作者简介:李坚强(1980—),男(汉族),广东省韶关市人,深圳大学副教授、博士.E-mail:lijq@szu.edu.cn
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Li Jianqiang, He Suiqiang, and Ming ZhongCollege of Computer Science and Software Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China
computer network; digital home system; intelligent gateway; power line carrier; smart home system; ZigBee wireless communication
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.06630
针对移动互联网多接口终端以及现代家庭物联网的广泛接入与控制问题,提出基于智能网关,具有多终端兼容多通信方式的智能数字家庭系统.在多通信方式下,研究UDP和TCP/IP等协议转换以及异构数据的处理,内网采用ZigBee和电力载波通信.采用基于电力载波的通信方式免去了通信布线问题,改进电力载波协议X10解决现代家庭控制与获取数据增大的问题; 集中控制模式可减少多设备控制所产生的数据量,有利数据传输.系统采用模块化设计,包括智能网关模块、电力载波模块、ZigBee模块和其他应用模块. 据此实现的展示模型,验证了该系统的有效性.
To overcome shortcomings of current smart home systems and insufficient power line carrier data transmission capacity, a smart home system based on intelligent gateway is studied in this paper.The system includes internal networking, intelligent gateway, and external networking. Multiple servers are designed in the gateway. The servers start at the same time and receive various forms of data, which are processed into an internal network format.There is also an external network that includes several communication modes such as TCP/IP, UDP and pipe. The internal network includes ZigBee and power line carrier(PLC)communication. Power line carrier protocol is improved to expand data transmission capacity to accommodate communication needs of a modern family.The smart home system is designed in modules, such as intelligent gateway module, power line carrier communication module, ZigBee wireless communication modules and appliacations within electrical equipment and appliances.Finally, this system is physically designed and verified.The smart home system introduced in this paper is easy to use and has strong compatibility.
物联网目前是全球关注的热点.随着物联网的快速发展,人们正不断地把能联入网络的设备和电器联入物联网,而基于物联网的数字家庭亦日渐被重视.2005年,《欧洲信息社会战略计划i2010-Initiative》提出创建统一的欧洲信息空间,提高数字通信技术领域的科研投资,通过使用数字通信技术来提高人们的生活质量和国家公共服务水平的目标[1]; 2009年,美国推出 “国家宽带计划”,旨在向全美范围内的家庭用户提供有线电视、高速互联网接入及电话等服务; 日本的U-Japan战略旨在建立无处不在的信息网络,向大众提供更便捷的网络信息服务.中国的现代服务业技术支撑体系与应用的示范工程、下一代互联网示范工程应用试验项目及产业化专项、有线电视数字化工程等项目,都有效地推动了家庭物联网的发展进程[2].
数字家庭以住宅为对象兼备建筑、网络家电、通信、家电设备自动化、远程医疗、家庭办公和娱乐等功能, 提供一个集系统、结构、服务、管理为一体的安全、便利、舒适、节能、娱乐、高效、环保的居住环境[3].广泛控制设备与传感网络的接入,要求网关平台能高效地处理各种协议和异构数据.然而,现有的数字家庭系统中家庭内部网络所用网络较单一,限制了各种家电设备的扩展应用.而且,当前家庭内网存在无线技术具有辐射、性能不稳定和易泄密等缺陷; 有线技术在家庭内部会造成安装不便,多次装修亦会增加成本.电力载波技术综合了有线和无线的优点,具有线路稳定、无辐射和数据安全等优点,同时因为在安装时不用对房屋进行重新装修,减少了装修成本.
目前多种智能终端的广泛使用,迫切需要一种可实现多协议转换的家庭网关平台.本研究采用电力载波(power line communication,PLC)技术为主的家庭内部网络,就是基于智能网关的数字家庭系统.该智能网关采用嵌入式平台,是数字家庭的核心,具有实现协议转换和数据处理等功能,且能对各种家电设备进行统一控制,系统外部网络使用Internet网络和移动电话网络,满足人们随时随地的联网需求.针对现有电力载波协议X10存在数据帧小,难以满足家庭物联网的广泛接入的问题,本研究对其进行了补充和扩展,以适应数据量大的要求,同时新增加的统一控制模式,可减少控制数据帧的大小.该系统设计在应用中取得较好效果.
