智能家居管理單元軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳麗芬 儲(chǔ)成誠 趙鵬 葉迅凱 張濤 方玉如

1.中國家用電器研究院 北京 100037；2.安徽眾家云物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司 安徽滁州 239000；3.中輕合盛科技有限公司 安徽滁州 239000

1 引言

目前，各智能家居企業(yè)基于利益等方面的考慮，不同廠商、不同品牌的產(chǎn)品之間不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，缺乏互動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，由于布局不完善并采用封閉式的方式，影響了用戶體驗(yàn)。蘋果的HomeKit、亞馬遜的Echo、華為的HiLink、阿里的YunOS、百度的Dulife、海爾的U+、美的的M-Smart等多是系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同，主要的技術(shù)壁壘在于通信接口的不開放，通信協(xié)議的不兼容[1]。

智能家居管理單元是一個(gè)可以有效整合家庭內(nèi)部設(shè)備的處理模塊，配合定制的App不僅實(shí)現(xiàn)了單個(gè)App遠(yuǎn)程控制所有智能家居設(shè)備的功能，打破現(xiàn)有同類型產(chǎn)品只能連接自家產(chǎn)品的自有生態(tài)鏈屬性，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)的集中化管理，使得不同品牌、不同接口類型的家庭設(shè)備聯(lián)網(wǎng)協(xié)同，全方位地提升了人們的生活體驗(yàn)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示為管理單元的工作框圖[2]，包含有云端、控制端、設(shè)備端三大部分，其中云端以家電領(lǐng)域行業(yè)性公共云服務(wù)平臺(tái)眾家云平臺(tái)[3]為依托，基于智能家電國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)家電智能化的數(shù)據(jù)交互過程。

管理單元可實(shí)現(xiàn)的功能包括設(shè)備管理以及數(shù)據(jù)管理，設(shè)備管理是指設(shè)備在云端的注冊(cè)、注銷、登錄、登出等；數(shù)據(jù)管理包含了每個(gè)設(shè)備的通信幀格式與網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的轉(zhuǎn)換、多種設(shè)備間通信協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換；除此之外，管理單元會(huì)周期內(nèi)查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)并向云端上報(bào)，同時(shí)會(huì)接收從已建立連接的云端下發(fā)出的遠(yuǎn)程控制指令給產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的集中化管理。

圖1 管理單元工作框圖

在可接入設(shè)備接入方面，管理單元集成了無線局域網(wǎng)中的Wi-Fi、ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還可掛載總線型設(shè)備，如UART、RS485、SPI、DIDO等。本文重點(diǎn)介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入實(shí)現(xiàn)。

ZigBee是一種開放的雙向無線自組網(wǎng)通信技術(shù)，主要特色有低功耗、低成本、低速率、近距離、延時(shí)短、高容量、高安全等特點(diǎn)[4]，網(wǎng)絡(luò)自愈能力強(qiáng)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?，其關(guān)于組網(wǎng)、安全及應(yīng)用軟件方面的技術(shù)是基于IEEE 80215.4無線標(biāo)準(zhǔn)，在2.4 GHz（全球）、915 MHz（美國）和868 MHz（歐洲）等未經(jīng)授權(quán)的頻段上運(yùn)行，該項(xiàng)技術(shù)尤為適用于數(shù)據(jù)流量偏小的業(yè)務(wù)，可便捷的在一系列固定式、便攜式移動(dòng)終端中進(jìn)行安裝[5]，隨著ZigBee聯(lián)盟近年推出的ZigBee 3.0標(biāo)準(zhǔn)使得ZigBee通信在智能家居行業(yè)內(nèi)的使用愈加廣泛?；谏鲜鲈颍悄芫W(wǎng)關(guān)的無線局域網(wǎng)以ZigBee作為通訊標(biāo)準(zhǔn)的一種。

以小米插座為例簡(jiǎn)述智能家居管理單元的工作過程。小米插座是集成了ZigBee協(xié)議的智能設(shè)備，在加入由管理單元建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)之后，設(shè)備通過無線局域網(wǎng)將當(dāng)前狀態(tài)傳送給管理單元，管理單元遵循TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議將設(shè)備數(shù)據(jù)上報(bào)至云端平臺(tái)，控制端可在App遠(yuǎn)程查看設(shè)備的狀態(tài)、實(shí)時(shí)顯示插座用電量、控制插在智能插座上的電器的電源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的傳輸，即實(shí)現(xiàn)了為不直接連接廣域網(wǎng)的智能家電提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換和代理連接服務(wù)的功能。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

