鄭俊輝, 王焱

（1.西南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610041; 2.電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610054）

高效自適應(yīng)智能家居網(wǎng)關(guān)研究

鄭俊輝1, 王焱2

（1.西南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610041; 2.電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610054）

智能家居互聯(lián)控制系統(tǒng)存在多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)家電控制技術(shù), 需要科學(xué)合理的設(shè)計(jì)來適應(yīng)智能家電行業(yè)的特點(diǎn). 因此根據(jù)當(dāng)前智能家居發(fā)展現(xiàn)狀, 提出了以適應(yīng)性和易用性為目標(biāo)的智能家居網(wǎng)關(guān), 具體涉及到一種新的便捷總線設(shè)計(jì)技術(shù), 以及家庭網(wǎng)關(guān)中若干適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù).

智能家居; 網(wǎng)關(guān); 自適應(yīng); 路由

1 引言

智能家居[1-4]技術(shù)從早期的家庭網(wǎng)絡(luò)布線技術(shù)到現(xiàn)在的家庭電器互相聯(lián)系技術(shù), 取得了很大的進(jìn)步. 家庭電器互相聯(lián)系技術(shù)經(jīng)過若干年的發(fā)展, 目前存在多個(gè)有影響的家庭網(wǎng)絡(luò)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(shù)和協(xié)議, 建立起了現(xiàn)在的智能家電產(chǎn)業(yè).

作為智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備, 智能家居網(wǎng)關(guān)[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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系的橋梁. 目前的智能家居網(wǎng)關(guān)大都針對某一協(xié)議, 當(dāng)家電升級(jí)后,都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)不能適應(yīng)新的家居產(chǎn)品. 另外對于大多數(shù)家庭成員, 他們操作不了復(fù)雜的智能家居網(wǎng)關(guān), 所以, 智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)需要界面友好、操作簡單, 并能夠利用網(wǎng)絡(luò)功能自動(dòng)升級(jí), 查找相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序. 為了促進(jìn)智能家居產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展, 研究智能的、自適應(yīng)的智能家居網(wǎng)關(guān)[16]成為目前重要的任務(wù).

2 自適應(yīng)智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)思想

自適應(yīng)智能家居網(wǎng)關(guān)是為了解決當(dāng)前智能家居系統(tǒng)多標(biāo)準(zhǔn)并存, 不同標(biāo)準(zhǔn)的家電之間互聯(lián)互通, 家電產(chǎn)品升級(jí)后網(wǎng)關(guān)的自適應(yīng)等實(shí)際應(yīng)用中的多個(gè)迫切問題,促進(jìn)智能家居產(chǎn)業(yè)的快速普及應(yīng)用,推進(jìn)家電業(yè)的快速發(fā)展.

為了滿足智能家居網(wǎng)關(guān)的自適應(yīng)性和高效性, 系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想為:

1)系統(tǒng)通過內(nèi)臵或配臵的地址可以自動(dòng)下載最新的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)模塊安裝, 自動(dòng)升級(jí)到最新的智能家居網(wǎng)關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 并保持和以前舊標(biāo)準(zhǔn)的兼容性.

2)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn).

3)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升級(jí), 智能家居標(biāo)準(zhǔn)模塊的接口采用注冊機(jī)制, 能夠動(dòng)態(tài)裝卸, 統(tǒng)一配臵和不同標(biāo)準(zhǔn)之間的信息傳遞的.

4)智能家居網(wǎng)關(guān)可以通過人機(jī)交互界面實(shí)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(chǎn)品配臵界面的設(shè)計(jì).

5)在智能家居網(wǎng)關(guān)中, 將各個(gè)總線的驅(qū)動(dòng)模塊、各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)處理模塊和各個(gè)家用電器的特別驅(qū)動(dòng)模塊都設(shè)計(jì)為相對獨(dú)立的可動(dòng)態(tài)裝卸的軟件模塊, 這些模塊可以通過網(wǎng)絡(luò)在線自動(dòng)升級(jí), 也可以人工手動(dòng)安裝卸載.

6)智能家居網(wǎng)關(guān)是家庭網(wǎng)絡(luò)的核心, 其安全性至關(guān)重要. 特別是要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)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(yuǎn)程訪問和控制. 因此設(shè)計(jì)了模塊驗(yàn)證功能、接入電器準(zhǔn)入控制和用戶分級(jí)訪問控制權(quán)限管理.

7)智能家庭網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)功能, 主要包括: ①Web服務(wù)器, 方便用戶遠(yuǎn)程訪問網(wǎng)關(guān)和配臵網(wǎng)關(guān)參數(shù); ②路由轉(zhuǎn)發(fā)和訪問控制, 便于家用電器和外部網(wǎng)絡(luò)交換信息; ③FTP, 方便傳輸自動(dòng)升級(jí)軟件模塊; ④DHCP服務(wù)器, 方便分配IP地址給某些黑電設(shè)備. 此外, 還需要支持SNMP, RADIUS等常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.

