智能家居通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究

王章弘　陳曦

摘? ?要：可靠、適用的通訊網(wǎng)絡(luò)是智能家居的重要組成環(huán)節(jié)，一個(gè)典型的家居通訊網(wǎng)絡(luò)可以由終端、主網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、客戶端所組成。其中終端采用TI公司推出的具有ZigBee協(xié)議的微處理器CC2530，并構(gòu)成ZigBee局域網(wǎng)，包括節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器;主網(wǎng)關(guān)采用聯(lián)發(fā)科7688硬件+OpenWrt系統(tǒng)，使用中移物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)做服務(wù)器后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。通過溫濕度狀態(tài)顯示以及排插遠(yuǎn)程操作的測試，驗(yàn)證了智能家居通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可行性。

關(guān)鍵詞：智能家居;ZigBee;OpenWrt;服務(wù)器;客戶端

中圖分類號(hào)：TP39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Reliable and applicable communication network is an important part of smart home. A typical home communication network can be composed of terminal，main gateway，server and client.The terminal adopts the ZigBee protocol microprocessor CC2530 launched by TI company，and forms the ZigBee LAN，including nodes，routers and coordinators.The main gateway adopts mediatech 7688 hardware +OpenWrt system，and USES the open platform of China mobile Internet of things as the server background to realize data interaction.The feasibility of the intelligent home communication network architecture is verified through the test of temperature and humidity status display and remote operation of platoon and plug.

Key Words：smarthome;ZigBee;OpenWrt;server;client

伴隨著科技的不斷進(jìn)步，生活水平也在逐漸提高，對(duì)于家庭居住環(huán)境的智能化是人們追求高生活質(zhì)量的展現(xiàn)之一，主流趨勢便是將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)中。通過智能化手段，連接家庭中的電器設(shè)備，是物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代家庭中重要的體現(xiàn)[1]。家居的通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)決定智能家居系統(tǒng)內(nèi)部之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俾?，通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，對(duì)家居設(shè)備的應(yīng)用設(shè)計(jì)有著重要的意義。

1? ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能家居的通信架構(gòu)由終端、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、客戶端組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。終端主要由Zigbee組成的控制通信網(wǎng)絡(luò)，連接著燈、電動(dòng)窗簾、紅外線收發(fā)器等傳輸速率要求不高的設(shè)備，對(duì)于視頻和語音數(shù)據(jù)使用WIFI來傳輸。家居網(wǎng)關(guān)則是數(shù)據(jù)信息相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備，紅外網(wǎng)關(guān)由CC2530設(shè)計(jì)，目前還有很多的家用電器是使用紅外線控制，比如空調(diào)、和電視機(jī)。主網(wǎng)關(guān)有擔(dān)任著家庭主機(jī)的任務(wù)，通過接收終端的數(shù)據(jù)和從服務(wù)器中查找歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理后，實(shí)現(xiàn)智能控制。服務(wù)器是一個(gè)數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器云使用中移物聯(lián)開放平臺(tái)，中移云已經(jīng)提供了設(shè)備管理，比如設(shè)備的查找，安裝，卸載，客戶端則是網(wǎng)頁或者手機(jī)APP，用戶使用瀏覽器讀取服務(wù)器中的數(shù)據(jù)并解析，顯示出家庭設(shè)備環(huán)境參數(shù)。用戶要控制家電，則通過網(wǎng)頁訪問服務(wù)器，服務(wù)器再將控制數(shù)據(jù)發(fā)給家庭網(wǎng)關(guān)，家居網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)發(fā)送給響應(yīng)的設(shè)備，設(shè)備再執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作[2][3]。

2? ?硬件設(shè)計(jì)

2.1? ?CC2530最小系統(tǒng)

CC2530是一個(gè)應(yīng)用于IEEE802.15.4、Zigbee和RFCE4的片上系統(tǒng)解決方案，擁有增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，片上有可編程FLASH，8 kB RAM和許多外設(shè)。終端設(shè)備可以直接運(yùn)用CC2530構(gòu)成應(yīng)用設(shè)計(jì)，而不需要其它MCU，降低了成本。CC2530最小系統(tǒng)可分為時(shí)鐘電路，復(fù)位電路、下載仿真電路、射頻輸入輸出匹配電路[4][5]。

2.2? ?溫濕度檢測

DHT11是數(shù)字式溫濕度傳感器，可以直接連接到CC2530的數(shù)字I/O口。DHT11擁有功耗低，體積小的特點(diǎn)，其內(nèi)部包含電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件。MCU通過單總線協(xié)議來讀取DHT11的數(shù)據(jù)，單總線協(xié)議中一條總線可以掛無數(shù)個(gè)器件，線路簡單。傳感器數(shù)據(jù)接口為開漏輸出，需要加上拉電阻，一般當(dāng)總線連線長度少于20 m時(shí)，上拉電阻取5 k適宜。D數(shù)據(jù)與CC2530的P0.2相連[5][6]。

