关于openHAB智能网关的技术研究

钟良骥，桂学勤，厉阳春，赵君喆

(湖北科技学院 计算机科学与技术学院，湖北 咸宁 437100)

“智能家居”，利用计算机技术、嵌入式技术、网络通讯技术和传感器技术等，将家庭中各种设备(照明系统、环境控制系统、安防系统、智能家电等)有机的连接到一起。智能家居让用户方便的控制电器设备，根据场景设定设备的工作模式，使设备采用互通方式进行管理。

目前，国内智能家居产品基于有线或集中通信方式，系统成本高，部署周期长，维护不方便，较难适应当前的发展形式。随着人们生活水平的提高，对智能家居系统的要求也不断提高，如何实现家庭设备网络化无线管理，是智能系统的首要问题。本文基于pcduino开发板，搭建openhab服务器，实现网络化、简单、方便的电气设备控制系统。

一、网关总体设计

中控系统主要包括Cortex A8处理器的 pcduino开发板(家庭网关)、 Zigbee协调器、WiFi模块、Zigbee节点设备(如门磁开关、灯光继电器、红外探测器、烟雾传感器等)，结构如图1所示。在A8中移植openhab服务器，作为网关，负责设备的管理以及远程监控。设备通信采用Zigbee无线传感网络，因此网关需要保存通信数据，并对Zigbee无线传感网络进行数据处理。 网关上的Zigbee协调器，负责Zigbee内部网络的设备管理与控制。WiFi模块访问无线路由器，完成与以太网的连接， 实现内部网络与Internet的通信。

图1 系统示意图

二、网关硬件设计

网关硬件有处理器A8模块，Zigbee模块，以太网模块，IDE接口模块，USB接口模块，NAND FLASH模块，I/O模块，JTAG模块，串口调试模块等。其中，Zigbee模块用来连接内部智能家居网络；以太网模块用来连入Internet；IDE 接口模块用来接IDE硬盘，USB主接口用来接即插即用USB设备，如 U盘、USB摄像头等，SD卡模块用来外接SD卡，NAND FLASH模块为系统提供FLASH存储空间；USB从接口模块传输速率远大于串口和JTAG接口，可以用来下载大容量的固件程序或数据；串口模块用作系统辅助调试；JTAG模块用来下载小容量的固件程序以及在线调试；I/O模块用作系统控制台，提供人机接口。

1.处理器模块

处理器是嵌入式网关的核心，为达到较高的性能，采用pcduino开发板：内置32位RISC指令集，采用ARM Cortex A8内核，主频1GHz、内存1GB；扩展接口有2.54mm Headers兼容Arduino；具有以太网RJ45接口，可扩展 USB WiFi；支持Ubuntu或者Android4.0两种操作系统；内置大量API，包括UART、ADC、PWM、GPIO、I2C等；并支持C, C++with GNU tool chain和Java with standard Android SDK等编程语言。

图2 网关

2.Zigbee组网模块

系统采用Zigbee无线通信技术，组建设备的星形网络。网关内置一个Zigbee模块，作为网络协调器，负责各子传感器节点的通信管理、动态组网与数据传输。Zigbee终端节点，主要包括家庭内部网络中的门磁开关、红外对射探测器、玻璃破碎探测器、火灾探测器以及烟感和燃气泄露探测器等。方案中，Zigbee采用的芯片是DRF1605H，是一款低成本、低功耗、宽电压、工作频率2.4GHz、基于IEEE 802.15.4协议开发，支持Zigbee 2007 Pro 协议栈，可应用在LED 路灯、办公场所及家庭、工业等无线控制及无线数据传输领域。

3.WiFi通信模块

WiFi模块负责网关的Internet连接，采用USR-WIFI232-L芯片。该芯片集成了MAC，基频芯片，射频收发单元，以及功率放大器；嵌入式的固件支持WiFi协议及配置，以及组网的TCP/IP协议栈。通过该芯片，传统低速串口设备，均可以方便的接入WiFi无线网络，从而实现互联网络控制与管理；其次，该芯片针对低流量、低频率的网络数据传输有很大优势；此外，该芯片集成了所有WiFi的功能，模块尺寸小，采用表贴封装，可内嵌在产品的硬件PCB单板电路上，并配备内置天线、外置天线连接器，以及一个板载接口。

三、软件平台设计

网关基于ubuntu操作系统，软件部署的主要步骤包括：系统裁剪与编译、java交叉编译环境配置、openhab服务器的安装和部署。

1.系统移植

按照传统的开发方法，需要下载交叉编译器，设置环境变量等问题。在pcduino上搭建步骤如下：

(1)安装ubuntu系统；

(2)更新系统：sudo apt-get upgrade # ；

(3)安装交叉编译器，设置编译环境：sudo apt-get install g++-arm-linux-guneabihf #；

其次，构建pcDuino系统所有的源码都在https://github.com/pcduino/kernel里面，需要安装git，然后下载相关源码。

(4)下载、安装git工具：sudo apt-get install git-core #；

(5)下载源码，大概有2G左右，执行：git clone https://github.com/pcduino/kernel.git #；

(6)内核源码在linux-sunxi目录下，执行：make mrproper；

(7)Linux内核源码的图像化界面基于ncurses库，需要安装该库，执行命令：

sudo apt-get install libncurses5-dev；

(8)安装结束后，切换到/home/pillar/WORK/kernel/build/sun4i_defconfig-linux/下

“make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm menuconfig”，可以看到Linux内核配置界面了，如图3，配置完成后保存退出。

图3 内核配置界面

2.java环境的交叉编译

在pcduino上安装java环境，需要下载java的安装文件，它有专门针对arm芯片的版本(下载地址：http://www.oracle.com/technetwor ... s/javase/index.html)。这里有好几个文件，注意是要下这个才行：ejre-7u10-fcs-b18-linux-arm-vfp-client_headful-28_nov_2012.tar.gz。

