鄭俊輝, 王焱

（1.西南民族大學計算機科學與技術學院, 四川 成都 610041; 2.電子科技大學計算機科學與工程學院, 四川 成都 610054）

高效自適應智能家居網關研究

鄭俊輝1, 王焱2

（1.西南民族大學計算機科學與技術學院, 四川 成都 610041; 2.電子科技大學計算機科學與工程學院, 四川 成都 610054）

智能家居互聯(lián)控制系統(tǒng)存在多種技術標準, 要實現(xiàn)自適應家電控制技術, 需要科學合理的設計來適應智能家電行業(yè)的特點. 因此根據(jù)當前智能家居發(fā)展現(xiàn)狀, 提出了以適應性和易用性為目標的智能家居網關, 具體涉及到一種新的便捷總線設計技術, 以及家庭網關中若干適應性設計技術.

智能家居; 網關; 自適應; 路由

1 引言

智能家居[1-4]技術從早期的家庭網絡布線技術到現(xiàn)在的家庭電器互相聯(lián)系技術, 取得了很大的進步. 家庭電器互相聯(lián)系技術經過若干年的發(fā)展, 目前存在多個有影響的家庭網絡通訊規(guī)范, 如HomeRF[5]、Lonworks[6]、UPnP[7]、Zigbee[8]、 CEBus[9]、以及X-10[10]等, 并依托這些技術和協(xié)議, 建立起了現(xiàn)在的智能家電產業(yè).

作為智能家居系統(tǒng)的核心設備, 智能家居網關[11-15]是智能家居系統(tǒng)的處理中心、信息交換中心和控制中心,也是智能家居系統(tǒng)與外部網絡系統(tǒng)進行聯(lián)系的橋梁. 目前的智能家居網關大都針對某一協(xié)議, 當家電升級后,都會導致網關不能適應新的家居產品. 另外對于大多數(shù)家庭成員, 他們操作不了復雜的智能家居網關, 所以, 智能家居網關的設計需要界面友好、操作簡單, 并能夠利用網絡功能自動升級, 查找相應驅動程序. 為了促進智能家居產業(yè)快速發(fā)展, 研究智能的、自適應的智能家居網關[16]成為目前重要的任務.

2 自適應智能家居網關設計思想

自適應智能家居網關是為了解決當前智能家居系統(tǒng)多標準并存, 不同標準的家電之間互聯(lián)互通, 家電產品升級后網關的自適應等實際應用中的多個迫切問題,促進智能家居產業(yè)的快速普及應用,推進家電業(yè)的快速發(fā)展.

為了滿足智能家居網關的自適應性和高效性, 系統(tǒng)的主要設計思想為:

1)系統(tǒng)通過內臵或配臵的地址可以自動下載最新的相關標準模塊安裝, 自動升級到最新的智能家居網關標準, 并保持和以前舊標準的兼容性.

2)設計的結構能夠同時支持多個標準.

3)為了實現(xiàn)自動升級, 智能家居標準模塊的接口采用注冊機制, 能夠動態(tài)裝卸, 統(tǒng)一配臵和不同標準之間的信息傳遞的.

4)智能家居網關可以通過人機交互界面實現(xiàn)對家電的控制, 具體包括配臵接口、配臵描述語言和家電產品配臵界面的設計.

5)在智能家居網關中, 將各個總線的驅動模塊、各個標準處理模塊和各個家用電器的特別驅動模塊都設計為相對獨立的可動態(tài)裝卸的軟件模塊, 這些模塊可以通過網絡在線自動升級, 也可以人工手動安裝卸載.

6)智能家居網關是家庭網絡的核心, 其安全性至關重要. 特別是要實現(xiàn)自適應功能, 更需要防止偽裝軟件模塊的病毒攻擊和非法人員的遠程訪問和控制. 因此設計了模塊驗證功能、接入電器準入控制和用戶分級訪問控制權限管理.

7)智能家庭網關是用戶和家電交互信息的橋梁. 因此, 本系統(tǒng)支持完備的網絡功能, 主要包括: ①Web服務器, 方便用戶遠程訪問網關和配臵網關參數(shù); ②路由轉發(fā)和訪問控制, 便于家用電器和外部網絡交換信息; ③FTP, 方便傳輸自動升級軟件模塊; ④DHCP服務器, 方便分配IP地址給某些黑電設備. 此外, 還需要支持SNMP, RADIUS等常用網絡協(xié)議.

3 網關硬件設計

圖1 智能家居網關的硬件系統(tǒng)結構Fig.1 hardware system Architecture of smart home gateway

智能家居網關的硬件系統(tǒng)結構如圖1所示, 開發(fā)為滿足智能網關的最低要求, 我們設計了如下接口:

1) RS232C串行口兩個以上, 用于調試信息和某些基于串口的總線支持;

2) USB串口兩個以上, 用于其他接口轉USB口或者向網關拷貝資料使用;

3) 以太口三個, 一個用于調試, 一個用于網關和家庭網的鏈接, 一個用于網關和外部網絡的鏈接;

4) LCD和鍵盤, 用于顯示信息和輸入信息;

鍵盤和LCD顯示作為高檔智能網關的標準配臵, 用戶可以直接在智能家網關上進行相關操作, 諸如查看網關的工作狀態(tài)及對網關進行設臵等.