2.3? ?智能插座

智能插座屬于ZigBee局域網(wǎng)中的終端，每個(gè)插座輸出口通過印制板繼電器觸點(diǎn)的閉合狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)開和關(guān)，或者通過固態(tài)繼電器控制插座口的火線。兩類繼電器控制可以由CC2530的I/O口來實(shí)現(xiàn)，這樣將排插接入了局域網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。一般MCU的I/O口灌拉電流比較小，而繼電器驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)較大，可靠驅(qū)動(dòng)電流值約50 mA，可以在I/O口外接開關(guān)電路，如采用小功率三極管9013以驅(qū)動(dòng)繼電器。對(duì)于印制板繼電器而言，繼電器線圈就是一個(gè)電感，在線圈斷開瞬間，會(huì)有很大的反向電動(dòng)勢，所以在應(yīng)用中繼電器線圈需要并接一個(gè)續(xù)流二極管，即保護(hù)小功率三極管，也可以消除對(duì)電源的干擾。

2.4? ?紅外網(wǎng)關(guān)

很多家用電器是通過紅外遙控器控制的，要想通過手機(jī)遠(yuǎn)程操作，就需要清楚家用電器的紅外編碼指令，這樣才能把從手機(jī)端來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)變成紅外數(shù)據(jù)指令，顯然解碼不同家用電器的遙控紅外指令是必需的。

YIRTX02是一款集紅外編碼和解碼功能為一體的芯片，能夠?qū)W習(xí)上99%的紅外遙控器，內(nèi)部嵌入了MCU，而且已經(jīng)燒入了固件，通過串口和外部通信，電路圖如圖2所示。芯片從紅外接收管接收到紅外數(shù)據(jù)，在芯片內(nèi)部處理之后，通過串口TX端口將處理好的數(shù)據(jù)包發(fā)出。外部MCU發(fā)數(shù)據(jù)協(xié)議包到RX端口，YIRTX02經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，再經(jīng)過紅外編碼，將信號(hào)從紅外發(fā)送器發(fā)出，控制YIRTX02的MCU為CC2530，則可以紅外網(wǎng)關(guān)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)[7]。

2.5? ?主網(wǎng)關(guān)

Linkit Smart 76880 Duo開發(fā)板有TX和RX引腳，直接分別連到Zigbee局域網(wǎng)中協(xié)調(diào)器上的CC2530 的RX和TX硬腳上，這樣主網(wǎng)關(guān)與Zigbee局域網(wǎng)構(gòu)成了有效的數(shù)據(jù)鏈。并且，開發(fā)板上有WIFI收發(fā)電路，可以直接通過WIFI連接到互聯(lián)網(wǎng)，板上有HOST USB接口，可以通過USB攝像頭，采集圖像數(shù)據(jù)。

3? ?軟件設(shè)計(jì)

3.1? ?ZigBee局域網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)

主網(wǎng)關(guān)是整個(gè)智能家居通信架構(gòu)的核心，一方面承擔(dān)著數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)，同時(shí)還具備控制主機(jī)的功能。在局域網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的信息、數(shù)據(jù)都是在主機(jī)中不斷更新和保存，通過協(xié)調(diào)器來連接網(wǎng)關(guān)和各個(gè)設(shè)備，協(xié)調(diào)器作為系統(tǒng)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立和參數(shù)的配置。當(dāng)數(shù)據(jù)來自于節(jié)點(diǎn)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器時(shí)，需要利用協(xié)議簇（Z-stack）來對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行劃分，而當(dāng)數(shù)據(jù)為透傳數(shù)據(jù)時(shí)則不需要進(jìn)行區(qū)分，直接傳給網(wǎng)關(guān)。協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行流程圖如圖3所示，（a）是協(xié)調(diào)器的運(yùn)行流程，（b）是網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行流程。通過協(xié)調(diào)器搭建好局域網(wǎng)后，從每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)獲取設(shè)備信息，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送所有設(shè)備的有關(guān)信息，并初始化系統(tǒng)中的所有設(shè)備列表。接著，兩者便會(huì)不停的進(jìn)行發(fā)送和接收的操作，協(xié)調(diào)器從節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)大致分兩種類型，一種是Z-stack協(xié)議棧的內(nèi)部消息;另一種是節(jié)點(diǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)的透傳數(shù)據(jù)，透傳數(shù)據(jù)指的是從硬件設(shè)備傳送給傳感器等設(shè)備后，需要上傳的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)發(fā)給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)也分兩種，第一種是直接給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù);第二種是透傳發(fā)給終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，它指的是遠(yuǎn)程發(fā)送的指令。當(dāng)收到來自于協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關(guān)將更新設(shè)備列表中的內(nèi)容，同時(shí)上傳有關(guān)數(shù)據(jù)給服務(wù)器。而當(dāng)收到來自于服務(wù)器的命令時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì)迅速透傳給節(jié)點(diǎn)，確保命令的時(shí)效性[8][9][10]。