数字家庭系统设计包括智能网关、家庭外部网络和家庭内部网络(图1).其中,家庭外部网络包括网页控制终端、手机控制终端和QT控制终端,采用的通信方式是最普遍的Internet网络和手机网络,实现用户随时随地接入网络.家庭内部网络主要包括电力载波控制网络和信息采集的ZigBee网络.电力载波控制网络主要是由电力载波通信技术组成的网络,用来把智能网关的控制数据通过电力载波发送模块,发送到电力线上,然后通过接收端的电力载波接收,将接收到的数据传送给控制设备.ZigBee网络主要是辅助电力载波网络,用传感器采集数据.因为传感器分布的地方并不一定有电力线, 所以采用耗电量较低的ZigBee来实现. 智能网关是数字家庭系统的核心,用64位三星S3C6410A处理器作为处理平台,包含TCP/IP服务器、用户数据包协议(user datagram protocol,UDP)服务器、管道服务器、串口收发模块和数据转换服务器5个服务器,用来对数据进行处理和转发,实现对数据统一控制和格式转换等操作.
三星S3C6410A处理器属于ARM11型的单指令处理器,但在流水线的后半部分允许极大程度的并行性,大幅提高指令处理速率.在指令执行过程中,一旦指令被解码,处理器将根据操作类型把被解码的指令发射到不同的执行单元中进行处理,该过程的处理速度非常接近并行处理速度.ARM11的数据通路包含多个处理单元,允许算术逻辑单元(arithmetic logic unit,ALU)操作、乘法操作和存储器访问操作同时进行.此外,S3C6410A处理器兼有价格低廉和实用便捷的优点,最终降低了数字家庭实现成本.
智能网关包括TCP/IP服务器、UDP服务器、管道服务器、串口收发模块和数据转换服务器.其中,TCP/IP服务器、UDP服务器、管道服务器和串口收发模块主要用于数据转发; 数据转换服务器是智能网关的核心,用来对数据进行认证和处理,并对其格式进行转换.
TCP/IP服务器是一种基于TCP协议的服务器,用于监听和接收采用TCP协议发送来的外部网络数据,并把这些数据转发给数据转换服务器.TCP/IP服务器上的数据处理流程如图2.
如图2,TCP/IP数据服务器把接收到的数据包转发至数据转换服务器,该服务器对数据进行验证后,根据数据协议判断,把数据转换成PLC协议所需的数据格式,然后对串口进行初始化和设置,并发送PLC格式数据.串口发送的数据通过电力载波发送模块被发送到电力线上.控制终端的电力载波接收模块将还原接收到的数据,以控制终端电器.
UDP服务器主要是对大数据发送,其启动需由数据转换服务器发送信号.例如,仅当UDP服务器接收到启动摄像头的数据信号时,MJPEG程序包才开始运行,服务器把数据发送给视频接收终端.UDP的视频监控数据流程如图3.
管道服务器用于接收通用网关接口(common gateway interface, CGI)数据,以及运行于终端之上基于跨平台的C++图形用户界面库QT的控制终端数据,它们都在数字家庭系统的开发板上运行,便于同平台后台数据的传送.管道服务器在运行时会自动创建server_pipe文件,并实时监视server_pipe管道,接收到数据后就将该数据转发至数据转换服务器进行处理.管道服务器数据处理流程如图4.
网页和QT的数据流程方式是异源同构方式,数据格式与TCP/IP相同,且同样用管道传送数据.
PLC通信的媒介是电力线,是一种通过载波方式传输数字信号或模拟信号的技术.该技术将高频信号加载到电力线上,用电力线传输数据,接收时又用专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来,并传送到终端设备.这是电力系统特有的通讯方式[4].
电力载波通信具有以下优点:
1)电力载波所用的是电力线,它是所有住房的基础设施,不需再专门铺设线路,因此以电力线作为通信线路,可大幅节约构建成本,同时避免因铺设网络线路而增加的装修问题,如在住宅中打孔、外接线路和重新布线等,使住宅更整洁美观.
2)电力线作为通信信道,不仅可实现即插即用,还可省去繁琐的拨号过程,接入电源即接入网络,插入电源就永远在线[5].
3)电力载波通信信号的传输介质是电力线,它是高电压高机械强度的传输媒介,抗破坏能力强,且轻易不会出现线路故障.
只要电力线铺设好,通信信道就建立好了,所以总体施工速度快,投资较少.
电力线网络使用范围广,它是现有最普及的网络,绝大部分家庭和地方都具有电力线网络,这些是电话、有线电视和有线网络所不能比拟的.因此,电力载波通信可轻松入户,为现代家庭智能化建设提供更广阔的发展空间,并具普适性.
