一種雙網(wǎng)絡(luò)智能家居嵌入式網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器

張璐+呂昂

摘 要：論述了一種雙網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器，該網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器支持電力載波和藍(lán)牙兩種通信協(xié)議，而智能家居系統(tǒng)中的采控節(jié)點可根據(jù)自身特點選擇通信協(xié)議，增加網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器的靈活性、兼容性和通用性。文章描述了雙網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器的兩種接入方式（兩種匯聚節(jié)點），給出了網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器平臺及其網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器應(yīng)用程序的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：智能家居；網(wǎng)關(guān)；服務(wù)器；匯聚節(jié)點；CGI；電力載波；藍(lán)牙

中圖分類號：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-04

0 引 言

智能家居系統(tǒng)主要實現(xiàn)智能家居設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程訪問和智能控制。在智能家居系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器是核心部件，它一方面實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能，將家庭內(nèi)部的智能家居設(shè)備接入Internet，實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部的Internet互連；另一方面則實現(xiàn)服務(wù)器功能，為用戶提供家居設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問服務(wù)。智能家居設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式有有線連接和無線連接兩種，常用的有線連接有以太網(wǎng)、CAN總線等[1]；常用的無線連接有ZigBee、WiFi、Z-Wave等，它們的優(yōu)缺點參見文獻(xiàn)[1]。目前，國內(nèi)智能家居系統(tǒng)、智能家居設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)廠商眾多，由于沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，各個廠商均根據(jù)自身情況選擇設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式，故目前智能家居設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式處于百花齊放狀態(tài)，各廠商設(shè)備通信無法兼容。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器一般只支持一種家居設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)方式，如大部分文獻(xiàn)都提到采用ZigBee通信協(xié)議，這使得網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器存在較大的局限性，同時也限制了它的使用范圍。本文提出一種智能家居網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器，它能支持兩種家居設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式，因而增加了兼容性、通用性，擴(kuò)展了它的使用范圍?？紤]到新技術(shù)的發(fā)展，雙網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器可支持有線連接的電力載波通信和無線連接的藍(lán)牙通信。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

普通家庭通過光纖或ADSL接入Internet，家庭內(nèi)網(wǎng)絡(luò)分為兩層，上層網(wǎng)絡(luò)是高速以太網(wǎng)，連接家庭中的高速設(shè)備，如PC機(jī)、家庭媒體中心等。下層網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)家居設(shè)備的性質(zhì)選擇連接方式。對于采用市電供電，安裝位置固定的家居設(shè)備，如窗簾、冰箱等則采用電力載波通信（PLC）；而對于采用電池供電且需要移動工作的設(shè)備，如掃地機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測節(jié)點等，則采用藍(lán)牙通信[2]。

智能家居網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器平臺采用嵌入式ARM-Linux平臺，這種平臺與傳統(tǒng)X86-Win平臺（或稱Wintel平臺）相比，其初期投資少，運行費用低。

智能家居雙網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在ARM-Linux平臺上掛接電力載波匯聚節(jié)點和藍(lán)牙匯聚節(jié)點，分別收集智能家居中電力載波采控節(jié)點和藍(lán)牙采控節(jié)點的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的UART數(shù)據(jù)幀格式，發(fā)送至ARM-Linux平臺。ARM-Linux平臺上運行網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器應(yīng)用程序[3]。

圖1 雙網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖

2 電力載波匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點一方面收集智能家居中采控節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的UART數(shù)據(jù)幀發(fā)送至ARM-Linux平臺；另一方面，接收ARM-Linux平臺發(fā)來的控制信息，分發(fā)給采控節(jié)點。電力載波匯聚節(jié)點硬件電路如圖2所示，電力載波通信采用BWP08芯片，該芯片體積小，通訊可靠且通訊頻點可調(diào)，功能可定制，適合智能家居領(lǐng)域應(yīng)用。圖2中，T1為隔離變壓器，用于隔離市電，耦合信號。C4、R1為接收回路，D1、D2為保護(hù)二極管，防止市電浪涌經(jīng)T1耦合燒壞電力載波芯片。C7、L1是濾波電路，接收信號最終進(jìn)入BWP08的SIN引腳。BWP08發(fā)送信號從VO引腳輸出，經(jīng)過C11、L2濾波，三極管Q1放大，由隔離變壓器耦合到電力線路上。

