閆文耀，王志曉，李軍懷，張德運(yùn)

(1．延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，西安710100;2．西安理工大學(xué)a．陜西省網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b．計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048;3．西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，西安710049)

1 概述

隨著傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，智能空間受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。智能空間的建立不僅可以使人們的生活變得舒適便捷，而且可以輔助安防和特殊人群［1-2］。智能家居作為智能空間的重要組成部分和研究領(lǐng)域，將會(huì)使人們的日常生活變得更加方便、快捷和舒適，而在其中起到關(guān)鍵作用的就是家庭智能網(wǎng)關(guān)。因?yàn)樵谥悄芗揖又懈黝悢?shù)字電子電器設(shè)備可以通過(guò)一個(gè)家庭智能網(wǎng)關(guān)加以連接，從而實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)和電子電器設(shè)備間的互聯(lián)，使用者不僅可以靈活地訪問(wèn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，管理和操控這些電子電器設(shè)備，而且可以方便地訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)(比如Internet)。

然而當(dāng)前的網(wǎng)關(guān)一般為單一的調(diào)制解調(diào)器、有線或無(wú)線路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、VoIP電話適配器和無(wú)線AP，或者是以上設(shè)備的組合。此類網(wǎng)關(guān)很難適應(yīng)未來(lái)智能家居環(huán)境日益增長(zhǎng)的多業(yè)務(wù)需求，而且在支持多種接入技術(shù)、遠(yuǎn)程管理以及安全性等方面的功能相對(duì)欠缺。因此，研究支持多業(yè)務(wù)模式的智能型異構(gòu)融合網(wǎng)關(guān)顯得尤其重要。本文提出多模智能融合網(wǎng)關(guān)(Multi-modal Intelligent Integration Gateway，MMIIG)，該網(wǎng)關(guān)兼容IPv4和IPv6協(xié)議，不僅對(duì)外提供EPON，ADSL，Ethernet等多種接口類型，而且對(duì)內(nèi)也支持Ethernet、ZigBee、無(wú)線 Wi-Fi等多種接入模式，同時(shí)考慮安全性，并支持遠(yuǎn)程配置和管理的Web功能。同時(shí)，該智能網(wǎng)關(guān)支持多種基于IPv4/IPv6的應(yīng)用示范業(yè)務(wù)(比如多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù))，并在此基礎(chǔ)上研究基于MMIIG網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)平臺(tái)。

2 相關(guān)研究

現(xiàn)在很多公司和機(jī)構(gòu)正在積極研究和開發(fā)家庭智能化的核心設(shè)備——智能網(wǎng)關(guān)，比如:TI公司提出的 UG8 框架［3］，Allied Telesis 公司的 AT-RG656［4］，Inteno 公 司 的 EG500［5］，歐 盟 資 助 的 Figaro［6］和MUSE項(xiàng)目［7］。除此以外，科研人員也從不同角度對(duì)網(wǎng)關(guān)或智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行研究，并給出以下分類:(1)按特定的功能和支持服務(wù)的類型:支持多媒體的網(wǎng)關(guān)，支持QoS的網(wǎng)關(guān)，Domotic網(wǎng)關(guān);(2)按訪問(wèn)終端的數(shù)量和支持服務(wù)的類型:虛擬網(wǎng)關(guān)，基于Web的中心網(wǎng)關(guān)，廋服務(wù)器網(wǎng)關(guān)，機(jī)頂盒式網(wǎng)關(guān)，多服務(wù)網(wǎng)關(guān);(3)按OSI參考模型:A類網(wǎng)關(guān)(含物理層)，B類網(wǎng)關(guān)(含物理層和鏈路層)，C類網(wǎng)關(guān)(含從物理層到傳輸層)，D類網(wǎng)關(guān)(含從會(huì)話層到應(yīng)用層)，E類網(wǎng)關(guān)(含從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層)，F(xiàn)類網(wǎng)關(guān)(含 OSI的7層);(4)按網(wǎng)關(guān)的發(fā)展史:調(diào)制解調(diào)器，路由器，交換機(jī)，服務(wù)網(wǎng)關(guān)。