3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

圖1 智能家居網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 hardware system Architecture of smart home gateway

智能家居網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示, 開發(fā)為滿足智能網(wǎng)關(guān)的最低要求, 我們設(shè)計(jì)了如下接口:

1) RS232C串行口兩個(gè)以上, 用于調(diào)試信息和某些基于串口的總線支持;

2) USB串口兩個(gè)以上, 用于其他接口轉(zhuǎn)USB口或者向網(wǎng)關(guān)拷貝資料使用;

3) 以太口三個(gè), 一個(gè)用于調(diào)試, 一個(gè)用于網(wǎng)關(guān)和家庭網(wǎng)的鏈接, 一個(gè)用于網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)配臵, 用戶可以直接在智能家網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行相關(guān)操作, 諸如查看網(wǎng)關(guān)的工作狀態(tài)及對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)臵等.

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 智能家居網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 overall software system architecture of smart home gateway

智能家居網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示. 智能家居網(wǎng)關(guān)采用linux系統(tǒng)作為整個(gè)網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng).下面簡述各個(gè)相關(guān)部分的設(shè)計(jì)思想.

接口總線驅(qū)動(dòng)在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn), 需要根據(jù)操作系統(tǒng)內(nèi)核機(jī)制編程. 目前大部分接口總線在各種操作系統(tǒng)里面已經(jīng)存在, 只是需要對新型總線需要進(jìn)行開發(fā). 在LINUX中, 此驅(qū)動(dòng)模塊按照內(nèi)核模塊編程, 可以很好的動(dòng)態(tài)裝卸. 某些基于通用接口的臨時(shí)總線的驅(qū)動(dòng)可以通過I/O接口將數(shù)據(jù)提取到應(yīng)用層處理, 但是難以保證實(shí)時(shí)性.

智能家居標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的處理是網(wǎng)關(guān)的核心內(nèi)容, 不同的標(biāo)準(zhǔn)在自動(dòng)發(fā)現(xiàn), 設(shè)備互聯(lián), 信息共享等方面都有自己的定義和獨(dú)特的消息格式, 并且在不斷升級(jí)之中, 因此, 這些協(xié)議處理模塊需要具有靈活的動(dòng)態(tài)裝卸特性. 為了配合自適應(yīng)和自動(dòng)升級(jí)要求, 該模塊具有動(dòng)態(tài)加載、動(dòng)態(tài)卸載、動(dòng)態(tài)替換等特性. 各個(gè)智能家庭網(wǎng)關(guān)出廠時(shí)配臵了一些標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議處理模塊, 但是在用戶使用過程中, 會(huì)根據(jù)用戶家電設(shè)備的具體情況, 自動(dòng)升級(jí)為需要的處理模塊.

為了適應(yīng)不同的智能家居標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議處理模塊, 本網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的抽象的智能設(shè)備管理模塊, 他們根據(jù)各個(gè)不同的智能家居標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議獲取的智能家電信息, 把這些家電信息統(tǒng)一標(biāo)識(shí)為本網(wǎng)關(guān)內(nèi)部設(shè)備表示, 這樣便于網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一管理全部家電設(shè)備, 并在不同標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通.

智能設(shè)備管理對各種家電設(shè)備進(jìn)行抽象, 提供統(tǒng)一信息和操作接口, 這些接口實(shí)際上的實(shí)現(xiàn)是該設(shè)備所在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議模塊提供的方法; 此外, 它還提供一個(gè)配臵接口, 根據(jù)家電設(shè)備的類型和服務(wù)能力, 供web服務(wù)器訪問其服務(wù)能力, 供用戶查看和配臵實(shí)用.

自動(dòng)實(shí)現(xiàn)協(xié)議模塊升級(jí), 是實(shí)現(xiàn)本網(wǎng)關(guān)自適應(yīng)的保證. 要保證此功能, 需要做如下幾個(gè)方面的工作:

1)設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn), 根據(jù)有關(guān)協(xié)議, 設(shè)備芯片需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)告功能, 如homepnp, 網(wǎng)關(guān)可以在本設(shè)備內(nèi)或者指定的服務(wù)器上找到它所需要的協(xié)議處理模塊, 然后自動(dòng)處理它的信息.

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

3)本網(wǎng)關(guān)支持通過配臵人工升級(jí)管理協(xié)議處理模塊.

基于web的配臵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對智能家居網(wǎng)關(guān)的配臵、查看智能家居工作狀態(tài)、控制智能家居設(shè)備工作、對訪問用戶進(jìn)行認(rèn)證等工作. 其中重點(diǎn)是查看家電工作狀態(tài)和控制家電設(shè)備工作. 為了實(shí)現(xiàn)對家電設(shè)備的檢查和控制, 我們在設(shè)備管理模塊提供接口, 讓配臵系統(tǒng)能夠了解設(shè)備的服務(wù)能力和類型, 從而選擇一個(gè)合適的、和設(shè)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(jié)

總之, 目前智能家居行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)日趨成熟, 應(yīng)用逐步擴(kuò)展; 但多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長期存在的可能性仍在, 而一個(gè)家庭內(nèi)智能家電種類繁多, 很難實(shí)現(xiàn)所有的家用電器滿足某個(gè)解決方案的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 這導(dǎo)致了智能家電產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)緩慢. 因此, 本文研究了一種具有自適應(yīng)的高效智能家居網(wǎng)關(guān), 讓不同標(biāo)準(zhǔn)的智能家電互聯(lián)互通, 促進(jìn)智能家居產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)與通信, 傳感器網(wǎng)絡(luò).E-mail:zheng208208@163.com.

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