第一步：解压，命令如下：tar -zxvf ejre*.tar.gz。

改变权限：chown -R root:root ./ejre1.7.0_10

创建一个新的目录：mkdir -p /usr/lib/jvm/，这个目录是java的虚拟机的位置。

把解压的文件拷贝进去：mv ejre1.7.0_10/ /usr/lib/jvm/

第二步：安装arm支持，执行：sudo apt-get install -y libc6-armel libsfgcc1

第三步：安装后续支持包。首先下载下来，地址如图4：

图4 下载地址

然后，把这些文件下载到一个目录中，cd到这个目录，安装后，执行：sudo dpkg --unpack --force-architecture lib*

第四步：拷贝tools.jar文件，在http://processing.org/download/ 下载一个processing-2.0b7-linux32，然后找到里面processing-2.0b7javalib ools.jar文件，把这个文件拷贝到java_home/lib中。执行命令：sudo cp java/lib/tools.jar /usr/lib/jvm/ejre1.7.0_10/lib/

第五步：设置环境变量在/etc/profile 文件中加入：

JAVA_HOME=export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/ejre1.7.0_10

PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin

CLASSPATH=.:$JAVA_HOME/lib/dt.jar:$JAVA_HOME/lib/tools.jar

export JAVA_HOME

export PATH

export CLASSPATH

第六步：修改java文件为可执行,命令如下：

cd java_home/bin

chmod 777 java

通过上述环境配置，java的编译环境搭建完成，可以通过java程序测试一下。

3.openHAB的安装与配置

openHAB系统，是一个开放的自动化项目，采用纯Java技术方案。Equinox的OSGi与Jetty，一起作为Web服务器运行的核心基础。系统设计完全开放，汇集不同的总线系统，硬件设备、以及接口协议；系统允许用户界面设计，具有独特的外观和感觉，同时具有强大的自动化逻辑处理能力。此外，系统通过协议绑定，实现总线的事件发送、接收命令和状态更新。系统结构示意图如图5。

图5 openHAB系统结构示意图

openHAB采用中间件技术，内置一套建立在传输层以上的协议转换机制，支持数据双向传递(即网关接收到节点发来的监测数据后，预处理形成消息交给消息代理，由消息代理转给管理应用；而管理应用收到用户的设置参数或控制命令后，形成消息传递给消息代理，再由消息代理发给网关节点)。协议转换的中间件，既是消息的提供者，也是消息的使用者。中间层为消息代理，完成消息的路由功能，分别接收管理应用、网关节点发来的消息，然后进行转发，使管理应用与监测网络的网关间实现数据交互。如图6。

底层为多个Zigbee监测网络，负责监测数据的采集与控制。每个Zigbee监测网络有一个网关节点和若干的数据采集节点。监测网络采用星型结构，网关节点作为每个监测网络的基站。网关节点具有双重功能，一是充当网络协调器的角色，负责网络的自动建立和维护、数据汇集；二是作为监测网络与中间层交互的接口，与中间层的消息代理传递消息。

图6 中间件

上层为openhab服务器，作为人机接口，实时显示各个Zigbee监测网络的监测数据;接收用户的各种设置参数和控制命令。

基本流程：外部节点由Zigbee星型网络组成，家中电器开关状态和传感器的控制信息在网络中自由传输，经由协调器传送至openhab服务器的网关，再由网关通过WiFi经无线路由连接到外部以太网，用户可以通过远程用户界面端了解家中电器状态；家庭网关可以通过无线网络对远程用户的控制命令作出判断和响应，从而开启或关闭家中的电器。

关于openHAB安装、配置以及协议绑定的具体操作如下：

(1)用git工具在网站下载系统源码(https://github.com/openhab/openhab)，然后创建一个openHAB文件夹。

(2)下载并安装Yoxos(https://yoxos.eclipsesource.com/downloadlauncher.html)，该软件包含超过2,000 Eclipse插件，Yoxos发射器可以自动下载所有的插件和所需的依赖，能快速部署软件运行环境。

(3)创建java工作环境，选择openhab的项目文件，并导入工作区，选择openHAB文件夹为根目录。

(4)编译运行代码，生成部分的openhab，找到项目“org.openhab.model.codegen”，准备启动该文件。选择“运行-> x产生ABC模型”，按照顺序完成相关操作。其中，在第一个代码生成时，会提示是否下载“ANTLR文件”，选择“Y”。

(5)一般来说，项目文件在编译后，都不会有错误。如果出现错误标记，尝试“清除”有关的项目。

(6)协议绑定，基于设备通信方式，通常绑定串口协议。

四、结语

本文提出无线智能网关的设计和实现方案，采用低功耗pcduino核心板、Zigbee协议作为内网通信方式、TCP/IP协议栈的WiFi模块为网络的数据出口，以openhab服务器为网关，克服了传统网关架构下Zigbee传输速率较低的瓶颈，利用WiFi和Zigbee全网无线无缝连接。系统测试结果是：该系统可靠性高、协议转换效率高，抗干扰能力强，同时具有很好的通用性，适合智能家居、工业控制等领域的技术应用。

参考文献：

[1]彭建，崔更申，陈约林．Zigbee无线网络协议层在Linux系统中的构建[J]．传感器与微系统，2007，26(8):69～71．

[2]胡彧，杨琳．基于自定义家电管理协议的家庭Web网关实现[J]．计算机工程，2009，35(5):271～274．

[3]黄丽莹．骨干无线网状网的排队延迟性能研究[J]．计算机应用，2009，29(8):2 179～2 182．