文獻(xiàn)［8］提出一個(gè)用于連接家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和Internet的機(jī)頂盒式HNGS網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，基于Java技術(shù)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)軟件，之后采用X86單板機(jī)和Vxworks完成網(wǎng)關(guān)原型，但此網(wǎng)關(guān)僅提供一個(gè)以太網(wǎng)口和一個(gè)IEEE1394口，內(nèi)部和外部接口單一，且不支持遠(yuǎn)程管理和多業(yè)務(wù)服務(wù)。為互連各類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)［9］提出一個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，但只討論了一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［10］從Web服務(wù)的角度，基于Java技術(shù)給出OSGi(Open Service Gateway Initiative)服務(wù)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，該架構(gòu)集成了當(dāng)前流行的一些有線和無(wú)線協(xié)議。文獻(xiàn)［11］基于OSGi和語(yǔ)義Web技術(shù)研究了DOG(Domotic OSGi Gateway)網(wǎng)關(guān)，基于通用化和認(rèn)證服務(wù)的設(shè)計(jì)思想，采用輕量級(jí)的方法管理不同內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)［12］在支持多媒體和QoS等功能網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上，研究支持 VLAN和 QoS的安全 OSGi MRG(Multi-residential Gateway)網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)［13］研究了基于三網(wǎng)融合的智能型家庭網(wǎng)關(guān)，以RTL8196C嵌入式微處理為核心，給出該網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。文獻(xiàn)［14］研究并設(shè)計(jì)了基于ARM技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合多模網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)選用HHS3C6410-R2開發(fā)套件，主要實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間的融合。文獻(xiàn)［15］采用西門子公司S7-200系列小型PLC研究并設(shè)計(jì)一個(gè)IPv6數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的智能控制終端，實(shí)現(xiàn)了普通家電的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能報(bào)警。文獻(xiàn)［16-17］分別設(shè)計(jì)了無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)，前者側(cè)重一般的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，后者更側(cè)重異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合。另外，考慮到移動(dòng)性和交互性，文獻(xiàn)［18］研究了支持Zigbee和藍(lán)牙技術(shù)的移動(dòng)網(wǎng)關(guān)。

與此同時(shí)，科研人員也在不斷探索各類基于網(wǎng)關(guān)的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，尤其是智能家居。為適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境和互操作，文獻(xiàn)［19］基于OSGi和移動(dòng)Agent，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)等的面向服務(wù)架構(gòu)(Service-oriented Architecture，SOA)的智能家庭系統(tǒng)。文獻(xiàn)［20］在模糊邏輯和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，從信息獲取與融合、無(wú)線和有線通信、智能控制技術(shù)以及用戶界面等方面全面設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于信息融合的智能家庭系統(tǒng)。文獻(xiàn)［21］整合通用網(wǎng)關(guān)、Zigbee和Wi-Fi技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)線智能家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。此外，為節(jié)約能源，作為智能家居一部分，一些面向家庭的智能電力系統(tǒng)也被開發(fā)和實(shí)現(xiàn)［22-23］。

然而，以上大部分網(wǎng)關(guān)要么仍停留在服務(wù)網(wǎng)關(guān)上，比如OSGi網(wǎng)關(guān)，僅是軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn);要么功能單一，接口類型有限，較少支持多模式和多種服務(wù)類型;要么沒有考慮安全性和可靠性。因此，本文設(shè)計(jì)一個(gè)多模智能融合網(wǎng)關(guān)。

3 多模智能融合網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

3．1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

智能網(wǎng)關(guān)是家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的橋梁，互連不同的電子電器設(shè)備，支持多種協(xié)議和接口，并提供多種類型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。基于此，新一代多模智能融合網(wǎng)關(guān)需綜合考慮以下因素:

(1)靈活性、開放性和擴(kuò)展性:采用開放的思想，靈活的架構(gòu)，并且易于管理和維護(hù)，支持遠(yuǎn)程管理或Web管理功能。

(2)兼容性和異構(gòu)性:可以運(yùn)行在IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)中，支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和不同類型設(shè)備的接入，尤其是Wi-Fi設(shè)備。

(3)支持業(yè)務(wù)多樣性:應(yīng)能夠處理數(shù)據(jù)、音頻和視頻等多種業(yè)務(wù)和服務(wù)。

(4)安全性和QoS:能夠?qū)Σ煌臉I(yè)務(wù)和服務(wù)提供不同級(jí)別的安全性和QoS保障。

3．2 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

多模智能融合網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MMIIG網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

MMIIG網(wǎng)關(guān)接口類型為:(1)局域網(wǎng)內(nèi)部接口:無(wú)線(802．11，比如 Wi-Fi)，有線以太網(wǎng)，USB，ZigBee;(2)局域網(wǎng)外部接口:ADSL，有線以太網(wǎng)，EPON?？紤]到在高速印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)中，模擬信號(hào)質(zhì)量易于受到電源、外圍元器件參數(shù)及PCB走線的影響，如果將MMIIG網(wǎng)關(guān)的所有功能都放在同一塊PCB板上實(shí)現(xiàn)，一旦處理不當(dāng)，將相互干擾，造成高速EPON，ADSL以及高頻Wi-Fi和ZigBee數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中丟棄率與誤碼率的增加;同時(shí)考慮到便于調(diào)試及可維護(hù)性，采用分而治之的思想，基于IXP425網(wǎng)絡(luò)處 理 器:Cortina ONU CS8016，Broadcom BCM6338，ATmega 128L和TI CC2420設(shè)計(jì)了MMIIG核心模塊(見圖1)，EPON模塊(見圖2)，ADSL模塊(見圖3)和ZigBee模塊(見圖4)。

圖2 EPON模塊

圖4 ZigBee模塊

3．2．1 CPU

考慮到寬帶應(yīng)用需求，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和實(shí)驗(yàn)，選擇國(guó)際上普遍流行的、性能先進(jìn)的Intel IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器，它采用高性能的Intel XScale?core內(nèi)核，32 KB指令緩存與數(shù)據(jù)緩存，533 MHz主頻，可以滿足智能網(wǎng)關(guān)信息處理的高帶寬要求。尤其是3個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理引擎(Network Processor Engine，NPE)，其中，廣域網(wǎng)/音頻網(wǎng)絡(luò)處理引擎(WAN/Voice NPE)側(cè)重于廣域網(wǎng)和音頻信息的處理;以太網(wǎng)處理引擎A可用于通用的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)處理;以太網(wǎng)處理引擎B借助哈希運(yùn)算和數(shù)據(jù)加解密單元，擁有較強(qiáng)的密碼處理能力。

3．2．2 存儲(chǔ)系統(tǒng)

SDRAM采用 4個(gè) HY57V561620(32 MB)，F(xiàn)LASH采用JS28F128J3A(128 MB)?？紤]到家庭網(wǎng)關(guān)可能替代家庭或中小型企事業(yè)單位數(shù)據(jù)服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)允許通過(guò)USB及CF接口接入較大容量的存儲(chǔ)設(shè)備;此外，通過(guò)PCI接入磁盤陣列控制器，能提供大容量的存儲(chǔ)。

3．2．3 多模智能融合網(wǎng)關(guān)接口

多模智能融合網(wǎng)關(guān)接口設(shè)計(jì)具體如下:

(1)支持IPv4/IPv6:通過(guò)IXP425提供的網(wǎng)絡(luò)處理引擎實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的高速路由轉(zhuǎn)發(fā)及對(duì)IPv4/IPv6的支持。

