劉新星，曹祁生，張 健，祝振東，陳輝輝

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430074；2.武漢烽火通信科技股份有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074）

智能家居系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接方案設(shè)計(jì)

劉新星1，曹祁生2，張 健2，祝振東2，陳輝輝1

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430074；2.武漢烽火通信科技股份有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074）

在新型智能家居系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關(guān)將取代PC機(jī)作為家庭控制中心。傳統(tǒng)客戶端/服務(wù)器模式不能保持家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)連接?；诎偃f級的家庭網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器保持長連接的目的。采用主從服務(wù)器框架進(jìn)行負(fù)載均衡，心跳機(jī)制保障網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器實(shí)時(shí)連接的方案。通過電腦模擬網(wǎng)關(guān)和主從服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證。得出了用主從服務(wù)器框架，用心跳保持長連接的方案可適用于家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接的結(jié)論。

智能家居；遠(yuǎn)程控制；家庭網(wǎng)關(guān)；主從服務(wù)器；長連接

隨著科技的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)漸漸進(jìn)入人們的生活。智能家居是利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、無線通信等技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如安防、燈光控制、窗簾控制、家電控制等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，實(shí)現(xiàn)方便快捷的全新家居生活體驗(yàn)。本文提出了基于家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)連接的智能家居系統(tǒng)，其將家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器相連，使家庭設(shè)備能夠真正與互聯(lián)網(wǎng)相連達(dá)到萬物互聯(lián)的目的。最后再通過手機(jī)等上網(wǎng)設(shè)備與遠(yuǎn)程服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的目的。

1 新型智能家居系統(tǒng)整體框架

基于傳統(tǒng)C/S架構(gòu)的智能家居系統(tǒng)需要保持一臺(tái)PC機(jī)運(yùn)行中間件才能達(dá)到隨時(shí)控制的目的，這與智能家居綠色節(jié)能的理念相違背。在光纖到戶的推動(dòng)下，PON上行家庭網(wǎng)關(guān)在全國得到普及，并且有低功耗保持長時(shí)間工作的特點(diǎn)，適合用于智能家居系統(tǒng)中。本方案設(shè)計(jì)一種新型智能家居系統(tǒng)，由家庭網(wǎng)關(guān)替代PC成為家庭網(wǎng)絡(luò)控制中心。圍繞家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器互聯(lián)問題展開，探討一種適合家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接方案。

基于家庭網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)整體框架如圖1所示。智能家居系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)，家庭控制中心，遠(yuǎn)程服務(wù)器，手機(jī)終端組成［1］。其中傳感器網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee、Wi-Fi等無線通信技術(shù)組建［2］。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)中控制中心采用家用PC和協(xié)調(diào)器等設(shè)備，新型的智能家居系統(tǒng)如圖1所示，采用家庭網(wǎng)關(guān)充當(dāng)家庭控制中心的角色。

2 新型智能家居系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 遠(yuǎn)程服務(wù)器方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的服務(wù)器方案往往使用單一服務(wù)器模式，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)不需要客戶端與服務(wù)器保持長連接，客戶端獲取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送一個(gè)連接即可。并且客戶端運(yùn)行在PC機(jī)上，客戶端對服務(wù)器發(fā)起連接后，服務(wù)器可暫存客戶端的IP地址和端口，當(dāng)服務(wù)器需要給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)直接用客戶端的IP地址和端口號即可。所以用單一服務(wù)器即能滿足傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的需求。當(dāng)業(yè)務(wù)量大的時(shí)候，傳統(tǒng)服務(wù)器采用服務(wù)器集群技術(shù)來保證服務(wù)器不因業(yè)務(wù)量過大而癱瘓。隨著智能家居網(wǎng)關(guān)用戶逐步上升，用戶將達(dá)到百萬級。每個(gè)網(wǎng)關(guān)都要與服務(wù)器保持長連接，同時(shí)服務(wù)器還要與手機(jī)端通信［3］。為了保證服務(wù)器的負(fù)載會(huì)達(dá)到百萬級時(shí)，其仍能正常其正常工作，本方案采用主從服務(wù)器框架來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。主服務(wù)器負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器首次建立連接，然后根據(jù)地理位置等因素為網(wǎng)關(guān)分配一個(gè)從服務(wù)器并告知其IP等信息，網(wǎng)關(guān)再根據(jù)從服務(wù)器信息對從服務(wù)器發(fā)起連接，建立連接后網(wǎng)關(guān)與從服務(wù)器保持長連接并斷開與主服務(wù)器的連接。主服務(wù)器對手機(jī)終端也是如此，只負(fù)責(zé)首次建立連接，判斷該手機(jī)號控制的網(wǎng)關(guān)分配到哪個(gè)從服務(wù)器，然后讓其對從服務(wù)器進(jìn)行連接。

