吳 磊，朱 杰

(北方工業(yè)大學 計算機學院，北京 100144)

基于家庭多協(xié)議網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)

吳 磊，朱 杰

(北方工業(yè)大學 計算機學院，北京 100144)

隨著無線通訊技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展,很多的家居產(chǎn)品逐步采用智能化系統(tǒng)。在一個智能家居系統(tǒng)中，不同的智能家居設(shè)備采用不同的工業(yè)通訊控制協(xié)議，用戶為了實現(xiàn)對不同通訊協(xié)議下的智能家居設(shè)備的通訊控制，需要使用不同的控制軟件，由此增加了用戶使用智能家居設(shè)備的復(fù)雜度。為此，需要設(shè)計和制定一個方便的通訊控制協(xié)議，便于在一個復(fù)雜的智能家居網(wǎng)絡(luò)中，對采用不同通訊協(xié)議的智能家居設(shè)備的控制。針對不同類型的智能家居設(shè)備，采用各自的工業(yè)通訊控制協(xié)議，在一致化通訊接口的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了不同類型的智能家居設(shè)備的通訊控制。工程實踐驗證了所采用的一致性通訊協(xié)議對于基于不同通訊協(xié)議的智能家居設(shè)備通訊控制的有效性,因而可以簡化智能家居的控制與使用。

智能家居系統(tǒng)；多協(xié)議；設(shè)備控制；一致化通訊

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)的結(jié)合，促進家居設(shè)備向智能升級。尤其在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了越來越多的智能家居設(shè)備。通過對目前智能家居市場的發(fā)展趨勢分析，預(yù)計在今后的幾年全世界范圍內(nèi)將有近億的家庭構(gòu)建智能、舒適、高效的家居生活。因此智能家居產(chǎn)業(yè)蘊含著巨大的市場潛力[1]。

隨著智能手機和平板電腦的日益普及，通過這些智能終端，用戶可以實現(xiàn)對家居系統(tǒng)進行控制，這種控制方式方便、快捷，將成為未來智能家居系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。但是，現(xiàn)在的家居設(shè)備由于其生產(chǎn)設(shè)計時采用的通訊協(xié)議不同，因此有多種不同的控制方式。例如，電視和空調(diào)等類型的家居設(shè)備一般都使用紅外控制[2]，而一些音響設(shè)備則采用藍牙或者WiFi進行控制。在用戶實際使用這些設(shè)備時，需要使用對應(yīng)的通訊控制終端，因此用戶需要使用多個控制終端才能實現(xiàn)對不同通訊協(xié)議設(shè)備的控制[3]。通過一個智能終端(如手機)來實現(xiàn)對不同通訊協(xié)議的智能家居產(chǎn)品的控制，將更加方便用戶的操作。

文中在一個多協(xié)議的智能家居系統(tǒng)中，設(shè)計了一致性通訊控制協(xié)議。通過使用該協(xié)議，實現(xiàn)對采用不同通訊協(xié)議的智能設(shè)備的控制。

1 智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，國內(nèi)外對于智能家居系統(tǒng)進行了很多研究，因此智能家居在近年來一直是研究熱點。

蘋果在其開發(fā)者大會上介紹了自己的智能家居控制中心HomeKit，基于此開發(fā)平臺，蘋果公司設(shè)計出了門鎖、攝像頭、插座開關(guān)等各種智能家居設(shè)備，用戶可以通過Siri進行控制[4]。三星公司則推出名為Smart Home的智能家居概念，在其設(shè)計的智能家居系統(tǒng)中，消費者家中的各種設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)建立連接，然后通過智能手機來實現(xiàn)對家中智能設(shè)備的控制[5]。

許多國內(nèi)的科技公司在智能家居方面提出了各自的方案。小米智能家居布局設(shè)備控制主要是依靠小米路由器。通過小米路由器、小米路由器App、小米智能家庭App可實現(xiàn)多設(shè)備智能聯(lián)動，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、影音分享、家庭安防、空氣改善等功能和應(yīng)用場景十分豐富。京東推出了京東智能云，通過使用智能云，超級APP實現(xiàn)了對各硬件的“互聯(lián)互通”[6]。由于使用了云模式，這一服務(wù)目前嚴重依賴互聯(lián)網(wǎng)，因此接入的智能產(chǎn)品必須內(nèi)置WiFi模塊[7]。