(2)具有2個(gè)芯片自帶的高速Console串行接口。

(3)廣域網(wǎng)(WAN)接口和局域網(wǎng)(LAN)接口:IXP425內(nèi)置2個(gè)媒體訪問(wèn)控制(MAC)控制器，通過(guò)擴(kuò)充交換芯片物理層(PHY)，提供一個(gè)WAN接口和8個(gè)LAN接口。

(4)ADSL接口:采用數(shù)字用戶線路(Digital Subscriber Line，DSL)處理芯片組 Broadcom BCM6338(其中IXP425內(nèi)置多個(gè)UTOPIA2控制器)，實(shí)現(xiàn)與ADSL控制器的無(wú)縫連接。

(5)EPON接口:采用美國(guó)Cortina公司的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)集成控制器CS8016。CS8016不僅提供了廣泛的QoS和流量管理功能，而且集成了幀緩沖存儲(chǔ)，能減少外部隨機(jī)訪問(wèn)內(nèi)存(RAM)的需求。

(6)ZigBee接口:采用 TI公司的 CC2420/CC243x。通過(guò)IXP425自身的2個(gè)高速串口實(shí)現(xiàn)與ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊的連接，并提供系統(tǒng)調(diào)試的串行接口。

(7)Wi-Fi接口:通過(guò)Mini-PCI接口和802．11b/g/a/n Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)卡，提供無(wú)線接入功能。

4 多模智能融合網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

4．1 網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)

為便于擴(kuò)展和維護(hù)，MMIIG網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)和開源理念，其軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括引導(dǎo)層、嵌入式操作系統(tǒng)層、中間層和應(yīng)用層。其中，嵌入式操作系統(tǒng)層選擇自由可擴(kuò)展的 Linux OpenWRT;中間層基于JVM;應(yīng)用層采用OSGi框架綁定大量的服務(wù)和應(yīng)用，包括流媒體、QoS等。

圖5 MMIIG軟件結(jié)構(gòu)

4．2 OpenWrt操作系統(tǒng)

Linux OpenWrt是用于嵌入式設(shè)備的GNU/Linux發(fā)行版，是一個(gè)高度模塊化、自動(dòng)化且遵循TCP/IP模型的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)、安全外殼協(xié)議(SSH)隧道，無(wú)線Wi-Fi，流量控制與整形，Web服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)測(cè)等功能，常被用于工控設(shè)備、智能家居、路由器、電話、小型機(jī)器人以及網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音電話業(yè)務(wù)(VoIP)中［24］。

在OpenWrt中，使用通用的嵌入式Linux工具，比如:busybox，uClibc 和 shell interpreter，一次提供一個(gè)抽象硬件層和包管理機(jī)制，其體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，統(tǒng)一配置接口(Unified Configuration Interface，UCI)可以幫助用戶在任何平臺(tái)的OpenWrt上用同樣的方法配置系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用;OPKG包管理系統(tǒng)是一個(gè)與桌面級(jí) Linux使用的 apt-get，pacman，yum等同級(jí)別的包管理系統(tǒng)，可以獲取豐富的軟件資源。因此，本文選用 OpenWrt 2．6．32．25(gcc4．3．3)版本。

圖6 OpenWrt體系結(jié)構(gòu)

4．3 異構(gòu)融合和多協(xié)議棧

通信協(xié)議是通信雙方為完成通信而約定一種規(guī)則或者標(biāo)準(zhǔn)，因此只要通信雙方約定的通信協(xié)議相同就可以完成通信，這也是網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互連的基礎(chǔ)。從理論上來(lái)說(shuō)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的融合可以在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)，也可以在MAC層實(shí)現(xiàn)，不過(guò)鑒于網(wǎng)絡(luò)層(也稱為網(wǎng)際層、網(wǎng)間層、互聯(lián)網(wǎng)層)互連特性，在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)異構(gòu)融合比較簡(jiǎn)單且易于軟件實(shí)現(xiàn)，但執(zhí)行效率不高;如果在MAC層實(shí)現(xiàn)異構(gòu)融合則相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)樾枰晌锢碛布?shí)現(xiàn)，但執(zhí)行效率會(huì)更高。