3.2? ?Linux 網(wǎng)絡(luò)編程

Linux的網(wǎng)絡(luò)編程采取Socket套接字，發(fā)送和接收就是通過write（）函數(shù)和read（）函數(shù)，Socket就是應(yīng)用層和TCP/IP層之間的中間層，在編程時(shí)不需要考慮具體數(shù)據(jù)的有關(guān)操作。Socket通信是成對(duì)出現(xiàn)的，分別是sever端和client端，標(biāo)準(zhǔn)的套接字分為TCP和UDP兩種方式，TCP是面向連接的服務(wù)，其優(yōu)勢在于能夠精確發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而UDP協(xié)議是面向無連接的服務(wù)，可能無法正確的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。所以在通過socket（）函數(shù)創(chuàng)建套接字時(shí)，選擇TCP數(shù)據(jù)格式。

3.3? ?數(shù)據(jù)上傳和遠(yuǎn)程控制

這里采用EDP協(xié)議的目的一是為了對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，二是保證家電設(shè)備中的數(shù)據(jù)上傳。EDP消息包的組成元素有：消息類型（一個(gè)字節(jié)）、剩余消息長度（1-4字節(jié)，指示選項(xiàng)+消息體的長度）、選項(xiàng)（根據(jù)消息類型0個(gè)或多個(gè)）、消息體（根據(jù)消息類型0或多個(gè)字節(jié)）。消息類型如表1所示，程序設(shè)計(jì)時(shí)需要用到的消息類型有CNN_REQ、CONN_RESP、SAVE_DATA、SAVE_ACK、 CMD_REQ、CMD_RESP、PING_REQ、PING_RESP。

初始化系統(tǒng)之后，通過套接字連接平臺(tái)服務(wù)器地址jjfaedp.hedevice.com，TCP 端口876。向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，登錄設(shè)備。網(wǎng)關(guān)接收到連接響應(yīng)之后，表示網(wǎng)關(guān)正常登錄。通過SAVE_DATA類型消息包，網(wǎng)關(guān)將需要更新的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，等待服務(wù)器的響應(yīng)，當(dāng)接收到SAVE_ACK消息包數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)成功上傳。數(shù)據(jù)在服務(wù)器中的保存時(shí)限為一年，手機(jī)APP客戶端可以通過服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)。當(dāng)遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送控制指令，表示服務(wù)器發(fā)送CMD_REQ命令請(qǐng)求，此時(shí)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)的ZigBee終端。整個(gè)過程需要周期性地向服務(wù)器發(fā)送心跳包并等待服務(wù)器的心跳應(yīng)答，若無反應(yīng)則可能是因?yàn)槟撤N原因與服務(wù)器失去連接，需要重新登錄。

4? ?仿真與調(diào)試

用戶界面的設(shè)計(jì)采用中移物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，界面中包括家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以及數(shù)據(jù)顯示等。在中移物聯(lián)平臺(tái)的應(yīng)用管理中，可以添加應(yīng)用，其中支持的應(yīng)用有文本顯示、定位顯示、圖像顯示、折線圖顯示、開關(guān)、旋鈕。在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，主網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)信息通過文本來顯示，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流為gateway_status;溫度和濕度用折線圖顯示;監(jiān)控的視屏（5S刷新一次）用圖片顯示;而開關(guān)的數(shù)據(jù)流則用智能排插的數(shù)據(jù)流顯示。用戶界面如圖4所示。需要注意的是，在設(shè)置開關(guān)時(shí)，EDP命令中0002表示設(shè)備的地址是0002，即在ZigBee局域網(wǎng)中對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)地址為2。{V}中的V表示開關(guān)的值，每次執(zhí)行動(dòng)作時(shí)都會(huì)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送該命令。比如，當(dāng)執(zhí)行開的命令時(shí)，會(huì)發(fā)送“00021”字符串。

設(shè)計(jì)好界面后通過SSH進(jìn)入主網(wǎng)關(guān)，執(zhí)行主網(wǎng)關(guān)程序中可執(zhí)行文件SmartHome。網(wǎng)關(guān)的可執(zhí)行文件是通過Eclipse交叉編譯生成，在/home 目錄中執(zhí)行./SmartHome命令。在用戶界面中溫濕度通過曲線圖顯示，圖5中顯示溫度27°，濕度67%，其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間。圖中溫濕度的值為零的原因是設(shè)備剛開機(jī)，傳入了為零的溫濕度值。