2 智能家居系統(tǒng)出現(xiàn)的問題

通過對當前成熟的智能家居系統(tǒng)的研究，現(xiàn)在的智能家居系統(tǒng)中的設(shè)備多采用單一的通訊協(xié)議。但是隨著智能家居設(shè)備的種類逐步增多，智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)的功能也越來越復(fù)雜。為了能夠完成復(fù)雜的功能，需要采用不同功能和類型的智能家居設(shè)備。這些智能家居設(shè)備有可能采用不同的通訊協(xié)議，例如有的智能家居設(shè)備采用WiFi，有的采用ZigBee，有的采用藍牙。由于在智能家居系統(tǒng)中沒有統(tǒng)一的通訊協(xié)議，因此用戶如果需要實現(xiàn)對智能家居設(shè)備的控制，需要采用與之對應(yīng)的通訊協(xié)議。這就需要增加很多硬件設(shè)備來實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，例如用戶的手機無法與采用ZigBee通訊協(xié)議的智能設(shè)備進行通訊[8]。因此需要設(shè)計統(tǒng)一的通訊控制協(xié)議，實現(xiàn)對采用各種不同的通訊協(xié)議的智能設(shè)備的控制。

3 智能家居系統(tǒng)控制協(xié)議的制定與實現(xiàn)

在一個采用多種不同通訊協(xié)議的智能家居系統(tǒng)中，為了使采用不同通信協(xié)議的設(shè)備共同存在于同一個系統(tǒng)中，并簡化相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換過程，可以設(shè)計和制定一個統(tǒng)一簡潔的通訊控制協(xié)議，便于用戶發(fā)送的信息在系統(tǒng)中進行通信，從而實現(xiàn)有效控制[9]。

3.1多協(xié)議智能家居設(shè)備交互協(xié)議的制定

針對用戶與采用不同通訊協(xié)議智能設(shè)備之間的通信，需要為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一標準的通信控制接口，隱藏具體設(shè)備通訊控制協(xié)議的細節(jié)[10]。在進行應(yīng)用程序設(shè)計時，只需調(diào)用制定的通訊控制接口，就可以在智能家居系統(tǒng)中，實現(xiàn)對采用不同的通訊控制協(xié)議的設(shè)備的通訊與控制[11]。

在基于多種通訊協(xié)議設(shè)備組成的智能家居系統(tǒng)中，采用的通信協(xié)議多種多樣。這些采用不同通信協(xié)議的智能設(shè)備共同構(gòu)成了一個多協(xié)議智能家居系統(tǒng)[12]。由于不同類型的智能家居設(shè)備通過該系統(tǒng)和用戶的手機或平板計算機進行交互，因此要求智能設(shè)備既能及時地接收并解析出用戶發(fā)送的指令，還可以正確地向用戶返回設(shè)備當前的信息狀態(tài)[13]。

在一致性通訊控制協(xié)議中，其協(xié)議的數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit)格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)單元格式

(1)設(shè)備編號：智能家居系統(tǒng)中的設(shè)備標號；

(2)協(xié)議類型：智能家居設(shè)備所使用的私有協(xié)議；

(3)命令類型：用戶發(fā)給各個智能設(shè)備的命令，各命令的含義一般代表一定的意義；

(4)數(shù)據(jù)長度：數(shù)據(jù)單元的長度。在制定的一致性通訊協(xié)議中，協(xié)議中指令的長度各不相同，具體的長度可以通過該字段設(shè)置；

(5)數(shù)據(jù)：需要通訊的數(shù)據(jù)。

3.2多協(xié)議智能家居交互協(xié)議的實現(xiàn)

文中設(shè)計的一致性通訊控制協(xié)議的具體實現(xiàn)過程包括數(shù)據(jù)封裝成通訊報文、通訊報文的解析和具體控制指令的生成。在采用該協(xié)議時，用戶可以在手機或平板計算機的軟件平臺上發(fā)送控制智能家居設(shè)備的指令，這些控制指令被封裝到以太網(wǎng)幀，發(fā)送到以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)中的交互協(xié)議解析器通過以太網(wǎng)接口接收到數(shù)據(jù)。這些以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)包，在交互協(xié)議解析器的中心單元進行處理，通過對報文的逐層解析，讀取出用戶發(fā)送的控制指令的數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶發(fā)送的控制指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，如果用戶發(fā)送對某個具體設(shè)備的控制信息，則中心處理單元對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行處理后，將生成的控制指令通過串口總線發(fā)送給對應(yīng)的接口，在對應(yīng)的接口封裝成對應(yīng)的通訊報文發(fā)送出去。