為便于實(shí)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)、IPv4網(wǎng)絡(luò)、ZigBee和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(比如Wi-Fi)等網(wǎng)絡(luò)間的互連與融合，本文智能網(wǎng)關(guān)選擇在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)異構(gòu)融合的技術(shù)。同時(shí)，為在IPv4網(wǎng)絡(luò)中兼容IPv6，主要利用雙協(xié)議棧技術(shù)(RFC4312)、地址協(xié)議轉(zhuǎn)換(NAT-PT)技術(shù)(RFC2766)和隧道技術(shù)(RFC3056)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，詳見文獻(xiàn)［25］。本文采用Netfilter/Iptables提供的NATPT技術(shù)，以ZigBee和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間的異構(gòu)融合為例加以說(shuō)明。如圖7所示，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(比如ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò))之間的通信必須經(jīng)過(guò)智能網(wǎng)關(guān)MMIIG，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)層使用相同的IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通及融合。

圖7 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

4．4 多業(yè)務(wù)與服務(wù)質(zhì)量

MMIIG網(wǎng)關(guān)采用 OSGi、Java虛擬機(jī)(JVM)、通用即插即用(UPnP)等技術(shù)，一方面實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)和家庭電子電器設(shè)備的互操作，另一方面便于系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)，尤其是在多媒體服務(wù)實(shí)現(xiàn)中，采用UPnP AV［26-27］和 UPnP QoS［28］策略。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)有效調(diào)度和管理，將不同業(yè)務(wù)依據(jù)其時(shí)延、抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包損失率劃分為低優(yōu)先級(jí)、一般優(yōu)先級(jí)和高優(yōu)先級(jí)3種不同業(yè)務(wù)類型，如表1所示。

表1 業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)分類

(1)服務(wù)策略:采用先進(jìn)先出、高優(yōu)先級(jí)先服務(wù)以及溢出丟棄的協(xié)商原則。比如，對(duì)于包含2個(gè)以上優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，如果其到達(dá)率超出協(xié)商到達(dá)率，則將數(shù)據(jù)包直接丟棄。

(2)分類與調(diào)度策略:智能網(wǎng)關(guān)分類與調(diào)度策略，如圖8所示，不同類型的業(yè)務(wù)分配不同的隊(duì)列，執(zhí)行帶權(quán)重的輪詢調(diào)度機(jī)制。如果一個(gè)業(yè)務(wù)含有2個(gè)以上的優(yōu)先級(jí)，則將其分類到較高的優(yōu)先隊(duì)列?？紤]到智能網(wǎng)關(guān)的處理能力，因此在處理機(jī)調(diào)度過(guò)程中，對(duì)于任一隊(duì)列i，其數(shù)據(jù)包到達(dá)率λ(qi)和處理率μ(qi)必須滿足關(guān)系:

圖8 智能網(wǎng)關(guān)分類與調(diào)度

所有隊(duì)列(含子隊(duì)列)的總到達(dá)率和總處理比率ρ也必須達(dá)到滿足:ρ＜1。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)容量，總服務(wù)率μ(q)必須滿足:

(3)隊(duì)列管理策略:為避免數(shù)據(jù)包在網(wǎng)關(guān)中發(fā)生擁塞并減少時(shí)延，考慮網(wǎng)關(guān)的有限存儲(chǔ)空間，本文結(jié)合隨機(jī)早期檢測(cè)(RED)算法［29］，采用帶權(quán)重的隨機(jī)早期檢測(cè)(WRED)算法，其主要思想為:當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度處在給定的最小閾值和最大閾值之間時(shí)，按相應(yīng)概率選擇性地丟棄被標(biāo)記的數(shù)據(jù)包。

帶權(quán)重的隨機(jī)早期檢測(cè)WRED算法具體步驟如下:

4．5 基于Web的智能家居網(wǎng)關(guān)管理

為便于管理MMIIG網(wǎng)關(guān)，本文基于Web技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)，如圖9所示。用戶可以有效地配置和控制MMIIG網(wǎng)關(guān)，并且可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)方便地管理智能家居系統(tǒng)中的所有電子電器設(shè)備。

圖9 基于Web的智能家居網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)界面

5 安全性分析與流量控制

在智能網(wǎng)關(guān)MMIIG的設(shè)計(jì)過(guò)程中，安全性和流量控制是重要的環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)MMIIG網(wǎng)關(guān)的安全性和流量控制，采用Linux提供的Netfilter/Iptables技術(shù)。Netfilter是一種Linux 2．4內(nèi)核防火墻框架，在高級(jí)的Linux版本中均有支持，該框架既簡(jiǎn)潔又靈活，可實(shí)現(xiàn)安全策略應(yīng)用中的許多功能，如數(shù)據(jù)包過(guò)濾、數(shù)據(jù)包處理、透明代理、地址偽裝、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)以及基于用戶及媒體訪問(wèn)控制(MAC)地址和基于狀態(tài)的過(guò)濾、包速率限制等;Iptables基于Netfilter框架，是一種可擴(kuò)展模塊的管理工具。在Iptables中定義了表、鏈和規(guī)則，用來(lái)管理經(jīng)過(guò)Netfilter各個(gè)鉤點(diǎn)的數(shù)據(jù)包［30］。其中，Iptables預(yù)定義的表有數(shù)據(jù)包修改表、數(shù)據(jù)包過(guò)濾表和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換表。在可靠性方面，在設(shè)計(jì)時(shí)已進(jìn)行嚴(yán)格的元器件篩選，并實(shí)施老化實(shí)驗(yàn)和性能測(cè)試，同時(shí)保持必要的接地和覆銅處理，詳見文獻(xiàn)［31］。

6 智能家居系統(tǒng)測(cè)試

在構(gòu)建智能家居原型系統(tǒng)時(shí)，智能融合網(wǎng)關(guān)MMIIG是其核心互聯(lián)設(shè)備。該網(wǎng)關(guān)不僅用于互聯(lián)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(包括各種智能設(shè)備)，而且也是內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的橋梁。因此，在智能家居系統(tǒng)中，核心網(wǎng)關(guān)的性能好壞直接影響智能家居原型系統(tǒng)性能。下文將主要測(cè)試和分析MMIIG網(wǎng)關(guān)的性能及其在智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。在測(cè)試版本的MMIIG網(wǎng)關(guān)中，安裝2片32 MB的 SDRAM，表2給出了MMIIG的主要參數(shù)。

表2 MMIIG主要參數(shù)

為測(cè)試MMIIG網(wǎng)關(guān)的性能，使用配置無(wú)線和有線網(wǎng)卡的筆記本A和B、MMIIG網(wǎng)關(guān)、Android智能手機(jī)、內(nèi)部服務(wù)器C(可提供Web、FTP和VoD等服務(wù))，裝配ZigBee適配模塊的模擬照明系統(tǒng)，從而搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的智能家居系統(tǒng)，如圖10所示。

圖10 智能家居系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)中的初始參數(shù)(即在空閑情況下的參數(shù))設(shè)置，比如CPU信息、內(nèi)存使用情況和進(jìn)程運(yùn)行情況等見圖11。

圖11 智能家居系統(tǒng)中的初始參數(shù)設(shè)置

本文測(cè)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取基于如圖10所示環(huán)境，采用iperf-2．0．2等工具進(jìn)行，在120 s的測(cè)試時(shí)間中，分別收集1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)和8個(gè)數(shù)據(jù)流情況。圖12給出了MMIIG網(wǎng)關(guān)在防火墻、包過(guò)濾、節(jié)點(diǎn)認(rèn)證等安全機(jī)制打開時(shí)，不同數(shù)據(jù)流情況下的吞吐率和抖動(dòng)變化情況。