微處理器STC12C5A60S2收集BWP08的電力載波數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過UART接口的TXD/RXD引腳發(fā)送出去。為減少微處理器程序運行負(fù)荷，同時也降低程序開發(fā)難度和工作量，STC12C5A60S2采用片內(nèi)硬件SPI接口與電力載波芯片BWP08數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，其關(guān)鍵代碼如下：

sfr AUXR=0x8e；

sfr SPSTAT=0xcd；

#define SPIF 0x80

#define WCOL 0x40

sfr SPCTL=0xce；

sfr SPDAT=0xcf；

sbit SPISS=P1^4；

//以上代碼定義SPI相關(guān)特殊功能寄存器和SS引腳

SPDAT=0；

SPSTAT=SPIF|WCOL；

SPCTL=SPEN|MSTR；

//以上代碼初始化SPI接口工作方式

if（TI）

{ SPCTL=SPEN|MSTP；

MSSEL=1；

ACC=SPDAT；

SPISS=0；

SBUF=ACC； }

//以上代碼從SPI接口接收數(shù)據(jù)，從UART口發(fā)送出去

3 藍(lán)牙匯聚節(jié)點

藍(lán)牙匯聚節(jié)點的功能與電力載波匯聚節(jié)點相同，只是傳輸協(xié)議采用藍(lán)牙協(xié)議。本設(shè)計采用藍(lán)牙4.0協(xié)議，藍(lán)牙4.0協(xié)議是三位一體協(xié)議，它包括傳統(tǒng)藍(lán)牙、高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙[4]。低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，BLE）具有極低的運行功耗和待機(jī)功耗，一顆紐扣電池可持續(xù)工作1年以上，非常適合電池供電的移動設(shè)備，并且它可組微微網(wǎng)，一個主節(jié)點可以連接7個從節(jié)點，本文討論的藍(lán)牙匯聚節(jié)點就是藍(lán)牙微微網(wǎng)中的主節(jié)點[5]。藍(lán)牙匯聚節(jié)點的硬件電路如圖3所示，圖3中主要包括振蕩電路、復(fù)位電路、射頻電路和電源電路。該藍(lán)牙匯聚節(jié)點的核心是TI公司的CC2540藍(lán)牙芯片，該芯片是一顆真正的單芯片藍(lán)牙系統(tǒng)，它集成了藍(lán)牙射頻電路（RF）和8051MCU以及相關(guān)配套電路，包括8 kB RAM 和 256 kB Flash 存儲器以及多個定時器、UART、ADC等，適合構(gòu)建小規(guī)模藍(lán)牙通信系統(tǒng)。

藍(lán)牙微微網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信主要包括連接建立和數(shù)據(jù)傳輸，連接建立基本過程如圖4（a）所示，匯聚節(jié)點（主節(jié)點）先發(fā)起掃描請求，若掃描正在發(fā)送廣告的采控節(jié)點（從節(jié)點）時，若GAP服務(wù)的UUID匹配，則兩設(shè)備可以建立連接，接著匯聚節(jié)點發(fā)起建立請求，此時若采控節(jié)點響應(yīng)，則兩節(jié)點進(jìn)入連接狀態(tài)；數(shù)據(jù)傳輸基本過程如圖4（b）所示，匯聚節(jié)點通過特定的UUID進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)現(xiàn)，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)，匯聚節(jié)點發(fā)送要進(jìn)行數(shù)據(jù)操作特性（Characteristics）的UUID，采控節(jié)點將這個“特性”的句柄返回給匯聚節(jié)點，句柄即為特性值在屬性表中的地址，其包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)[6]。匯聚節(jié)點軟件基于TI公司的藍(lán)牙BLE協(xié)議棧設(shè)計，TI公司為方便用戶設(shè)計藍(lán)牙節(jié)點，在其BLE中嵌入了OSAL（Operating System Abstraction Layer操作系統(tǒng)抽象層），它是一個事件驅(qū)動、時間輪詢的實時內(nèi)核，用于管理用戶任務(wù)。由于OSAL的任務(wù)管理與調(diào)度，藍(lán)牙連接建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w代碼分散在BLE協(xié)議棧的幾個API中。