圖1 新型智能家居系統(tǒng)整體方案Fig.1 The new smart home systems solutions

本方案設(shè)計(jì)的服務(wù)器框架如圖2所示，由主服務(wù)器和從服務(wù)器組成，網(wǎng)關(guān)第一次連接或者與服務(wù)器連接中斷后重連都是對主服務(wù)器發(fā)起，主服務(wù)器收到網(wǎng)關(guān)發(fā)起的連接信息后進(jìn)行認(rèn)證，查看是否在服務(wù)網(wǎng)關(guān)列表，認(rèn)證成功后分配從服務(wù)器IP和服務(wù)號給網(wǎng)關(guān)。從服務(wù)器用于保持與網(wǎng)關(guān)的長連接，一方面可以對網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制命令，一方面可接收網(wǎng)關(guān)上報(bào)的監(jiān)控信息。備用主服務(wù)器用于主服務(wù)器故障時(shí)切換使用。

圖2 服務(wù)器框架圖Fig.2 Server framework

2.2 家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接方案的設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)所屬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為電信運(yùn)營商的子網(wǎng)環(huán)境，IP動(dòng)態(tài)更改，并且經(jīng)過了多層NAT轉(zhuǎn)換，服務(wù)器無法對網(wǎng)關(guān)發(fā)起主動(dòng)連接［4］。而用戶需要隨時(shí)對家庭設(shè)備進(jìn)行控制，服務(wù)器必須隨時(shí)能夠?qū)W(wǎng)關(guān)發(fā)起連接。為了實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器互相通信。本方案采用socket長連接模式實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器配置固定IP，網(wǎng)關(guān)上電后發(fā)起對服務(wù)器的socket連接，連接成功后保持連接不中斷，服務(wù)器可通過此socket連接收發(fā)網(wǎng)關(guān)的信息［5］。

2.2.1 網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器長連接及意外中斷恢復(fù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

用戶需要隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭信息，例如回家路上打開空調(diào)，離開的路上關(guān)掉電源等，網(wǎng)關(guān)也需要隨時(shí)向用戶反饋家庭異常，例如煙霧報(bào)警信息，所以家庭網(wǎng)關(guān)必須與服務(wù)器隨時(shí)保持連接。本方案采用心跳包監(jiān)控網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間的長連接，當(dāng)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接成功后，服務(wù)器每隔一段時(shí)間（暫時(shí)設(shè)置為15 s）向網(wǎng)關(guān)發(fā)送心跳包，網(wǎng)關(guān)接收到心跳包后需立即回應(yīng)心跳包給服務(wù)器。若超過5次無回應(yīng)，則判定為連接中斷。服務(wù)器會(huì)將次網(wǎng)關(guān)在線標(biāo)志位置為0，同樣家庭網(wǎng)關(guān)上線后會(huì)有監(jiān)控心跳線程，若連續(xù)75 s內(nèi)無心跳信息，則會(huì)判定已與服務(wù)器斷開連接，網(wǎng)關(guān)會(huì)自動(dòng)重啟連接服務(wù)器線程。

圖3 服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)連接流程圖Fig.3 The flowchart of server and gateway connection

2.2.2 家庭網(wǎng)關(guān)控制權(quán)安全性的設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)的控制權(quán)必須是保證是家庭成員，不能讓陌生人取得控制權(quán)，否則會(huì)帶來不可估量的后果。家庭網(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)有一個(gè)可控手機(jī)號列表，必須通過本地web連接后才能更改，不能遠(yuǎn)程更改（防止黑客等利用漏洞遠(yuǎn)程添加控制權(quán)）。網(wǎng)關(guān)連接服務(wù)器后會(huì)上報(bào)可控手機(jī)號列表，只有在列表中的號碼才能遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器，并且手機(jī)遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器還要短信驗(yàn)證碼配合，防止他人偽裝登錄。手機(jī)登錄服務(wù)器后，發(fā)送控制家庭網(wǎng)關(guān)的命令時(shí)會(huì)在消息頭部增加手機(jī)號信息，網(wǎng)關(guān)收到信息后會(huì)核對該手機(jī)號是否在本地可控手機(jī)號列表中（防止服務(wù)器的手機(jī)號列表與網(wǎng)關(guān)本地手機(jī)號列表不一致）。