本研究采用BWP09芯片作为电力载波模块,它集成了所有电力载波所需的接收和发送电路,只需简单的外接藕合线圈和隔离高压电容,就可组成完整的电力载波最小应用系统,具有高性能、低成本的优点.该模块还具有载波预防冲突机制,允许多套设备同时进行接收数据,即不会相互影响.该模块载波频点可根据客户需求为客户定制特殊控制功能.BWP09模块体积小巧,芯片面积仅约为20 mm×50 mm,使用单列直插排针的连接方式,是LED灯饰灯具控制、安防控制、及家居智能灯光控制的理想应用产品[6].
与市面上的载波模块相比,本设计的载波识别模块的体积小,可直接嵌入灯光管或LED灯饰中,更不必说体积较大的智能家居设备.
该模块是电力载波解析模块,可将串口输出的16进制协议信号转化为电力载波信号加载到220 V的电力设备中,或将电力线上的信号通过解析芯片转变成16进制的串口信号.同时,该模块还提供与IP地址识别模块直接结合的接口.在接收端使用相同设备,通过AVR单片机[7]解析协议,可实现对电器的智能控制.
数字家庭设备通常都带有存储模块,能记录最多256种模式[8].
本研究整合了3.1节所述的电力载波模块和IP识别模块的功能原件,设计出如图6的电路方案.将设备IP的设定和存储模块压缩在一个小模块中.该模块的硬件体积虽小,却能与载波模块一起嵌入几乎所有日常的智能家居设备中.
通过改进电力载波协议X10,本研究开发出SZU_PLC电力载波协议.
如图7(a),X10电力载波协议只含地址码和执行码,执行的地址和内容有限,且抗干扰能力差.本研究开发的SZU_PLC协议,编码地址支持扩展,同时增加校验,增强了传输的抗干扰性.SZU_PLC数据帧格式如图7(b).当前构建需256个地址编码,后期可根据需要扩展,最高支持255×256个地址编码.所设计的控制协议分为集体控
地址码 执行码
(a)X10数据帧格式
帧头 电器组 组内各电器控制信息 帧尾
(b)SZU_PLC的数据帧格式
图7 X10数据帧与SZU_PLC数据帧格式
Fig.7 Data format of X10[11] and SZU_PLC
制和单个控制,这样可在大数据处理时节省数据开销,且更灵活.其中,集体控制即模式控制,在同一模式下,每个灯各具亮度控制,若想集中控制,只需发送1个模式号,即只需1个字节.
电力载波协议的数据定义为:
1)数据内容定义. ① 0x00~0xFF分类, 其中, 0x00~0xC7为数据(0~199); 0xC8~0xFF为帧头或帧尾(200~255). ② 帧头和帧尾, 其中, 0xC8~0xEF为模式更新帧(隐含模式信息)(200~239); 0xF0~0xFF为控制帧(240~255).这里,所有帧头为偶数; 帧尾为奇数.③ 两位数均是16进制.
2)数据模式定义.① 更新模式的数据帧格式.更新模式的数据帧格式为帧头+地址组+第1个灯的编号和此灯的亮度+…+第10个灯的编号和灯的亮度+帧尾,如图7(b).这样,1次携带10个灯的数据,更新也较方便.例如,更新模式数据为C8 00 01 32 01 32 01 32 01 32 01 32 01 32 01 32 01 32 01 32 01 32 C9,这表示将00地址组内的10个设备的开关、RGB和百分比更新.其中,C8为帧头(范围为C8, CA, …, EE)、(帧头减去0xC8除以2就是所更新的模式); 00为地址组(范围为00, 01, …, 64),每个地址组内包含10个地址; 01和32为更新设备的开关和RGB组合值和百分比(地址组内共10个设备需要更新); C9为帧尾(范围为C9,CB,…,EF),帧尾为帧头加1.② 启动模式数据帧格式.启动模式较简单,而该模式下的数据帧格式也简单,为“帧头+模式号+帧尾”.模式编号与功能表的对照如表1.
若数据帧为F0 00 F1,则表示所有灯启用00模式.其中,F0为帧头; 00为模式(具体编号见表1); F1为帧尾.
ZigBee通信[9]是一种短距离无线通信技术,具有距离近、功耗小、速率低和成本低等特点,可为用户提供机动且灵活的组网方式,非常适于家庭控制.为充分发挥ZigBee技术在智能家居控制网络中的优势,本研究采用ZigBee技术来实现智能家居中的传感器数据传输.ZigBee数据流程见图8.
