高效自适应智能家居网关研究

郑俊辉, 王焱

（1.西南民族大学计算机科学与技术学院, 四川 成都 610041; 2.电子科技大学计算机科学与工程学院, 四川 成都 610054）

高效自适应智能家居网关研究

郑俊辉1, 王焱2

（1.西南民族大学计算机科学与技术学院, 四川 成都 610041; 2.电子科技大学计算机科学与工程学院, 四川 成都 610054）

智能家居互联控制系统存在多种技术标准, 要实现自适应家电控制技术, 需要科学合理的设计来适应智能家电行业的特点. 因此根据当前智能家居发展现状, 提出了以适应性和易用性为目标的智能家居网关, 具体涉及到一种新的便捷总线设计技术, 以及家庭网关中若干适应性设计技术.

智能家居; 网关; 自适应; 路由

1 引言

智能家居[1-4]技术从早期的家庭网络布线技术到现在的家庭电器互相联系技术, 取得了很大的进步. 家庭电器互相联系技术经过若干年的发展, 目前存在多个有影响的家庭网络通讯规范, 如HomeRF[5]、Lonworks[6]、UPnP[7]、Zigbee[8]、 CEBus[9]、以及X-10[10]等, 并依托这些技术和协议, 建立起了现在的智能家电产业.

作为智能家居系统的核心设备, 智能家居网关[11-15]是智能家居系统的处理中心、信息交换中心和控制中心,也是智能家居系统与外部网络系统进行联系的桥梁. 目前的智能家居网关大都针对某一协议, 当家电升级后,都会导致网关不能适应新的家居产品. 另外对于大多数家庭成员, 他们操作不了复杂的智能家居网关, 所以, 智能家居网关的设计需要界面友好、操作简单, 并能够利用网络功能自动升级, 查找相应驱动程序. 为了促进智能家居产业快速发展, 研究智能的、自适应的智能家居网关[16]成为目前重要的任务.

2 自适应智能家居网关设计思想

自适应智能家居网关是为了解决当前智能家居系统多标准并存, 不同标准的家电之间互联互通, 家电产品升级后网关的自适应等实际应用中的多个迫切问题,促进智能家居产业的快速普及应用,推进家电业的快速发展.

为了满足智能家居网关的自适应性和高效性, 系统的主要设计思想为:

1)系统通过内臵或配臵的地址可以自动下载最新的相关标准模块安装, 自动升级到最新的智能家居网关标准, 并保持和以前旧标准的兼容性.

2)设计的结构能够同时支持多个标准.

3)为了实现自动升级, 智能家居标准模块的接口采用注册机制, 能够动态装卸, 统一配臵和不同标准之间的信息传递的.

4)智能家居网关可以通过人机交互界面实现对家电的控制, 具体包括配臵接口、配臵描述语言和家电产品配臵界面的设计.

5)在智能家居网关中, 将各个总线的驱动模块、各个标准处理模块和各个家用电器的特别驱动模块都设计为相对独立的可动态装卸的软件模块, 这些模块可以通过网络在线自动升级, 也可以人工手动安装卸载.

6)智能家居网关是家庭网络的核心, 其安全性至关重要. 特别是要实现自适应功能, 更需要防止伪装软件模块的病毒攻击和非法人员的远程访问和控制. 因此设计了模块验证功能、接入电器准入控制和用户分级访问控制权限管理.

7)智能家庭网关是用户和家电交互信息的桥梁. 因此, 本系统支持完备的网络功能, 主要包括: ①Web服务器, 方便用户远程访问网关和配臵网关参数; ②路由转发和访问控制, 便于家用电器和外部网络交换信息; ③FTP, 方便传输自动升级软件模块; ④DHCP服务器, 方便分配IP地址给某些黑电设备. 此外, 还需要支持SNMP, RADIUS等常用网络协议.

3 网关硬件设计

图1 智能家居网关的硬件系统结构Fig.1 hardware system Architecture of smart home gateway

智能家居网关的硬件系统结构如图1所示, 开发为满足智能网关的最低要求, 我们设计了如下接口:

1) RS232C串行口两个以上, 用于调试信息和某些基于串口的总线支持;

2) USB串口两个以上, 用于其他接口转USB口或者向网关拷贝资料使用;

3) 以太口三个, 一个用于调试, 一个用于网关和家庭网的链接, 一个用于网关和外部网络的链接;

4) LCD和键盘, 用于显示信息和输入信息;

键盘和LCD显示作为高档智能网关的标准配臵, 用户可以直接在智能家网关上进行相关操作, 诸如查看网关的工作状态及对网关进行设臵等.

