基于Rasberry的多控制網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖非凡

摘要：智能家居網(wǎng)關(guān)是各類傳感設(shè)備和控制設(shè)備與外網(wǎng)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備，多數(shù)智能家居采用了射頻芯片、Zigbee芯片或wifi芯片，如何將現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，以兼容各類設(shè)備終端，本文提出了一種集成多種協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，從而構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能家居 物聯(lián)網(wǎng) 智能網(wǎng)關(guān)

中圖分類號(hào)：TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0163-02

智能家居是利用利用綜合布線技術(shù)、通信技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)等有關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居與網(wǎng)絡(luò)的連結(jié)，為用戶提供智能化、人性化的控制界面，實(shí)時(shí)掌握家居設(shè)備狀態(tài)，從而提高生活品質(zhì)。大多數(shù)智能家居網(wǎng)關(guān)方案采用高性能嵌入式設(shè)備作為其基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器為用戶提供控制界面，能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的開關(guān)量控制，但很難滿足日益增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、美觀便捷的控制界面等要求，在隱私保護(hù)、信息安全等方面存在隱患。由于智能家居標(biāo)準(zhǔn)還處于不成熟狀態(tài)，市面上大多數(shù)產(chǎn)品選用了串口、射頻、Zigbee、Wifi、藍(lán)牙等不同的互聯(lián)芯片，造成了網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的困難，因此，本文試圖提出一種能兼容上述多種芯片，支持多協(xié)議轉(zhuǎn)換的智能家居網(wǎng)關(guān)方案，為用戶提供統(tǒng)一的應(yīng)用接口。

1 智能家居控制網(wǎng)絡(luò)分類

智能家居所涉及的設(shè)備主要分為兩類，一是采集各種環(huán)境參數(shù)的傳感器，二是對(duì)設(shè)備施加某種控制的控制器。而將這些設(shè)備聯(lián)接構(gòu)成統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的核心是各類聯(lián)網(wǎng)芯片與協(xié)議，目前，主流的控制網(wǎng)絡(luò)有串口總線、RF射頻、Zigbee網(wǎng)絡(luò)、Wifi網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)等幾類，它們?cè)谥悄芗揖酉到y(tǒng)都有著各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 串口總線網(wǎng)絡(luò)

串口總線是最傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)，利用主機(jī)平臺(tái)的串口，可以將多個(gè)設(shè)備串聯(lián)至總線上，從而避免了信息的泄漏，但因其需要布線且聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的限制，不適合大量設(shè)備的控制。但就智能家居應(yīng)用場(chǎng)合而言，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量有限，因而，串口總線控制網(wǎng)絡(luò)不失為一種經(jīng)濟(jì)傳統(tǒng)型方案。

1.2 RF射頻控制網(wǎng)絡(luò)

RF射頻控制網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)，控制主機(jī)處于核心地位，通過(guò)免費(fèi)頻段315/433MHz以調(diào)幅方式向周邊設(shè)備發(fā)出控制數(shù)據(jù)，發(fā)射端一般采用2262編碼芯片，設(shè)備接收端采用2272解碼芯片配套使用。這種網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡(jiǎn)單，編碼資源豐富等特點(diǎn)，但其無(wú)線信號(hào)易遭重放攻擊，因而僅限于小范圍使用。

1.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)

Zigbee是一種低功耗的傳輸技術(shù)，智能硬件在不需要任何有線電源充電的前提下就可以長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)。一塊普通的紐扣電池或堿性電池可供續(xù)航超過(guò)3個(gè)月甚至更久。正式基于這個(gè)優(yōu)勢(shì)，讓所有的智能硬件在安裝上更靈活，不必受限于插座位置。

1.4 Wifi網(wǎng)絡(luò)

WiFi網(wǎng)絡(luò)是一種短程無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無(wú)線電信號(hào)。它的最大特點(diǎn)就是方便人們隨時(shí)隨地接入互聯(lián)網(wǎng)。隨著Wifi物聯(lián)網(wǎng)芯片的發(fā)展，其在智能插座、安防監(jiān)控等產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛。但對(duì)于智能家居設(shè)備來(lái)說(shuō)，也面臨功耗高、組網(wǎng)能力差、安全性低等突出缺點(diǎn)，在智能家居的應(yīng)用中只是起到輔助補(bǔ)充的作用。

1.5 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離無(wú)線通信技術(shù)，在智能家居系統(tǒng)中主要用于設(shè)備之間進(jìn)行信息交互，以傳遞設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。但這種技術(shù)通訊距離短，屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式，對(duì)組網(wǎng)能力和抗干擾能力不夠，只適合背景音樂(lè)推送、健康數(shù)據(jù)采集等場(chǎng)景。

1.6 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

典型的智能家居控制系統(tǒng)，要求可以通過(guò)手機(jī)或者便捷計(jì)算機(jī)控制，操作盡量簡(jiǎn)單快捷。系統(tǒng)主要分為四大模塊，即手機(jī)終端模塊，服務(wù)主機(jī)模塊，控制網(wǎng)絡(luò)模塊和家居設(shè)備模塊，其中控制網(wǎng)絡(luò)模塊集成了串口、射頻、藍(lán)牙、Wifi以及有線網(wǎng)絡(luò)等控制網(wǎng)絡(luò)，使得其具有良好的兼容性。通過(guò)軟件編程，形成了感知和控制兩條通路，手機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)給主機(jī)服務(wù)器，由主機(jī)以某種控制網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)給家居設(shè)備，設(shè)備執(zhí)行控制動(dòng)作，改變?cè)O(shè)備狀態(tài)，其狀態(tài)參數(shù)經(jīng)由反向路徑傳回，改變用戶界面顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)硬件平臺(tái)

