基于物联网技术的智能家居网关系统设计研究

2018-01-10程全

物联网技术 2017年12期

关键词：物联网技术网关智能家居

程全

摘要：智能家居是物联网技术应用的热点领域，对提高人们家居生活的质量及舒适性起到十分重要的作用。文中对基于物联网技术的智能家居网关系统设计展开了研究，在分析其系统构架的基础上，详细介绍了系统硬件及软件结构的设计思路，为有关需要提供参考。

关键词：物联网技术；智能家居；网关；ZigBee

中图分类号：TP391；TN915 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-02

0 引言

近年来，物联网技术得到了迅猛发展，并在社会各个领域得到了推广应用。应用物联网技术能够有效构建智能化的家居环境，提高家居生活的便捷性及舒适性。在智能家居系统中，网关系统是实现互联网终端与智能家居系统通信，从而有效控制家用电器设备的重要系统，对其设计展开研究具有十分重要的意义。

1 系统结构分析

1.1 系统的总体结构设计

随着技术的发展，智能家居系统呈现出多元化的结构设计趋势。一般来说，最典型、普遍的总体结构包括应用服务层、感知控制层以及网络通信层。从该类型的系统构架内容看，其主要连接包括终端节点、服务器、智能家居网关以及客户端，具体形式如图1所示。

终端节点是智能家居系统中的重要组成部分，处于智能家居系统的底層，归属于感知控制层。终端节点主要以ZigBee网络为桥梁，控制信息的采集与传输，从而获取家居环境中的各类信息，并进行相应家电设备的调节。其次，网关是一个家庭中内网组件的核心，同时也是控制管理功能实现的核心，处于系统的中间层，是智能家居系统中的重要枢纽，连接关系网中的终端节点以及手机客户端。此外，智能家居系统中的服务器作为信息数据传输的重要媒介，主要负责远程数据的传输，完成网关以及客户端之间的数据交互。该部分处于系统结构的中间层，属于网络通信部分。最后，客户端作为发出命令的主要设备，是智能家居系统中的顶层部分，也是应用服务结构的层级部分，主要实现相关命令的发出以及信息数据的接收。

1.2 智能家居网关设计

典型的智能家居系统中，网关作为重要基础，其系统通常使用32位的嵌入式ARM处理器（Cortex-M3），并将其作为主控制器的芯片。与此同时，除该部分外，其余结构通常包括ZigBee协调器模块、WiFi通信模块、网络接口模块和按键以及存储器模块等。一般来说，嵌入式ARM处理器位于系统的硬件结构中心，承担着整个智能家居网关的数据计算任务，具体结构如图2所示。

2 智能家居系统硬件设计

从上文的系统结构分析可知，智能家居网关系统通过借鉴模块化设计思路完成了各结构部分的协调处理。其中，ZigBee作为系统的节点网络中心，对于整个系统的运作效率具有至关重要的作用，因此，对ZigBee协调器作进一步的重点分析十分必要。

在一个普通的ZigBee网络中，协调器是关系系统运作的中心，主要承担网络组建、网络管理以及网络其他配置等责任，以集成的方式处于网关中心。从ZigBee的应用优势方面观察可知，其凭借成本费用低、功耗水平低以及网络容量大、通信稳定性强等优势得到了广泛应用，且其较高的可靠性水平，对于智能家居的系统内网组建具有明显优势。

LED灯的主要功能在于显示ZigBee网络的实时状态。具体来说，只要智能家居系统通电，ZigBee协调器就可进入网络组建状态，在该状态下，LED灯通常表现为等频闪烁；所有网络组建完毕后，LED灯为常亮状态。

3 智能家居系统软件结构设计

软件是智能家居系统中又一重要部分，在典型的智能家居系统中，通常使用Open Wrt操作系统完成用户相应的应用程序设计，如图3所示。智能家居网关软件的主要设计过程为：首先，通过近程控制任务完成本地服务器的创建，在此基础上，进行客户端和网关之间的近程数据交换，在数据交换时，完成本地通信事件的处理；其次，远程控制任务部分主要以Internet为载体与外部服务器相连，从而完成与外部服务器的数据交互，进行通信数据的处理与接收。此外，家居内网的监测任务核心在于ZigBee，在该网络环境下，实现用户所需的远程以及近程数据信息交互，并根据监测结果进行家居内部事件的及时控制与处理。

3.1 本地服务器的创建

在智能家居系统的设计过程中，本地服务器的创建是重要基础。随着技术的完善与稳定，已形成一套行之有效的流程，主要包括以下几点：

（1）创建TCP协议套接口，并在此基础上，清零相应服务器的地址结构；

（2）确认本地服务器的具体地址并设定；

（3）创建相关套接字，完成监听指示端口号的设置；

（4）完成上述步骤后，进行本地监听的长度设置；

（5）实现本地信息的监听功能。

为加快本地服务器的相关创建，通常将IP地址用作本地服务器检测的IP地址，即“192.168.255.24”，与此同时，检测端口号通常设置为19770，监听长度通常设为10。

3.2 智能家居网关远程通信设计

智能家居网关的远程通信功能是完成外部数据与外部服务器数据信息交互的重要手段。系统网关在消息订阅基础上，由外部服务器接收，同时也可以发布消息的形式在外部服务器上进行数据上传。若将服务器的地址/域名设置为192.168.0.66，将其端口号设置为8000，其用户名以及密码设置成Users，其主题设置为terminal，则此时智能家居系统中的网关向服务器发送的消息订阅格式即为mosquitto_sub-h192.168.0.66-p8000-uUsers-PUsers-tterminal，而智能家居网关向服务器发布消息的格式则为mosquitto_pub-h192.168.0.66-p8000-tterminal–m。endprint

3.3 家居网关的ZigBee网络设计

家居网关中ZigBee网络设计的主要功能为网络管理，在感知ZigBee终端传感设备状态的基础上，对其属性标准进行智能判断，并做出处理决策。此外，网关以获取网络信息为主要途径辨别终端设备的相关特征数据，进而达到提升系统控制准确性的目的，同时也将有助于保证系统运行的可靠性。

4 系统调试

智能家居演示平台系统的常规模拟功能可完成系统的调试任务，一般来说，演示平台包括网关、ZigBee、电灯以及网络接口等设备都将得到控制与调试，具体见表1所列。平台将在无外网连接状态下，通过客户端完成相关设备的近程调控调试；在连接外网的状态下进行远程调试。

4.1 近程控制测试

在上述演示平臺的基础上，以电灯为例进行测试，具体步骤如下：

（1）启动客户端“Smart Home”，登录，在“房间列表”界面点击“客厅”；

（2）在灯光控制界面点击“调光灯”“卧室灯”的相关开启按键，完成控制，若电灯成功点亮，则功能正常。

4.2 远程控制测试

在上述演示平台的基础上，以WiFi插座为例进行测试，具体步骤如下：

（1）选择远程控制输入框，并输入“SERVER-TALK：WIFI@MAC：02：0a：f7：00：00：01@SWITCH：1@#”，点击 “Send”按钮，完成开启命令的发送；

（2）平台接收命令，控制插座指示灯，并完成开启，由此证明该功能正常。