系统首先通过AVR芯片,对各种传感器数据进行采集和处理.然后,通过现有的ZigBee通信模块发送端把数据发送到连接在ARM板上的ZigBee通信模块接收端,并通过串口把数据传送到数据处理服务器.最后,把需要的结果反馈到对应的终端上面.
外部网络主要用于控制终端的界面设计,具有简单、易用等特点.本研究针对常用的几种终端控制方式,如手机控制终端、网页控制终端和QT触屏控制终端等,设计出相应的控制终端.
手机软件采用现在比较流行的Android操作系统平台[10],使用该平台下的手机价格便宜,用户面广,属于系统开源,开发软件较快.
Android操作系统采用Linux内核,对硬件支持度高,是一种基于Linux和Open source的开源免费开发平台,其基于组件组合的体系结构更利于个人用户对应用软件的开发.它具有强大的绘图和声音支持,能自动管理软件生命周期同期.
手机客户端的工作原理:通过IP地址连接到智能网关,然后登录,并通过手机客户端产生命令字符串,通过socket向智能网关发送命令,智能网关接收并解释命令,调用相应的服务执行.在进入设置的activity界面的时候向服务器进行命令查询,读取出所有的LED灯的状态.这样可以保证数据的同步性,也可避免多个终端数据不同.
网页设计使用了超文本标记语言(hyper text mark-up language,HTML)加通用网关接口(common gateway interface,CGI)的方式,设计了一个静态网页.CGI是一个Web服务主机(server)提供信息服务的标准接口.CGI接口是为了在HTML的文件编写时,可将浏览器的数据输入到文件里,然后通过HTTPd或CERN服务器处理,能够让其他用户访问HTML文件.CGI与WWW几乎都同时出现,前者曾是HTML进行交互的唯一方法,目前,几乎所有的网页服务器软件都对CGI进行支持.
网页终端的工作原理:①浏览器通过HTML请求一个CGI应用程序的URL; ②服务器接收请求; ③服务器通过判断执行指定的CGI应用程序; ④CGI应用程序执行浏览者输入的内容; ⑤通过CGI应用程序把执行结果转化为浏览器或网络服务器能够解释的文档(通常是HTML网页); ⑥网络服务器把结果反馈到浏览器并进行显示.
QT终端是使用QT开发的一种界面触屏控制嵌入式软件,它运行于ARM开发板上,本研究使用7英寸屏,因此界面及功能设计设计也是以该尺寸为准.QT和服务器亦运行于ARM板上,故QT通信采用管道通信方式,这样可以避免和TCP/IP发生数据冲突.
QT终端工作原理是:QT控制终端在开启服务器的同时自动运行,并显示控制界面,客户选择模式后,系统将相应的数据传入后台,该数据在后台被打包成管道数据格式后,被发送到管道服务器所监听的管道中,管道服务器提取数据,并将其发送到数据转换服务器,由该服务器对数据进行解析和处理,执行和查询结果通过管道被反馈到QT终端界面并显示.
图9为本研究设计的数字家庭系统制作展示平台,该展示台四角是用于展示的LED灯,上方中间为视频监控的摄像头,中部右方一个带有7英寸显示器的智能控制终端,左方是一个模拟窗户.该系统实现了个人电脑、手机移动端和现场终端等方式控制功能,基于PLC等家庭内网数据传送实现了灯具、窗户和空调等电器的监控功能.该系统已开始在天津宝坻智慧城样板房推广.
数字家庭的组网方式主要有集中布线、无线射频和电力载波X10,该系统基于智能网关,接入操作方式更加多样,改进型电力载波内组网方式,相比现有的组网方式,本研究进行了性能比较以及相关测试,具体如表2.
从表2可见,改进型的SZU_PLC组网比其他组网方式具有建设方便,传送数据量大,传送距离长,穿墙能力好,功率较低,节点数经改进后,具有数据节点大、稳定性好、无辐射等优点.
针对当前智能家居系统控制方式与通信方式单一,以及PLC传送数据量不足等问题,本研究基于多种通信方式实现多种终端控制的数字家庭系统,使用户随时随地都能轻松掌握家里情况,增强了家电使用的便捷性和安全性.通过改进电力载波协议,有效扩充了数据传输容量,适应现代家庭的通信需求.该系统通过传感器采集家居信息,实现了视频监控、智能控制电器和门窗等功能.通过实物设计,验证了本系统具有较好的兼容性和稳定性.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
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