4 軟件系統(tǒng)設計

圖2 智能家居網關軟件系統(tǒng)總體結構Fig.2 overall software system architecture of smart home gateway

智能家居網關軟件系統(tǒng)總體結構框圖如圖2所示. 智能家居網關采用linux系統(tǒng)作為整個網關的操作系統(tǒng).下面簡述各個相關部分的設計思想.

接口總線驅動在內核中實現(xiàn), 需要根據(jù)操作系統(tǒng)內核機制編程. 目前大部分接口總線在各種操作系統(tǒng)里面已經存在, 只是需要對新型總線需要進行開發(fā). 在LINUX中, 此驅動模塊按照內核模塊編程, 可以很好的動態(tài)裝卸. 某些基于通用接口的臨時總線的驅動可以通過I/O接口將數(shù)據(jù)提取到應用層處理, 但是難以保證實時性.

智能家居標準協(xié)議的處理是網關的核心內容, 不同的標準在自動發(fā)現(xiàn), 設備互聯(lián), 信息共享等方面都有自己的定義和獨特的消息格式, 并且在不斷升級之中, 因此, 這些協(xié)議處理模塊需要具有靈活的動態(tài)裝卸特性. 為了配合自適應和自動升級要求, 該模塊具有動態(tài)加載、動態(tài)卸載、動態(tài)替換等特性. 各個智能家庭網關出廠時配臵了一些標準的協(xié)議處理模塊, 但是在用戶使用過程中, 會根據(jù)用戶家電設備的具體情況, 自動升級為需要的處理模塊.

為了適應不同的智能家居標準協(xié)議處理模塊, 本網關設計了一個統(tǒng)一的抽象的智能設備管理模塊, 他們根據(jù)各個不同的智能家居標準協(xié)議獲取的智能家電信息, 把這些家電信息統(tǒng)一標識為本網關內部設備表示, 這樣便于網關統(tǒng)一管理全部家電設備, 并在不同標準中實現(xiàn)互聯(lián)互通.

智能設備管理對各種家電設備進行抽象, 提供統(tǒng)一信息和操作接口, 這些接口實際上的實現(xiàn)是該設備所在標準協(xié)議模塊提供的方法; 此外, 它還提供一個配臵接口, 根據(jù)家電設備的類型和服務能力, 供web服務器訪問其服務能力, 供用戶查看和配臵實用.

自動實現(xiàn)協(xié)議模塊升級, 是實現(xiàn)本網關自適應的保證. 要保證此功能, 需要做如下幾個方面的工作:

1)設備自動發(fā)現(xiàn), 根據(jù)有關協(xié)議, 設備芯片需要實現(xiàn)自動報告功能, 如homepnp, 網關可以在本設備內或者指定的服務器上找到它所需要的協(xié)議處理模塊, 然后自動處理它的信息.

2)自動升級管理模塊能夠定時檢查協(xié)議處理模塊的適用性; 對于長時間處于非工作狀態(tài)的協(xié)議處理模塊,自動刪除它; 而對于具有新版本的協(xié)議處理模塊則自動升級.

3)本網關支持通過配臵人工升級管理協(xié)議處理模塊.

基于web的配臵系統(tǒng)可以實現(xiàn)對智能家居網關的配臵、查看智能家居工作狀態(tài)、控制智能家居設備工作、對訪問用戶進行認證等工作. 其中重點是查看家電工作狀態(tài)和控制家電設備工作. 為了實現(xiàn)對家電設備的檢查和控制, 我們在設備管理模塊提供接口, 讓配臵系統(tǒng)能夠了解設備的服務能力和類型, 從而選擇一個合適的、和設備類型匹配的圖形化操作界面供用戶操控, 這樣更具有友好的用戶界面, 便于使用.

5 總結

總之, 目前智能家居行業(yè)標準日趨成熟, 應用逐步擴展; 但多個標準長期存在的可能性仍在, 而一個家庭內智能家電種類繁多, 很難實現(xiàn)所有的家用電器滿足某個解決方案的行業(yè)標準, 這導致了智能家電產業(yè)的推動緩慢. 因此, 本文研究了一種具有自適應的高效智能家居網關, 讓不同標準的智能家電互聯(lián)互通, 促進智能家居產業(yè)健康快速發(fā)展.

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Research on efficient and adaptive gateway of smart home

ZHENG Jun-hui1, WANG Yan2
(1. School of Computer Science and Technology, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.; 2. Department of Computer Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, P.R.C.)

There are various technical standards in the interconnect control systems of smart home. To achieve adaptive electric appliance control technology, scientific and reasonable design is needed for the features of smart home industry. Therefore, according to the current development of smart home, a kind of smart home gateway whose object is adaptability and ease of use is proposed. There are two important technologies in this gateway design: a new convenient bus design technology and a number of adaptive design technologies in smart home gateway.

smart home; gateway; adaptive; route

TP273+.5

A

1003-4271(2014)04-0537-04

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.13

2014-05-12

鄭俊輝(1977-), 男, 漢族, 河南漯河人, 講師, 博士研究生,研究方向:網絡與通信, 傳感器網絡.E-mail:zheng208208@163.com.

國家自然科學基金資助項目(61103208); 西南民族大學中央高校專項資金資助項目(12NZYTD15); 四川省科技廳資助項目(2014GZ0006); 中國博士后科學基金(2014M552343).