3.2.1 多協(xié)議網(wǎng)關(guān)處理報文流程

在一致性通訊控制協(xié)議中，對報文的處理過程如下：在手機或平板計算機上的智能家居控制軟件，根據(jù)用戶具體的操作，將其封裝成對應(yīng)的通訊報文并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。在多協(xié)議網(wǎng)關(guān)中，通過對用戶發(fā)送過來的通訊報文進行解析，可以獲得用戶具體的操作等信息。網(wǎng)關(guān)根據(jù)用戶需要執(zhí)行的操作類型和操作的目標設(shè)備，選取數(shù)據(jù)域中相對應(yīng)的字段，將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)上對應(yīng)的通訊模塊。通訊模塊獲取這些數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)封裝到該模塊所采用的通訊報文中，并發(fā)送給目標設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3.2.2 數(shù)據(jù)的解析過程

用戶發(fā)送的控制指令被封裝在通訊報文的數(shù)據(jù)字段中，因此需要對報文進行解析，取出相應(yīng)的通訊控制指令。多協(xié)議網(wǎng)關(guān)接收到用戶發(fā)送的通訊控制報文后，對報文的內(nèi)容進行相應(yīng)的解析，一直解析到協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)后，取出其中需要的數(shù)據(jù)，其解析過程如圖1所示。

解析報文的步驟如下：

(1)在多協(xié)議網(wǎng)關(guān)中，以太網(wǎng)的端口保持監(jiān)聽狀態(tài)，如果檢測到網(wǎng)絡(luò)中有報文到來，則使用消息隊列來接受保存網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送過來的以太網(wǎng)幀。從消息隊列讀取以太網(wǎng)幀之前需要進行判斷，如果消息隊列當前的消息個數(shù)為空，則放棄讀取，如果消息隊列當前的消息個數(shù)不為空，則讀取一條以太網(wǎng)幀進行解析；

(2)從讀取出的以太網(wǎng)幀中查找到該幀中對應(yīng)的IP消息頭標識符，如果找到，則對該以太網(wǎng)幀繼續(xù)執(zhí)行解析處理，通過IP消息頭標識符可以解析該以太網(wǎng)幀中的UDP數(shù)據(jù)報文，如果沒有查找到IP消息頭標識符，則丟棄該以太網(wǎng)幀，重新從消息隊列中讀取一條以太網(wǎng)幀；

(3)在解析出來的UDP報文中查找UDP消息頭標識符，如果找到，則將該報文中與協(xié)議數(shù)據(jù)單元相關(guān)的數(shù)據(jù)解析出來，否則丟棄該報文，重新從消息隊列中取出一條報文；

(4)查找協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的消息頭標識符，如果找到，則將協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)解析出來，否則放棄該報文，重新從消息隊列中取出一條報文[14]；

(5)對讀取出的協(xié)議數(shù)據(jù)單元字段的數(shù)據(jù)進行解析，獲取相應(yīng)的信息，例如智能家居設(shè)備的編號、采用的通訊協(xié)議類型等，獲取這些信息后，將對智能家居設(shè)備控制指令信息放到相對應(yīng)的通訊協(xié)議報文中，并通過相對應(yīng)的端口發(fā)送出去，實現(xiàn)對智能家居設(shè)備的控制。

3.2.3 數(shù)據(jù)生成指令并發(fā)送

通過對報文數(shù)據(jù)域的解析，獲取一些相應(yīng)信息，例如用戶通信的智能家居設(shè)備所采用的通訊協(xié)議等。根據(jù)用戶需要通訊的目標設(shè)備，將控制指令發(fā)送給網(wǎng)關(guān)上對應(yīng)的通訊模塊。之后通過這些通訊模塊實現(xiàn)與目標設(shè)備的最終通信。

在具體實現(xiàn)的過程中，為了方便數(shù)據(jù)發(fā)送給相對應(yīng)的通訊模塊，自定義一個結(jié)構(gòu)體，在該結(jié)構(gòu)體中，定義了包含的智能家居設(shè)備編號、協(xié)議類型、命令類型、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)等信息。

Typedef struct bitType{

EQUIPMENTID equipmentid;