2.3 家庭網(wǎng)關(guān)連接控制模塊工作流程

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件流程如圖4所示，上電后初始化，然后向主服務(wù)器發(fā)送連接信息，若無法連接主服務(wù)器則向備用主服務(wù)器發(fā)送連接信息［6］。連接上主服務(wù)器后會(huì)上報(bào)自身的一些信息，包括可控手機(jī)號列表，主服務(wù)器會(huì)根據(jù)地理位置等信息返回一個(gè)最近的從服務(wù)器序號和IP地址等信息，然后網(wǎng)關(guān)連接從服務(wù)器。若連接從服務(wù)器連接不上，則會(huì)反饋給主服務(wù)器，主服務(wù)器會(huì)返回另一個(gè)從服務(wù)器的序號和IP地址信息用于連接。連接好從服務(wù)器后，家庭網(wǎng)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，但必須與從服務(wù)器保持心跳連接，才能保證其是可控狀態(tài)。

2.4 模擬測試的測試步驟和結(jié)果

本模擬測試方案中，為使數(shù)據(jù)庫訪問效率滿足性能要求，且PC遠(yuǎn)程控制可直接用瀏覽器實(shí)現(xiàn)，主服務(wù)器采用PHP 的YII框架搭建的web服務(wù)器，手機(jī)等終端和家庭網(wǎng)關(guān)連接主服務(wù)器則需要建立一個(gè)socket連接并把數(shù)據(jù)封裝為https協(xié)議。主服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)信息，可控手機(jī)號列表等信息，并負(fù)責(zé)分發(fā)從服務(wù)器序號和IP給網(wǎng)關(guān)，查找與手機(jī)號配對的網(wǎng)關(guān)所在的從服務(wù)器序號和IP并發(fā)送給認(rèn)證后的手機(jī)。

圖4 網(wǎng)關(guān)軟件流程圖Fig.4 The flowchart of gateway software

從服務(wù)器則采用PHP的Workerman框架來搭建，此框架是一個(gè)基于PHP的socket服務(wù)框架。網(wǎng)關(guān)與從服務(wù)器連接后保持心跳，手機(jī)獲取從服務(wù)器序號和IP后連接從服務(wù)器，根據(jù)網(wǎng)關(guān)服務(wù)號綁定與網(wǎng)關(guān)在同一個(gè)服務(wù)號里，在一個(gè)服務(wù)號里可包含多個(gè)手機(jī)，但只能一個(gè)網(wǎng)關(guān)，手機(jī)和網(wǎng)關(guān)之間可以互相通信。

服務(wù)器端打開workerman的進(jìn)程，開啟服務(wù)，如圖5所示。

網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程登錄到服務(wù)器，id為67，服務(wù)號為1，與服務(wù)器保持心跳連接，如圖6所示。

瀏覽器遠(yuǎn)程登錄，服務(wù)器認(rèn)證后分配其id為68，匹配到網(wǎng)關(guān)所在服務(wù)號為1，向網(wǎng)關(guān)（id為67）發(fā)出指令“l(fā)ight1 turn on”，服務(wù)器將指令轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。

圖5 服務(wù)器端開啟socket服務(wù)Fig.5 Turn on the socket service

圖6 家庭網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程登錄并保持心跳連接Fig.6 The home gateway remote login and keep a heartbeat connection

圖7 服務(wù)器端接收控制指令并轉(zhuǎn)發(fā)Fig.7 The server receives the control command and forwarded

3 結(jié)束語

模擬實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，通過心跳保持家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器長連接，分配服務(wù)號保證手機(jī)與家庭網(wǎng)關(guān)相關(guān)聯(lián)的方案可行。用家庭網(wǎng)關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PC作為智能家居系統(tǒng)中家庭的控制中心，能充分利用現(xiàn)有家庭網(wǎng)關(guān)資源。

［1］韓江洪.智能家居系統(tǒng)與技術(shù)［M］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［2］閻洪林.住宅智能裝飾［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2006.

［3］馬福萍，張江鑫.GPON系統(tǒng)中ONT管理控制模塊的設(shè)計(jì)［J］.光通信研究，2008（5）:25-27.

［4］ForouzanB.TCP/IP協(xié)議簇［M］.福羅贊.謝希仁，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［5］周明天，汪文勇.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［6］邱鐵.AMR嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

The design of gateway connects to the server in smart home system

LIU Xin-xing1，CAO Qi-sheng2，ZHANG Jian2，ZHU Zhen-dong2，CHEN Hui-hui1
（1.Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.FiberHome Telecommunication Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

The new smart home system uses the home gateway as the family's controlling center instead of a PC，the traditional C/S model can not keep the home gateway in real-time connection with a remote server，a new type of design of connecting the gateway to the server is needed.By using the master-slave server framework to balance the load，the heartbeat mechanism to keep the gateway in real-time connection with the server and by using three computers to simulate the authentication of the gateway and the master-slave server，it comes to the conclusion that the design is suit for the connection of home gateway and the remote server.

smart home system；remote control；home gateway；master and slave servers；long connection

TN914

A

1674－6236（2016）04-0114-03

2015-04-02 稿件編號：201504018

劉新星（1990—），男，湖南郴州人，碩士研究生。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。