管理單元硬件主要由MCU模塊、接口模塊、接口擴(kuò)展模塊、電源模塊、輸入模塊、顯示模塊等部分組成，其中MCU主控制器選用MT7268處理器，軟件內(nèi)部集成了設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)、協(xié)議解析、云端交互等模塊，功能框圖如圖2所示。

圖2 管理單元軟件功能框圖

（1）ZigBee接入模塊：該模塊中，ZigBee相關(guān)的處理任務(wù)是由ZigBee協(xié)調(diào)器完成的，它是一款低成本、低功耗的ZigBee網(wǎng)絡(luò)處理器，以下簡(jiǎn)稱ZNP（ZigBee Network Processor），它提供封裝好的 ZigBee解決方案，在設(shè)計(jì)無線子網(wǎng)時(shí)，ZNP在系統(tǒng)里充當(dāng)ZigBee從機(jī)角色，負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并與ZigBee子設(shè)備進(jìn)行通訊。

（2）RS485接入模塊：RS485總線因傳輸能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、多機(jī)通訊簡(jiǎn)單，易在家電行業(yè)中實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)傳輸，因此，管理單元采用RS485總線作為有線子網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要鏈路通道。在有線子網(wǎng)設(shè)計(jì)中，RS485接入模塊運(yùn)行在接口擴(kuò)展模塊上，負(fù)責(zé)與RS485子設(shè)備通訊。

（3）RPC/Transport Layer：該層是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)傳輸?shù)讓?，它提供了UART串口驅(qū)動(dòng)程序用以實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳輸，由于ZigBee接入模塊以及RS485接入模塊都是通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器MT7628，所以該層是管理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。

（4）ZigBee控制單元與RS485控制單元：二者是運(yùn)行在MT7628內(nèi)部的控制單元，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)主控MCU與ZigBee子設(shè)備以及RS485子設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互。

（5）多協(xié)議適配模塊：眾家云平臺(tái)對(duì)其可接入設(shè)備設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)點(diǎn)協(xié)議，是對(duì)設(shè)備功能點(diǎn)的抽象，用于描述產(chǎn)品功能及其參數(shù)。設(shè)備私有協(xié)議與眾家云平臺(tái)數(shù)據(jù)點(diǎn)協(xié)議之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是在多協(xié)議適配模塊中定義的，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備、云平臺(tái)相互識(shí)別二者間互聯(lián)互通數(shù)據(jù)的功能，該模塊是實(shí)現(xiàn)設(shè)備間多協(xié)議互操作的基礎(chǔ)。

（6）網(wǎng)絡(luò)代理模塊：該模塊負(fù)責(zé)建立設(shè)備與云端平臺(tái)的長(zhǎng)連接通訊，用于設(shè)備的注冊(cè)、登錄、接收云端控制指令并上報(bào)設(shè)備狀態(tài)，為每臺(tái)接入的設(shè)備提供相應(yīng)的管理及服務(wù)，該模塊是設(shè)備數(shù)據(jù)、云端M2M服務(wù)器、控制端的數(shù)據(jù)交互橋梁，由眾家云提供SDK。

軟件流程圖如圖3所示。

3.2 多協(xié)議適配模塊

管理單元提供設(shè)備私有數(shù)據(jù)協(xié)議與云端數(shù)據(jù)協(xié)議相互轉(zhuǎn)換的功能，即多協(xié)議適配模塊，用以實(shí)現(xiàn)私有數(shù)據(jù)協(xié)議格式的自動(dòng)錄入、私有數(shù)據(jù)的解析及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的解析功能。云端在完成產(chǎn)品的定義之后可自動(dòng)生成兩類配置文件，一種是設(shè)備數(shù)據(jù)配置文件，另一種是云端數(shù)據(jù)點(diǎn)配置文件，智能家居管理單元工作時(shí)會(huì)自動(dòng)獲取對(duì)應(yīng)的云端配置文件，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備私有協(xié)議與云端數(shù)據(jù)點(diǎn)協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖3 管理單元程序設(shè)計(jì)流程圖

以蘭舍新風(fēng)控制器為例，該設(shè)備為RS485接口，在管理單元中，將設(shè)備私有協(xié)議格式進(jìn)行如圖4a)所示的定義，多協(xié)議適配模塊依據(jù)圖4b)所示的配置文件中云端dataPointID匹配設(shè)備協(xié)議的功能點(diǎn)ID的原則，來查找設(shè)備功能點(diǎn)與云端數(shù)據(jù)間點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合其他字段信息最終實(shí)現(xiàn)云端協(xié)議與設(shè)備協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。