COMMANDTYPE commtype;

DATATYPE datatype;

DATA data;

LENGTH length；

CHECKOUT checkout;

END end;

}PROTOCOL;

網(wǎng)關(guān)把報文中各個數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)解析出來，將這些數(shù)據(jù)分別賦值給定義的結(jié)構(gòu)體中的各個字段，然后根據(jù)報文中的通訊協(xié)議字段，將該結(jié)構(gòu)體變量發(fā)送給對應(yīng)的通訊模塊。如果為WiFi通訊協(xié)議，則將賦值后的結(jié)構(gòu)體變量發(fā)送給網(wǎng)關(guān)上的WiFi模塊，在WiFi模塊中獲取結(jié)構(gòu)體中的相關(guān)信息，并將相關(guān)信息封裝到WiFi通訊報文中，并發(fā)送出去。

通訊模塊執(zhí)行完相應(yīng)的指令后，在規(guī)定的時間延遲內(nèi)，會收到反饋報文。通過對反饋報文的解析，通訊模塊會向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個告知信息，網(wǎng)關(guān)將告知信息通過封裝成以太網(wǎng)的通訊報文，發(fā)送給用戶手機。用戶手機通過對該告知信息的解析，判斷指令是否執(zhí)行成功，并根據(jù)結(jié)果進行下一步操作。

4 測試與驗證

為了對多協(xié)議智能家居系統(tǒng)中一致性通訊控制協(xié)議進行測試并驗證，采用了基于WiFi、藍牙、ZigBee通訊協(xié)議的智能設(shè)備組成的智能家居系統(tǒng)進行實驗。

在所用的智能家居系統(tǒng)中，采用相同通訊協(xié)議的設(shè)備，將根據(jù)自身通訊協(xié)議的特點，采用適當?shù)乃惴?，分別組建基于WiFi、藍牙、ZigBee通訊協(xié)議的智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)后可以增加設(shè)備之間的通訊距離，更加接近實際的應(yīng)用環(huán)境。實驗中分別采用20個基于WiFi的智能設(shè)備，20個基于藍牙的智能設(shè)備，20個基于ZigBee協(xié)議的智能設(shè)備，根據(jù)智能家居系統(tǒng)中各類通訊設(shè)備普遍應(yīng)用的組網(wǎng)方式，將這些設(shè)備分別組裝成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。WiFi智能設(shè)備采用星型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)；藍牙設(shè)備采用RPL路由算法，組建樹型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee設(shè)備根據(jù)自身協(xié)議棧，組建星型網(wǎng)絡(luò)。

在實際的智能家居環(huán)境中，丟包率和實時性是兩個重要的性能指標。如果通訊報文丟失率較高，會導(dǎo)致用戶需要發(fā)送多次通訊控制報文才能實現(xiàn)對智能設(shè)備的控制；如果通訊報文的延時較高，則用戶實際的體驗效果會非常差。因此，實驗中需要對這兩個性能指標進行測試。

4.1網(wǎng)絡(luò)丟包測試

在多協(xié)議智能家居系統(tǒng)中，使用統(tǒng)一的通訊控制協(xié)議實現(xiàn)對采用不同通訊協(xié)議的智能家居設(shè)備的控制，用戶在通過手機端向網(wǎng)關(guān)發(fā)送通訊報文時，會出現(xiàn)丟包問題。如果在通訊過程中丟包率過高，則會對多協(xié)議智能家居系統(tǒng)中設(shè)備控制的實時性造成影響，因此丟包率是一個需要考量的因素。

在實驗搭建的多協(xié)議智能家居系統(tǒng)中，通過手機上的控制軟件向智能家居網(wǎng)絡(luò)中的每一個智能家居設(shè)備發(fā)送50次通訊控制報文，在每個智能設(shè)備中會生成一個日志文件，統(tǒng)計總體的丟包個數(shù)。

重復(fù)上述實驗10次，統(tǒng)計每一次的丟包個數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

從表中可以看出10次實驗的丟包個數(shù)，綜合這10次實驗結(jié)果可計算出平均丟包率0.21‰，符合CCSA標準規(guī)定的最大丟包率1‰[8]。

通過測試發(fā)現(xiàn)，在一致性通訊控制協(xié)議通信過程中，丟包率控制在合理的范圍內(nèi)，可以很好地實現(xiàn)對采用不同通訊協(xié)議智能設(shè)備的控制。