智能家居網(wǎng)關(guān)主控平臺(tái)的性能對(duì)于數(shù)據(jù)的采集與分發(fā)十分重要，是承載各協(xié)議控制芯片和軟件服務(wù)的載體。因此，本網(wǎng)關(guān)采用了性能強(qiáng)大的Rasberry作為其基礎(chǔ)硬件平臺(tái)，該平臺(tái)采用了BCM2837 1.2GHz四核處理器，配備1GB RAM和VideoCore IV GPU，本身具備以太網(wǎng)、HDMI和顯示接口，具有4個(gè)USB接口，利用USB轉(zhuǎn)串口芯片，能方便擴(kuò)充為串口控制設(shè)備，能夠接入藍(lán)牙、Zigbee、Wifi控制芯片。此外，該平臺(tái)還具備數(shù)量眾多的GPIO接口，對(duì)于開關(guān)量的控制十分方便。

2.2 控制網(wǎng)絡(luò)集成

系統(tǒng)主要集成了串口總線網(wǎng)絡(luò)、RF射頻控制網(wǎng)絡(luò)、Zigbee網(wǎng)絡(luò)、Wifi網(wǎng)絡(luò)。串口總線網(wǎng)絡(luò)采用自定義協(xié)議，通過(guò)系統(tǒng)提供串口服務(wù)，能夠十分方面接入各類總線控制設(shè)備；RF射頻控制網(wǎng)絡(luò)采用了NRF24L01芯片，該芯片集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分，能夠利用SPI接口與平臺(tái)互聯(lián)，此外該芯片具備自動(dòng)重發(fā)功能，自動(dòng)檢測(cè)和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，可靠性高；ZigBee模塊采用了CC2430，模塊由CC2430器件和相關(guān)外圍電路構(gòu)成，由于CC2430內(nèi)部集成有無(wú)線收發(fā)器和805l內(nèi)核，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)；Wifi控制網(wǎng)絡(luò)芯片采用了BCM4390，該芯片符合IEEE 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，在單一芯片集成了PA和LNA2.4GHZ RF收發(fā)器、通用異步收發(fā)器（UART）等，在應(yīng)用處理器中靈活實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，為低功耗、高性能、互操作性強(qiáng)的無(wú)線連接功能奠定了基礎(chǔ)；藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)方面集成BlueNRG處理器芯片，內(nèi)置專用射頻接口、處理器和藍(lán)牙固件，支持藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

利用軟件工程思想，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)，各功能程序分別編寫和調(diào)試，各模塊調(diào)試成功后，再將所在模塊連接起來(lái)，構(gòu)成系統(tǒng)的軟件，這樣的設(shè)計(jì)有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于編程、調(diào)試、維護(hù)及協(xié)作。系統(tǒng)軟件部分主要包括以下兩部分：（1）主機(jī)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)；（2）客戶端軟件設(shè)計(jì)。

3.1 服務(wù)器端軟件

系統(tǒng)將能夠處理的指令分狀態(tài)感知和控制兩類，分別提供了三種服務(wù)軟件（如表1），利用狀態(tài)感知服務(wù)接口，通過(guò)串口、藍(lán)牙、Zigbee、Wifi等守護(hù)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、空氣質(zhì)量、風(fēng)雨、煤氣濃度等參數(shù)的采集；通過(guò)SOCKET服務(wù)接口可接收內(nèi)外網(wǎng)客戶端直接下達(dá)的控制指令，并將控制指令轉(zhuǎn)化為各類控制參數(shù)，經(jīng)由串口、藍(lán)牙、Wifi等接口發(fā)出；WEB服務(wù)接口為移動(dòng)或固定客戶端提供人性化操作界面，并能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制邏輯的組合，從而增強(qiáng)用戶友好性。系統(tǒng)采用輕量型Web服務(wù)器Raspkate作為其服務(wù)端，該服務(wù)端提供了標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)文件訪問(wèn)和RESTful API兩種控制方式，因而可以依據(jù)控制功能的不同，依據(jù)類型定義注冊(cè)不同的控制處理程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件與網(wǎng)絡(luò)的控制。

3.2 客戶端軟件

客戶端軟件的載體分為手機(jī)和計(jì)算機(jī)兩類，其功能主要是為用戶提供家居設(shè)備參數(shù)圖形化展示與控制接口。為實(shí)現(xiàn)一次開發(fā)，多平臺(tái)公用的設(shè)計(jì)目標(biāo)，客戶端采用成熟的響應(yīng)時(shí)布局，能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)客戶端屏幕，以極小的數(shù)據(jù)傳輸獲取更多的信息。通過(guò)將設(shè)備進(jìn)行分組和控制UI定向設(shè)計(jì)，用戶能夠十分方便的查看各類智能家居設(shè)備的狀態(tài)，并能以圖形化方式設(shè)置控制參數(shù)，下達(dá)控制指令。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種利用多種控制網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，給出了幾種重要的硬件裝置和服務(wù)器軟件的實(shí)現(xiàn)方法，并用具體應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能。與其它智能家居系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)電氣設(shè)備之間的互聯(lián)互通，還可以將整個(gè)家居系統(tǒng)連接至互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家居與社區(qū)之間以及家居與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息共享，真正實(shí)現(xiàn)一個(gè)物物相連的智能家居網(wǎng)絡(luò)。