（a）連接建立流程 （b）數(shù)據(jù)傳輸流程

圖4 藍(lán)牙連接建立和數(shù)據(jù)傳輸流程

4 網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器

網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器建立在ARM-Linux平臺上，ARM-Linux平臺采用三星S5PV210處理器作為硬件核心，該處理器采用ARM Cortex-A8內(nèi)核，1 GHz主頻，具有2 000 DMIPS運算能力，足以應(yīng)付智能家居網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器工作任務(wù)。因此，若配備512 MB DDR2 RAM和4 GB MLC NAND FLASH存儲容量足夠Linux內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動，以及網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器應(yīng)用程序的存儲和運行?？稍诖擞布脚_上移植Linux3.0.8操作系統(tǒng)，以及DM9000AEP以太網(wǎng)控制器、LCD液晶屏等外設(shè)驅(qū)動。服務(wù)器應(yīng)用程序主要包括兩部分：一部分是通過UART接口從匯聚節(jié)點接收數(shù)據(jù)；第二部分是通過Internet或以太網(wǎng)向用戶提供訪問服務(wù)[7]。

在智能家居系統(tǒng)中，采控節(jié)點種類繁多，收集的信息也各不相同，為方便網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器統(tǒng)一處理采控節(jié)點的信息，匯聚節(jié)點（包括電力載波匯聚節(jié)點和藍(lán)牙匯聚節(jié)點）從采控節(jié)點收集數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器，其數(shù)據(jù)格式如表1所列，一個數(shù)據(jù)單元由4個字節(jié)（對應(yīng)UART為4幀數(shù)據(jù)）組成，第一字節(jié)表示節(jié)點編號，表示范圍0～255，足以編碼家庭內(nèi)智能設(shè)備或采控節(jié)點。第二字節(jié)分兩部分，前半字節(jié)4位表示節(jié)點狀態(tài)，如節(jié)點是否工作，狀態(tài)是否正常，不正常原因等；后半字節(jié)4位表示信息類型，如溫度、濕度、光照、電壓等。第三、四字節(jié)表示信息的數(shù)字，2字節(jié)帶符號數(shù)。

表1 UART數(shù)據(jù)格式

第一字節(jié) 第二字節(jié) 第三字節(jié) 第四字節(jié)

節(jié)點編號 節(jié)點狀態(tài) 信息類型 信息數(shù)值

8 b 4 b 4 b 16 b

Linux下UART串口數(shù)據(jù)傳輸分三步：打開串口、設(shè)置串口和數(shù)據(jù)傳輸，其關(guān)鍵代碼如下：

fd = open（dev[com_port]， O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY）；

if （fd < 0）

{ perror（"open serial port"）；

return（-1）； }

if（set_com_config（fd， 115200， 8， 'N'， 1） < 0）

{ perror（"set_com_config"）；

return 1； }

memset（buff， 0， BUFFER_SIZE）；

read（fd， buff， BUFFER_SIZE）；

采用底層文件操作函數(shù)open（）打開串口，若返回文件描述符fd<0，串口打開不成功。串口打開成功后設(shè)置串口工作參數(shù)，波特率115 200 b/s，數(shù)據(jù)位8位，沒有校驗位，停止位1位。最后采用read（）函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，存入緩沖區(qū)buff中。