圖4 云端數(shù)據(jù)點(diǎn)與設(shè)備協(xié)議對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3 無線子網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型，協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)[6]。在管理單元中采用CC2530ZNP組合MT7628的方式來實(shí)現(xiàn)ZigBee子網(wǎng)設(shè)計(jì)，其中CC2530ZNP作為協(xié)調(diào)器來處理所有關(guān)于ZigBee協(xié)議棧的任務(wù)，它提供ZigBee協(xié)議棧的物理層、Mac層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層的數(shù)據(jù)處理及各層的API軟件接口；MT7628中的ZigBee控制單元通過調(diào)用ZNP各層的API軟件接口實(shí)現(xiàn)ZigBee主程序，如設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID、設(shè)置設(shè)備類型、發(fā)送接收數(shù)據(jù)[6]。CC2530ZNP與MT7628采用UART接口通訊，如圖5所示。

圖5 通訊接口示意圖

CC2530ZNP在使用前需要配置：

（1）硬件接口配置

UART配置：選擇GPIO口實(shí)現(xiàn)TX、RX功能，波特率115200，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗(yàn)；

RESET：CC2530ZNP復(fù)位信號(hào)；

CFG0：CC2530ZNP配置信號(hào)，ZNP上電時(shí)讀取此信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)配置。

（2）軟件接口配置

ZNP提供五類軟件命令接口，分別是：

SYS：系統(tǒng)接口，為應(yīng)用處理器提供了與ZNP硬件和軟件的底層接口；

AF：應(yīng)用程序框架接口，允許應(yīng)用程序處理器向ZNP注冊(cè)其應(yīng)用程序并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；

ZDO：ZigBee設(shè)備對(duì)象接口，提供各種ZigBee管理功能，如設(shè)備和服務(wù)發(fā)現(xiàn)；

UTIL：（MT_UTIL）該接口提供支持功能，如設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID、獲取設(shè)備信息、獲取NV信息、訂閱回調(diào)；

APP CONF：（MT_APP_CNF）該接口支持BDB功能，如設(shè)置安裝代碼、主從通道、觸發(fā)不同的子設(shè)備入網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)秘鑰配置。

通過ZNP提供的上述接口，修改TI公司提供的基于Z-Stack協(xié)議棧的ZNP工程文件，實(shí)現(xiàn)管理單元中的ZNP所需功能。

3.3.2 ZigBee控制單元

ZigBee控制單元運(yùn)行在MT7628之上，它通過ZNP提供的API以及訂閱回調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)與ZNP之間的通訊，ZigBee控制單元功能框架如圖6所示。

圖6 ZigBee控制單元內(nèi)部框圖

（1）RPC/Transport Layer：即Remote procedure call，傳輸層為該框架的最底層，提供了UART或SPI驅(qū)動(dòng)程序用以實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)報(bào)文的組包與拆包，用以實(shí)現(xiàn)主機(jī)應(yīng)用程序與ZNP程序業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互。

（2）MT Subsystems API：即MT Subsystems Layer是基于RPC/Transport Layer之上的，該層為上層提供了大量的sys、af、zdo、sapi的API接口，方便上層應(yīng)用程序?qū)λ衂NP命令的訪問，其中下發(fā)的命令可直接調(diào)用API函數(shù)，輸入的命令可使用回調(diào)注冊(cè)。

（3）ZCL庫：基于MT Subsystems Layer之上，為上層應(yīng)用程序提供更為標(biāo)準(zhǔn)的一套通信接口。所有來自底層的數(shù)據(jù)通過ZCL封裝后，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和命令格式的標(biāo)準(zhǔn)化，將上層應(yīng)用敏感的命令和相關(guān)的數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)給應(yīng)用層，從而保證應(yīng)用層只需關(guān)注其節(jié)點(diǎn)自身功能的實(shí)現(xiàn)，將繁瑣的標(biāo)準(zhǔn)化通信任務(wù)交給下層來處理[8]。

（4）ZigBee主程序：負(fù)責(zé)調(diào)用底層API接口及訂閱回調(diào)功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)ZigBee的基本功能，如網(wǎng)絡(luò)建立、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID、允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、綁定設(shè)備、獲取設(shè)備信息[9]。

在程序主線程中創(chuàng)建了兩個(gè)子線程，分別實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取和控制設(shè)備命令數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。在使用多線程技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的過程中，需要考慮線程間的同步問題，設(shè)計(jì)中采用的線程間同步機(jī)制是互斥量，通過定義一個(gè)互斥量實(shí)現(xiàn)在對(duì)共享資源進(jìn)行訪問前對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖[10]。