圖13給出了在不同數(shù)據(jù)流作用下內(nèi)存平均使用率，“0”表示在空閑情況下OpenWRT操作系統(tǒng)的內(nèi)存使用率，約為19%?？梢钥闯?，隨著數(shù)據(jù)流并行數(shù)量的增加，MMIIG網(wǎng)關(guān)的內(nèi)存占用率也隨之增加，該使用率包含OpenWRT內(nèi)存使用率。實(shí)際上，數(shù)據(jù)流內(nèi)存使用率是其各自使用率減去操作系統(tǒng)使用率和iperf內(nèi)存使用率。

本文為測(cè)試MMIIG實(shí)際應(yīng)用情況，以易于實(shí)現(xiàn)和部署的智能家居照明系統(tǒng)為例，為更接近每天的實(shí)際操作，在照明系統(tǒng)中分別采用直接控制和Web間接控制的方式周期性地改變燈泡狀態(tài)30次。

圖12 不同數(shù)據(jù)流下的吞吐率和抖動(dòng)變化情況

圖13 不同數(shù)據(jù)流下的平均內(nèi)存使用率

直接控制的平均時(shí)延約為758 ms，既小于有線訪問(wèn)模式下的間接控制時(shí)延(約1．4 s)，更遠(yuǎn)小于無(wú)線訪問(wèn)模式下的間接控制時(shí)延(約2．1 s)。在直接控制情況下，平均時(shí)延主要包括電磁繼電器的響應(yīng)時(shí)延和燈泡狀態(tài)的改變時(shí)延。在間接控制下的時(shí)延較長(zhǎng)主要是由于增加了Web響應(yīng)時(shí)延。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，驗(yàn)證了MMIIG網(wǎng)關(guān)的可用性。

為測(cè)試MMIIG的實(shí)際應(yīng)用情況，訪問(wèn)新浪網(wǎng)(www．sina．com．cn)首頁(yè)，隨后打開一段 6 min 17 s的視頻;有關(guān)音頻的測(cè)試通過(guò)訪問(wèn)百度音樂(lè)(music．baidu．com)，隨機(jī)聆聽一段3 min 40 s的音樂(lè)，視頻和音頻均能流暢播放。圖14給出了不用應(yīng)用環(huán)境下的內(nèi)存使用情況?？梢钥闯?，視頻應(yīng)用的內(nèi)存使用比其他應(yīng)用大，4種應(yīng)用的內(nèi)存使用情況從大到小分別是視頻(Video)、音頻(Audio)、Web訪問(wèn)(Web)和燈控(Lamp)。

圖14 各類應(yīng)用的內(nèi)存使用情況

7 結(jié)束語(yǔ)

本文從當(dāng)前網(wǎng)關(guān)設(shè)備和智能家居的現(xiàn)狀著手，基于Intel IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器和開源Linux內(nèi)核，研究支持IPv6的多模智能融合網(wǎng)關(guān)(MMIIG)。該智能網(wǎng)關(guān)不僅提供了ADSL，EPON，LAN等多種寬帶、無(wú)線802．11(Wi-Fi)、Zigbee訪問(wèn)技術(shù)及 Web管理功能，支持多種類型的媒體業(yè)務(wù)，而且采用Netfilter/Iptables保障數(shù)據(jù)可靠傳輸。實(shí)驗(yàn)從吞吐率、CPU和內(nèi)存使用情況等方面驗(yàn)證了智能家居系統(tǒng)的性能和可用性。盡管該智能網(wǎng)關(guān)和智能家居系統(tǒng)的基本原型已初步實(shí)現(xiàn)，但要面向?qū)嶋H應(yīng)用還需使用更專業(yè)的測(cè)試工具以及接口技術(shù);另外，由于本文實(shí)驗(yàn)條件的局限性，未能對(duì)EPON和ADSL進(jìn)行有效性測(cè)試，今后將對(duì)此做進(jìn)一步研究。

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