基于IEEE 802.15.4e的智能家居家電控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

陳 剛，付 蔚，羅志勇

（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶 400065）

智能家居（Smart Home）是以各種家電設(shè)備為基礎(chǔ)平臺，綜合網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化等技術(shù)，將系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理集成為一體的高效、安全、環(huán)保、便捷的人居環(huán)境[1]。隨著“物聯(lián)網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能家用電器設(shè)備的飛速發(fā)展，越來越多的家庭追求更加便捷的家居生活方式，實現(xiàn)電器互聯(lián)互通，通過家電控制器、家庭網(wǎng)關(guān)將家電連接到廣域網(wǎng)（Internet、3G網(wǎng)絡(luò)等），從而實現(xiàn)隨時隨地的遠(yuǎn)程控制[2]。普通家電比如電磁爐、電飯煲、電風(fēng)扇沒有設(shè)計可以遠(yuǎn)程控制的通信接口[3]，使家庭用戶不能通過手機、PDA、網(wǎng)頁瀏覽等方式控制此類電器。家電遙控器幾乎都采用紅外線傳輸技術(shù)，紅外線對非透明物體的透過性較差，導(dǎo)致傳輸距離受限制，使遠(yuǎn)程遙控家電的設(shè)想不能單獨通過紅外線技術(shù)實現(xiàn)。

1 家電控制系統(tǒng)改進

1.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

家電控制報文通過TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)格式傳輸，傳到本地智能家居家電控制WSN網(wǎng)絡(luò)，通過家庭無線網(wǎng)關(guān)，將信息發(fā)給家電控制終端，家電控制終端解析命令報文，對家電進行相應(yīng)控制。

1.2 身份識別、信息加密技術(shù)

為了防止非法用戶惡意操控家庭中的家電設(shè)備，給家庭用戶帶來人身傷害和財產(chǎn)損失，需要對用戶的身份進行識別，并對用戶進行權(quán)限管理，防止非專業(yè)人員改動網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)后，造成通信失敗，使家電控制系統(tǒng)不能有效、有序的工作。對信息進行加密可采用對稱加密、非對稱加密等技術(shù)，可應(yīng)用在家電控制系統(tǒng)中的身份認(rèn)證、數(shù)字簽名等信息交換場合。

1.3 遠(yuǎn)程控制（手機、PDA、網(wǎng)頁訪問）

隨著數(shù)字化家用電器的快速發(fā)展，特別是32位ARM微控制器在眾多領(lǐng)域的出色應(yīng)用，通過基于Linux的嵌入式技術(shù)，采用完善的TCP/IP協(xié)議可以輕松實現(xiàn)家電控制系統(tǒng)接入Internet和3G無線網(wǎng)絡(luò)，輕松實現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程監(jiān)控[4]。在基于Android系統(tǒng)的手機、PDA上開發(fā)家電控制軟件，對家庭中的家電進行遠(yuǎn)程移動控制。通過對外發(fā)布的網(wǎng)站，可允許合法人員對家電進行情景模式設(shè)定等操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

如圖1所示，家庭用戶可以通過接入Internet的筆記本式計算機、PDA、智能手機訪問家庭中的家電控制系統(tǒng)。小區(qū)服務(wù)器存儲著家電控制系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息，并對訪問家電控制系統(tǒng)的用戶進行身份驗證和歷史狀態(tài)日志查詢。小區(qū)服務(wù)器將合法用戶的控制、查詢等信息發(fā)給智能家居無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，智能家居無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解析數(shù)據(jù)信息后，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)給對應(yīng)地址的家電控制終端。家電控制終端包括紅外家電控制器和智能插座。

2.2 WSN協(xié)議:IEEE 802.15.4e

為了能在家庭內(nèi)部構(gòu)建動態(tài)組網(wǎng)、運行穩(wěn)定、低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)的WSN網(wǎng)絡(luò)，采用基于IEEE 802.15.4e協(xié)議進行WSN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。IEEE 802.15.4e設(shè)備工作在2.4 GHz頻段，具有近距離、低功耗、低成本的特點，采用自組織方式組網(wǎng)，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量沒有限制，新添加的設(shè)備節(jié)點會被網(wǎng)絡(luò)自動發(fā)現(xiàn)，提升了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 智能插座硬件設(shè)計