表2 丟包數(shù)統(tǒng)計

4.2時延測試

在一致性通訊控制協(xié)議的條件下，指令傳輸過程中需要實現(xiàn)報文解析,并將解析出的結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的通訊協(xié)議，在實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換的過程中，會造成一定的延時。時延是針對在多協(xié)議網(wǎng)關(guān)中，將統(tǒng)一格式的以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)換成不同類型的通訊協(xié)議，并發(fā)送到對應(yīng)智能設(shè)備的時間間隔[8]。實驗中使用手機端的控制軟件向智能家居網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備發(fā)送50次通訊控制報文，每個智能家居設(shè)備會自動生成一個日志文件，記錄每一次接收到報文的時間，這樣通過計算可以得出每個設(shè)備的通訊時延。重復(fù)上述實驗10次，計算每一次實驗中，手機與WiFi、藍牙、ZigBee智能設(shè)備通訊的平均轉(zhuǎn)發(fā)延時。在不采用一致性通訊控制協(xié)議的條件下，將多協(xié)議網(wǎng)關(guān)替換成對應(yīng)的通訊模塊。通過對應(yīng)的通訊模塊，向基于WiFi、藍牙、ZigBee通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中的智能設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的通信控制報文。在一次實驗中，通過對應(yīng)的通訊模塊，向同一網(wǎng)絡(luò)中的每個智能設(shè)備發(fā)送50次通訊控制報文，在設(shè)備上通過日志文件記錄每次通訊的時延，重復(fù)上述實驗10次，統(tǒng)計在WiFi、藍牙、ZigBee通訊環(huán)境下的通訊時延。數(shù)據(jù)對比如表3～5所示。

表3 不同條件下WiFi智能設(shè)備時延對比

表4 不同條件下藍牙智能設(shè)備時延對比

表5 不同條件下ZigBee智能設(shè)備時延對比

雖然使用統(tǒng)一的通訊控制協(xié)議，用戶在發(fā)送控制命令實現(xiàn)控制時出現(xiàn)延時，通過大量的測試，對得出的數(shù)據(jù)進行分析，協(xié)議轉(zhuǎn)換造成的延時在可以接受的范圍內(nèi)，對系統(tǒng)的實際運行不會造成太大的延誤。

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)對采用不同類型通訊協(xié)議的智能設(shè)備的控制，提出了一種一致性通訊控制協(xié)議。設(shè)計并實現(xiàn)了一種多協(xié)議智能家居通訊控制協(xié)議的接口，實現(xiàn)了對采用不同類型通訊協(xié)議的智能設(shè)備在通訊控制協(xié)議上的一致性協(xié)議接口、報文的封裝和解析。在該多協(xié)議系統(tǒng)中，用戶的手機端軟件只需使用提供的一致性協(xié)議接口，就可以實現(xiàn)與采用不同通訊協(xié)議的智能設(shè)備之間的通訊，不需要考慮底層數(shù)據(jù)傳輸格式。該協(xié)議通用性好、數(shù)據(jù)傳輸可靠，能以較小的丟包率保證用戶手機端和智能設(shè)備之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸[8]。

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Design and Implementation of Communication Protocol with HomeMulti-protocol Gateway

WU Lei，ZHU Jie

(Institute of Computer,North China University of Technology,Beijing 100144,China)

With the development of wireless communication technology and embedded technology,a lot of household products have gradually adopted intelligent system.In a smart home system,because of the usage of different industrial communication protocols in different smart home devices the users need to use different control software to increase the complexity of using smart home equipment.Therefore,a convenient communication control protocol is designed to control the smart home equipment with different communication protocol in a smart home network easily.According to industrial control protocols of different smart home devices,control on different types of smart home devices has been designed and implemented based on the unified communication interface.The engineering practice shows that the consistency communication protocol is effective for the communication control of smart home devices based on different communication protocols and can simplify the control and use of smart home.

intelligent home furnishing system;multi-protocol;equipment control;consistent communication

2016-10-12

：2017-01-13 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-07-11

北京高等學?！扒嗄暧⒉庞媱潯辟Y助項目(YETP1419)

吳 磊(1963-)，男，副教授，碩導(dǎo)，研究方向為嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)；朱 杰(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170711.1455.052.html

TP302

:A

:1673-629X(2017)09-0150-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.09.033