基于Rasberry的多控制网络智能家居系统设计与实现

廖非凡

摘要：智能家居网关是各类传感设备和控制设备与外网互联的关键设备，多数智能家居采用了射频芯片、Zigbee芯片或wifi芯片，如何将现有的控制网络进行互联，以兼容各类设备终端，本文提出了一种集成多种协议的智能网关设计，通过协议转换，实现异构网络互联，从而构建一个基于物联网的智能家居系统，具有较好的应用前景。

关键词：智能家居 物联网 智能网关

中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0163-02

智能家居是利用利用综合布线技术、通信技术及自动控制技术等有关技术实现家居与网络的连结，为用户提供智能化、人性化的控制界面，实时掌握家居设备状态，从而提高生活品质。大多数智能家居网关方案采用高性能嵌入式设备作为其基础技术平台，通过网页服务器为用户提供控制界面，能实现简单的开关量控制，但很难满足日益增长的海量数据存储、美观便捷的控制界面等要求，在隐私保护、信息安全等方面存在隐患。由于智能家居标准还处于不成熟状态，市面上大多数产品选用了串口、射频、Zigbee、Wifi、蓝牙等不同的互联芯片，造成了网关设计的困难，因此，本文试图提出一种能兼容上述多种芯片，支持多协议转换的智能家居网关方案，为用户提供统一的应用接口。

1 智能家居控制网络分类

智能家居所涉及的设备主要分为两类，一是采集各种环境参数的传感器，二是对设备施加某种控制的控制器。而将这些设备联接构成统一网络的核心是各类联网芯片与协议，目前，主流的控制网络有串口总线、RF射频、Zigbee网络、Wifi网络和蓝牙网络等几类，它们在智能家居系统都有着各自不同的优缺点。

1.1 串口总线网络

串口总线是最传统的控制网络，利用主机平台的串口，可以将多个设备串联至总线上，从而避免了信息的泄漏，但因其需要布线且联网设备数量的限制，不适合大量设备的控制。但就智能家居应用场合而言，联网设备数量有限，因而，串口总线控制网络不失为一种经济传统型方案。

1.2 RF射频控制网络

RF射频控制网络本质上是一个星形网络，控制主机处于核心地位，通过免费频段315/433MHz以调幅方式向周边设备发出控制数据，发射端一般采用2262编码芯片，设备接收端采用2272解码芯片配套使用。这种网络组网简单，编码资源丰富等特点，但其无线信号易遭重放攻击，因而仅限于小范围使用。

1.3 Zigbee网络

Zigbee是一种低功耗的传输技术，智能硬件在不需要任何有线电源充电的前提下就可以长时间待机。一块普通的纽扣电池或碱性电池可供续航超过3个月甚至更久。正式基于这个优势，让所有的智能硬件在安装上更灵活，不必受限于插座位置。

1.4 Wifi网络

WiFi网络是一种短程无线传输技术，能够在数百米范围内支持互联网接入的无线电信号。它的最大特点就是方便人们随时随地接入互联网。随着Wifi物联网芯片的发展，其在智能插座、安防监控等产品上应用广泛。但对于智能家居设备来说，也面临功耗高、组网能力差、安全性低等突出缺点，在智能家居的应用中只是起到辅助补充的作用。

1.5 蓝牙网络

蓝牙是一种支持设备短距离无线通信技术，在智能家居系统中主要用于设备之间进行信息交互，以传递设备的状态数据。但这种技术通讯距离短，属于点对点通讯方式，对组网能力和抗干扰能力不够，只适合背景音乐推送、健康数据采集等场景。

1.6 系统架构设计

典型的智能家居控制系统，要求可以通过手机或者便捷计算机控制，操作尽量简单快捷。系统主要分为四大模块，即手机终端模块，服务主机模块，控制网络模块和家居设备模块，其中控制网络模块集成了串口、射频、蓝牙、Wifi以及有线网络等控制网络，使得其具有良好的兼容性。通过软件编程，形成了感知和控制两条通路，手机发送控制数据给主机服务器，由主机以某种控制网络的方式发给家居设备，设备执行控制动作，改变设备状态，其状态参数经由反向路径传回，改变用户界面显示。