對居民普通插座進行改造，通過固態(tài)繼電器來控制220 V交流市電的通斷。微控制器與無線通信模塊通信，解析家電控制信息，從而實現(xiàn)智能插座的無線、遠(yuǎn)程控制。智能插座結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3.2 紅外家電控制器硬件設(shè)計

紅外家電控制器可以模擬遙控板發(fā)送彩電、空調(diào)、DVD等家電的紅外控制信號，通過觸摸屏可以方便家庭用戶學(xué)習(xí)電器的紅外信號，并將與家電配套遙控板的紅外信號存儲在紅外家電控制器中。紅外家電控制器采用基于ARM11內(nèi)核的S3C6410處理器。通過WSN模塊收發(fā)智能家居WSN網(wǎng)絡(luò)的家電控制信息，處理后控制相應(yīng)的家電。同時，通過驅(qū)動USB接口的3G上網(wǎng)卡，接入3G網(wǎng)絡(luò)。紅外家電控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 軟件設(shè)計

2.4.1 通信報文幀格式定義

為了使網(wǎng)絡(luò)有序通信，制定的網(wǎng)絡(luò)通信報文幀應(yīng)符合簡潔和系統(tǒng)擴展性的要求。具體通信報文幀格式（16進制表示）如表1所示。

表1 家電控制系統(tǒng)報文幀格式

1）報頭：固定為0x66，0xAD兩字節(jié)，表示一個報文幀的開始。

2）數(shù)據(jù)長度：從報頭段0x66開始到數(shù)據(jù)段最后一個字節(jié)的總長度。

3）路由地址：根據(jù)部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的位置，選擇鏈路質(zhì)量最好的路由節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。

4）設(shè)備類型：表示家居設(shè)備的種類，為了與智能家居環(huán)境監(jiān)測、安防報警、能耗監(jiān)測等系統(tǒng)設(shè)備相區(qū)別，固定為0xF4。

5）子設(shè)備號：為家電控制系統(tǒng)里的設(shè)備分配的唯一地址，可通過設(shè)備類型段和子設(shè)備號兩個字段唯一標(biāo)識某個家電設(shè)備，便于控制信息的有效送達(dá)。子設(shè)備號地址有效范圍可達(dá)：216-1=65 535。

6）命令/響應(yīng)：裝載家電控制命令，家電控制響應(yīng)的報文段。

2.4.2 家電特性XML規(guī)范

為了準(zhǔn)確描述加入家電控制系統(tǒng)的家電具有的特性，支持哪些操作，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的文件存儲格式，便于解析和文件共享。XML是一種元標(biāo)記語言，具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)存儲格式、可擴展性、高度結(jié)構(gòu)化等特點[5]。在定義家電特性XML規(guī)范之前，可以通過DTD（Document Type Definition，即文檔類型定義）來保證XML文檔中出現(xiàn)的元素和標(biāo)簽是否使用正確。

DTD文件說明，通過文檔類型定義便于顯示XML文檔的類結(jié)構(gòu)，指定了家電特性XML規(guī)范可用的組件。元素聲明指定了元素的名稱以及它包含的內(nèi)容模板。DTD文件定義了一個根元素＜!ELEMENT ApplianceAttribute（ApplianceAttributeName， ApplianceAttributeTable， ActionTable,EventTable）＞，ApplianceAttribute包含設(shè)備屬性名稱（ApplianceAttributeName）、設(shè)備號（ApplianceAttributeID）、設(shè)備屬性表（ApplianceAttributeTable）、操作及動作表（ActionTable）、事件列表（EventTable）等子元素。這5個子元素的順序是不能顛倒的，具有唯一和不能重復(fù)的屬性。其中，設(shè)備號可在全球范圍內(nèi)唯一地、無二義性地標(biāo)識一個家電。設(shè)備屬性表包含家電生產(chǎn)廠家的詳細(xì)信息，如廠家名稱、廠家地址、廠家注冊編號等。操作及動作表包含家電支持的用戶操作，如開啟/關(guān)閉、調(diào)節(jié)溫度、選臺、模式設(shè)定等。

