棧而形成的，各層之間通過數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)和管理服務(wù)訪問點(diǎn)實現(xiàn)通信，以O(shè)SAL為核心，主要實現(xiàn)任務(wù)注冊、初始化、任務(wù)同步與互斥、中斷處理等功能，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器的通訊、傳感器數(shù)據(jù)的采集和I/O控制。

3.2 Wi-Fi組網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計

Wi-Fi組網(wǎng)以AP節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)核心板擴(kuò)展模塊，支持無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用USB Host接口實現(xiàn)即插即用。在進(jìn)行Wi-Fi組網(wǎng)程序設(shè)計的過程中，主要完成如下工作：Wi-Fi通信初始化;連接網(wǎng)關(guān)并綁定監(jiān)控網(wǎng)絡(luò);采用透傳模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、上傳和存儲。

3.3 語音識別應(yīng)用設(shè)計

基于SIP協(xié)議下的智能家居網(wǎng)關(guān)采用嵌入式處理器外圍擴(kuò)展語音識別芯片LD3320，采用高精度的A/D和D/A轉(zhuǎn)換接口，能夠識別關(guān)鍵詞并對其進(jìn)行動態(tài)編譯，包括系統(tǒng)初始化、關(guān)鍵詞寫入、識別及中斷處理模塊等。其工作實現(xiàn)原理主要為：采集并分析聲音的頻譜，提取聲音特征并將其存儲于LD3320芯片的內(nèi)部存儲器，再由模塊MCU讀取、對比語音信號，生成識別命令并將其轉(zhuǎn)發(fā)給終端設(shè)備，較好地避免語音誤識別的現(xiàn)象。

4 小結(jié)

綜上所述，基于SIP協(xié)議的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計與應(yīng)用順應(yīng)時代的要求，面對人們對于家居環(huán)境要求日益提升的趨勢，要設(shè)計開發(fā)基于SIP UA的通信架構(gòu)，使家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部互聯(lián)網(wǎng)相鏈接，可以集成ZigBee通信和WiFi通信，在嵌入式Linux系統(tǒng)中移植PJSIP協(xié)議棧，在不同的功能模塊下實現(xiàn)組網(wǎng)設(shè)計，較好地實現(xiàn)智能家居設(shè)備的實時監(jiān)控、通信管理和SIP通信。未來還要不斷完善和優(yōu)化智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，完善智能家居網(wǎng)關(guān)的QoS管理以及組合性服務(wù)，提升智能家居網(wǎng)關(guān)的通信安全與可靠性。

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