3.4 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

管理單元的設(shè)備管理包括管理單元自身的注冊(cè)、注銷、登錄、登出、心跳維持等，以及接入設(shè)備的添加、刪除、列表變更等，以管理單元注冊(cè)為例說明設(shè)備管理流程。管理單元向云平臺(tái)提交描述文件唯一標(biāo)識(shí)、設(shè)備標(biāo)識(shí)碼及設(shè)備校驗(yàn)碼，向云平臺(tái)發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求，云平臺(tái)成功響應(yīng)注冊(cè)請(qǐng)求后返回管理單元的唯一標(biāo)識(shí)碼，之后管理單元保存該標(biāo)識(shí)碼，完成注冊(cè)流程。

管理單元管理的數(shù)據(jù)可分為兩大類，下發(fā)設(shè)備的數(shù)據(jù)以及上報(bào)云端的數(shù)據(jù)。

下發(fā)設(shè)備數(shù)據(jù)：指APP、云端下發(fā)的控制數(shù)據(jù)。局域網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，App可以選擇經(jīng)過云端下發(fā)指令給管理單元，也可以直接下發(fā)指令給管理單元。

上報(bào)云端數(shù)據(jù)：指設(shè)備回復(fù)的當(dāng)前狀態(tài)。設(shè)備在未收到控制指令或設(shè)備狀態(tài)未發(fā)生變化時(shí)，一般按設(shè)定周期上報(bào)數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，則立即上報(bào)最新狀態(tài)，發(fā)送頻率不受輪詢周期限制。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

如圖7所示為驗(yàn)證連接圖，小米門磁、小米插座、小米紅外設(shè)備均是集成了ZigBee協(xié)議的智能設(shè)備，它們通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)加入到管理單元的無線局域網(wǎng)中；空氣盒子、海林地暖、蘭舍新風(fēng)等設(shè)備通過RS485總線加入到管理單元的有線局域網(wǎng)絡(luò)中；無線局域網(wǎng)絡(luò)與總線型設(shè)備通過串口與核心主控制器MT7628通信。

圖7 驗(yàn)證連接圖

在管理單元PCB板完成電源網(wǎng)絡(luò)上電前后對(duì)地阻抗測(cè)試和硬件接口測(cè)試正常后，以小米插座為例對(duì)其功能部分進(jìn)行測(cè)試。

接入局域網(wǎng)測(cè)試中，小米智能插座、CC2530ZNP作為測(cè)試設(shè)備；Ubiqua Protocol Analyzer軟件，即ZigBee協(xié)議分析器作為測(cè)試軟件，搭配CC2531 USB Dongle無線網(wǎng)絡(luò)分析儀[11]，通過使用ZigBee協(xié)議分析器抓取ZigBee設(shè)備入網(wǎng)時(shí)及入網(wǎng)后的空氣報(bào)文并解析，入網(wǎng)流程如圖8所示。

接入廣域網(wǎng)測(cè)試中，用戶需要在云端平臺(tái)配置ZigBee設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，如產(chǎn)品類別、品牌名稱、型號(hào)、接口類型、PK、PS、MAC地址等，配置完成后，管理單元依據(jù)云端生產(chǎn)自動(dòng)生成的配置文件，完成設(shè)備在云平臺(tái)的注冊(cè)和登錄，設(shè)備有數(shù)據(jù)交互時(shí)，在云端平臺(tái)可以看到交互數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖8 ZigBee節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程圖

圖9 云端顯示接入設(shè)備狀態(tài)信息

上述步驟均調(diào)試通過后，用戶通過如圖10所示的手機(jī)App界面可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控小米智能插座用電量情況以及準(zhǔn)確控制設(shè)備開關(guān)機(jī)狀態(tài)的功能。

圖10 App顯示設(shè)備狀態(tài)信息

綜上所述，驗(yàn)證了管理單元是一套完成度高、可實(shí)際應(yīng)用、能夠幫助普通家電或者局域網(wǎng)內(nèi)家電實(shí)現(xiàn)接入廣域網(wǎng)功能的系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文所述的智能家電管理單元可以連接整合家庭內(nèi)部的無線有線局域網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)信息的采集、數(shù)據(jù)的集中化管理、設(shè)備的遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制等功能。文中以ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入為例詳細(xì)闡述了其軟件實(shí)現(xiàn)過程，并通過市售智能設(shè)備的成功接入及控制驗(yàn)證了智能管理單元是一款高效便捷、穩(wěn)定可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、品牌兼容性強(qiáng)的智能設(shè)備。