2 硬件设计

2.1 基础硬件平台

智能家居网关主控平台的性能对于数据的采集与分发十分重要，是承载各协议控制芯片和软件服务的载体。因此，本网关采用了性能强大的Rasberry作为其基础硬件平台，该平台采用了BCM2837 1.2GHz四核处理器，配备1GB RAM和VideoCore IV GPU，本身具备以太网、HDMI和显示接口，具有4个USB接口，利用USB转串口芯片，能方便扩充为串口控制设备，能够接入蓝牙、Zigbee、Wifi控制芯片。此外，该平台还具备数量众多的GPIO接口，对于开关量的控制十分方便。

2.2 控制网络集成

系统主要集成了串口总线网络、RF射频控制网络、Zigbee网络、Wifi网络。串口总线网络采用自定义协议，通过系统提供串口服务，能够十分方面接入各类总线控制设备；RF射频控制网络采用了NRF24L01芯片，该芯片集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，能够利用SPI接口与平台互联，此外该芯片具备自动重发功能，自动检测和重发丢失的数据包，可靠性高；ZigBee模块采用了CC2430，模块由CC2430器件和相关外围电路构成，由于CC2430内部集成有无线收发器和805l内核，可以简化电路设计；Wifi控制网络芯片采用了BCM4390，该芯片符合IEEE 802.11b/g/n标准，在单一芯片集成了PA和LNA2.4GHZ RF收发器、通用异步收发器（UART）等，在应用处理器中灵活实现了实时操作系统（RTOS）、网络协议栈，为低功耗、高性能、互操作性强的无线连接功能奠定了基础；蓝牙网络方面集成BlueNRG处理器芯片，内置专用射频接口、处理器和蓝牙固件，支持蓝牙4.0标准。

3 软件设计

利用软件工程思想，本系统设计采取模块化设计，各功能程序分别编写和调试，各模块调试成功后，再将所在模块连接起来，构成系统的软件，这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于编程、调试、维护及协作。系统软件部分主要包括以下两部分：（1）主机服务器软件设计；（2）客户端软件设计。

3.1 服务器端软件

系统将能够处理的指令分状态感知和控制两类，分别提供了三种服务软件（如表1），利用状态感知服务接口，通过串口、蓝牙、Zigbee、Wifi等守护进程，实现对温度、湿度、空气质量、风雨、煤气浓度等参数的采集；通过SOCKET服务接口可接收内外网客户端直接下达的控制指令，并将控制指令转化为各类控制参数，经由串口、蓝牙、Wifi等接口发出；WEB服务接口为移动或固定客户端提供人性化操作界面，并能够实时展现联网设备状态参数，实现控制逻辑的组合，从而增强用户友好性。系统采用轻量型Web服务器Raspkate作为其服务端，该服务端提供了标准的静态文件访问和RESTful API两种控制方式，因而可以依据控制功能的不同，依据类型定义注册不同的控制处理程序，从而实现对底层硬件与网络的控制。

3.2 客户端软件

客户端软件的载体分为手机和计算机两类，其功能主要是为用户提供家居设备参数图形化展示与控制接口。为实现一次开发，多平台公用的设计目标，客户端采用成熟的响应时布局，能够动态适应客户端屏幕，以极小的数据传输获取更多的信息。通过将设备进行分组和控制UI定向设计，用户能够十分方便的查看各类智能家居设备的状态，并能以图形化方式设置控制参数，下达控制指令。

4 结语

本文设计了一种利用多种控制网络的智能家居系统，详细介绍了系统的整体架构，给出了几种重要的硬件装置和服务器软件的实现方法，并用具体应用实例验证了系统的功能。与其它智能家居系统不同，本系统不仅可以实现家居内电气设备之间的互联互通，还可以将整个家居系统连接至互联网，实现家居与社区之间以及家居与互联网之间的信息共享，真正实现一个物物相连的智能家居网络。