4 软件系统设计

图2 智能家居网关软件系统总体结构Fig.2 overall software system architecture of smart home gateway

智能家居网关软件系统总体结构框图如图2所示. 智能家居网关采用linux系统作为整个网关的操作系统.下面简述各个相关部分的设计思想.

接口总线驱动在内核中实现, 需要根据操作系统内核机制编程. 目前大部分接口总线在各种操作系统里面已经存在, 只是需要对新型总线需要进行开发. 在LINUX中, 此驱动模块按照内核模块编程, 可以很好的动态装卸. 某些基于通用接口的临时总线的驱动可以通过I/O接口将数据提取到应用层处理, 但是难以保证实时性.

智能家居标准协议的处理是网关的核心内容, 不同的标准在自动发现, 设备互联, 信息共享等方面都有自己的定义和独特的消息格式, 并且在不断升级之中, 因此, 这些协议处理模块需要具有灵活的动态装卸特性. 为了配合自适应和自动升级要求, 该模块具有动态加载、动态卸载、动态替换等特性. 各个智能家庭网关出厂时配臵了一些标准的协议处理模块, 但是在用户使用过程中, 会根据用户家电设备的具体情况, 自动升级为需要的处理模块.

为了适应不同的智能家居标准协议处理模块, 本网关设计了一个统一的抽象的智能设备管理模块, 他们根据各个不同的智能家居标准协议获取的智能家电信息, 把这些家电信息统一标识为本网关内部设备表示, 这样便于网关统一管理全部家电设备, 并在不同标准中实现互联互通.

智能设备管理对各种家电设备进行抽象, 提供统一信息和操作接口, 这些接口实际上的实现是该设备所在标准协议模块提供的方法; 此外, 它还提供一个配臵接口, 根据家电设备的类型和服务能力, 供web服务器访问其服务能力, 供用户查看和配臵实用.

自动实现协议模块升级, 是实现本网关自适应的保证. 要保证此功能, 需要做如下几个方面的工作:

1)设备自动发现, 根据有关协议, 设备芯片需要实现自动报告功能, 如homepnp, 网关可以在本设备内或者指定的服务器上找到它所需要的协议处理模块, 然后自动处理它的信息.

2)自动升级管理模块能够定时检查协议处理模块的适用性; 对于长时间处于非工作状态的协议处理模块,自动删除它; 而对于具有新版本的协议处理模块则自动升级.

3)本网关支持通过配臵人工升级管理协议处理模块.

基于web的配臵系统可以实现对智能家居网关的配臵、查看智能家居工作状态、控制智能家居设备工作、对访问用户进行认证等工作. 其中重点是查看家电工作状态和控制家电设备工作. 为了实现对家电设备的检查和控制, 我们在设备管理模块提供接口, 让配臵系统能够了解设备的服务能力和类型, 从而选择一个合适的、和设备类型匹配的图形化操作界面供用户操控, 这样更具有友好的用户界面, 便于使用.

5 总结

总之, 目前智能家居行业标准日趋成熟, 应用逐步扩展; 但多个标准长期存在的可能性仍在, 而一个家庭内智能家电种类繁多, 很难实现所有的家用电器满足某个解决方案的行业标准, 这导致了智能家电产业的推动缓慢. 因此, 本文研究了一种具有自适应的高效智能家居网关, 让不同标准的智能家电互联互通, 促进智能家居产业健康快速发展.

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Research on efficient and adaptive gateway of smart home

ZHENG Jun-hui1, WANG Yan2
(1. School of Computer Science and Technology, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.; 2. Department of Computer Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, P.R.C.)

There are various technical standards in the interconnect control systems of smart home. To achieve adaptive electric appliance control technology, scientific and reasonable design is needed for the features of smart home industry. Therefore, according to the current development of smart home, a kind of smart home gateway whose object is adaptability and ease of use is proposed. There are two important technologies in this gateway design: a new convenient bus design technology and a number of adaptive design technologies in smart home gateway.

smart home; gateway; adaptive; route

TP273+.5

A

1003-4271(2014)04-0537-04

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.13

2014-05-12

郑俊辉(1977-), 男, 汉族, 河南漯河人, 讲师, 博士研究生,研究方向:网络与通信, 传感器网络.E-mail:zheng208208@163.com.

国家自然科学基金资助项目(61103208); 西南民族大学中央高校专项资金资助项目(12NZYTD15); 四川省科技厅资助项目(2014GZ0006); 中国博士后科学基金(2014M552343).