Linux下Web服務(wù)器有多種，如Apache、NCSA、httpd、Boa等，考慮到智能家居系統(tǒng)Web服務(wù)器數(shù)據(jù)量不大，同時ARM-Linux平臺資源也不算豐富，采用Boa服務(wù)器比較合適，它開放源代碼，性能高，速度快，運行時僅占140 K左右存儲器空間，且對CGI支持效果好[8]。Web服務(wù)器與應(yīng)用程序間采用CGI（Common Gateway Interface通用網(wǎng)關(guān)接口）。Web瀏覽器、Web服務(wù)器，以及服務(wù)器應(yīng)用程序間的關(guān)系如圖5所示，瀏覽器通過Internet傳遞瀏覽信息給服務(wù)器，服務(wù)器通過CGI接口將相關(guān)信息交給應(yīng)用程序處理，應(yīng)用程序再將處理結(jié)果通過CGI接口反饋給服務(wù)器，最后通過Internet呈現(xiàn)在瀏覽器上。通過CGI接口的應(yīng)用程序與遠(yuǎn)程Web瀏覽器之間通過表單（Form）傳遞數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵代碼如下：

if （cgiFormSubmitClicked（“確認(rèn)”） == cgiFormSuccess）

{ =if （cgiFormCheckboxSingle（“l(fā)ed1”） == cgiFormSuccess）

{ coreDate_status[0].led |= bit0；

if （cgiFormCheckboxSingle（“l(fā)ed1_1”） == cgiFormSuccess）

coreDate_status[0].led |= bit1；

else

coreDate_status[0].led &= ～bit1；

}}

其中coreDate_status[]是結(jié)構(gòu)體數(shù)組，coreDate_status[0]代表0號采控節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，coreDate_status[0].led是對該結(jié)構(gòu)體中的led開關(guān)量進(jìn)行操作。

圖5 Web瀏覽器、Web服務(wù)器和服務(wù)器應(yīng)用程序間關(guān)系

5 結(jié) 語

本文介紹的雙網(wǎng)絡(luò)智能家居網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器支持電力載波和藍(lán)牙協(xié)議，它采用ARM-Linux架構(gòu)，其上移植Boa服務(wù)器，可通過CGI接口設(shè)計服務(wù)器應(yīng)用程序。網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器接收匯聚節(jié)點（電力載波和藍(lán)牙）發(fā)送的統(tǒng)一UART數(shù)據(jù)，為用戶提供遠(yuǎn)程訪問服務(wù)，用戶不受設(shè)備硬件（PC、平板、手機(jī)均可）和軟件（Windows、android、IOS均可）制約，通過Web瀏覽器也可在本地或遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器。

參考文獻(xiàn)

[1]郎躍躍，呂昂.一種基于的電力載波智能家居聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[J].浙江萬里學(xué)院學(xué)報，2012，25（4）：71-76.

[2] 賈亞軍， 謝建. 基于嵌入式系統(tǒng)智能家電遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)， 2006（5）： 15-17.

[3] Fuxing Yang， Chanyuan Liu， Zhongcai Pei， et al. The Design of Wireless Remote intelligent Home System Based on Zigbee and GPRS [C]. Proceedings of ICCTA 2011， Piscataway， NJ： IEEE Press， 2011： 689 – 693.

[4] TI.2.4-GHz Bluetooth low energy System-on-Chip[EB/OL].（2015-4-3）. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2540.pdf

[5] Yu B， Xu L， Li Y. Bluetooth Low Energy （BLE） based mobile electrocardiogram monitoring system[C].Information and Automation， 2012 International Conference on. IEEE， 2012： 763-767.

[6]趙利英.基于低功耗藍(lán)牙的無線體域網(wǎng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.

[7]王建敏，魏海波.基于linux3.0.1和S3C6410的智能家居控制系統(tǒng)的嵌入式web服務(wù)器的移植和應(yīng)用[J].江西科技師范大學(xué)學(xué)報，2013（6）：95-99.

[8]王靈芝，葉美霞，張建造.基于Zigbee及BOA服務(wù)器的嵌入式智能家居的設(shè)計[J] .閩南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014 （3）： 69-73.