2.4.3 紅外家電控制器軟件開發(fā)

紅外家電控制器基于Fedora 9.0操作系統(tǒng)和Qtopia圖形用戶界面接口進行設(shè)計。通過在Fedora 9.0平臺上交叉編譯紅外家電控制的Qtopia工程文件，獲得可以運行在ARM11平臺上的HomeAppliance可執(zhí)行文件，并將其拷貝到紅外家電控制器opt/Qtopia/bin/目錄下。然后編寫HomeAppliance.desktop文件和設(shè)計HomeAppliance.png的程序圖標(biāo)。分別將Home Appliance.desktop文件拷貝到/opt/Qtopia/apps/Applications/目錄，將 HomeAppliance.png文件拷貝到/opt/Qtopia/pics/目錄。完成后重啟紅外家電控制器，可在Applications程序組里單擊HomeAppliance啟動圖標(biāo)啟動家電控制程序。由于Qtopia包含豐富的XML接口，數(shù)據(jù)訪問便捷，所以將紅外學(xué)習(xí)編碼保存到XML格式文件中。通過配置Linux FTP實現(xiàn)向服務(wù)器端上傳、下載紅外控制編碼。紅外家電控制器功能模塊劃分如表2所示[6]。

表2 紅外家電控制器功能模塊劃分表

2.4.4 小區(qū)服務(wù)器

服務(wù)器提供家電控制系統(tǒng)用戶密碼驗證、操作權(quán)限匹配、服務(wù)集成、設(shè)備適配、附加密鑰和工作日志管理等服務(wù)，能夠?qū)χ匾畔⑦M行MD5加密。

2.4.5 手機、PDA和網(wǎng)頁控制方式

如圖4～圖7所示，為便于家庭用戶操作家電，開發(fā)了基于Android操作系統(tǒng)的智能手機、PDA的家電控制軟件[7]和基于J2EE架構(gòu)的網(wǎng)站。通過家電控制軟件和網(wǎng)站可以接入智能家居網(wǎng)絡(luò)，對空調(diào)、電視、電燈、風(fēng)扇等進行便捷控制。

3 結(jié)束語

本文基于IEEE 802.15.4e無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并實現(xiàn)了智能家居家電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的智能手機和網(wǎng)頁訪問兩種便捷控制方式，可對空調(diào)、彩電、電扇等家電進行無線、遠(yuǎn)程控制。通過該系統(tǒng)提供的通信接口實現(xiàn)了與家居中其他WSN子系統(tǒng)（如環(huán)境監(jiān)測、安防報警）的網(wǎng)絡(luò)互連和情景模式控制。通過實際運行，驗證了該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作便捷，達(dá)到了家電控制實時暢通的目的。

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[1]張毅，馬鈞元，楊校權(quán).基于Cortex和ZigBee的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2012，36（1）：56-57.

[2]HAN Ming，MIAO Changyun.The design of intelligent household system based on wireless communications[C]//Proc.2011 International Symposium on Computer Science and Society.[S.l.]：IEEE Press，2011：206-208.

[3]SANUDIN R，MUN Y T，SUHAIMIZAN W.Wireless appliance control system[C]//Proc.2009 Conference on Innovative Technologies in Intelligent Systems and Industrial Applications.[S.l.]：IEEE Press，2009：476-478.

[4]YANG Xiang，WANG Huihong.The design and implement of embedded M2M smart home system[C]//Proc.2011 IEEE 3rd International Conference.Xi'an：IEEE Press，2011：135-136.

[5]張月雷.航空維修IETM關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用框架設(shè)計[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007：33-34.

[6]彭華.信息家電萬能遙控器的研究與設(shè)計[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，29（1）：43-44.

[7]汪宇，呂衛(wèi)，楊博菲，等.基于Android平臺的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2012，36（2）：36-37.