智能家居通讯网络架构的研究

学习上99%的红外遥控器，内部嵌入了MCU，而且已经烧入了固件，通过串口和外部通信，电路图如图2所示。芯片从红外接收管接收到红外数据，在芯片内部处理之后，通过串口TX端口将处理好的数据包发出。外部MCU发数据协议包到RX端口，YIRTX02经过对数据的处理，再经过红外编码，将信号从红外发送器发出，控制YIRTX02的MCU为CC2530，则可以红外网关作为ZigBee网络中的终端节点[7]。

2.5   主网关

Linkit Smart 76880 Duo开发板有TX和RX引脚，直接分别连到Zigbee局域网中协调器上的CC2530 的RX和TX硬脚上，这样主网关与Zigbee局域网构成了有效的数据链。并且，开发板上有WIFI收发电路，可以直接通过WIFI连接到互联网，板上有HOST USB接口，可以通过USB摄像头，采集图像数据。

3   软件设计

3.1   ZigBee局域网和网关的协调

主网关是整个智能家居通信架构的核心，一方面承担着数据的传输任务，同时还具备控制主机的功能。在局域网络中每个节点设备的信息、数据都是在主机中不断更新和保存，通过协调器来连接网关和各个设备，协调器作为系统的第一个节点，负责无线网络的建立和参数的配置。当数据来自于节点并发送给协调器时，需要利用协议簇（Z-stack）来对数据类型进行划分，而当数据为透传数据时则不需要进行区分，直接传给网关。协调器和网关的运行流程图如图3所示，（a）是协调器的运行流程，（b）是网关的运行流程。通过协调器搭建好局域网后，从每个设备节点获取设备信息，向网关发送所有设备的有关信息，并初始化系统中的所有设备列表。接着，两者便会不停的进行发送和接收的操作，协调器从节点接收到的数据大致分两种类型，一种是Z-stack协议栈的内部消息;另一种是节点发给网关的透传数据，透传数据指的是从硬件设备传送给传感器等设备后，需要上传的数据。网关发给协调器的数据也分两种，第一种是直接给协调器的数据;第二种是透传发给终端设备的数据，它指的是远程发送的指令。当收到来自于协调器的数据后，网关将更新设备列表中的内容，同时上传有关数据给服务器。而当收到来自于服务器的命令时，网关会迅速透传给节点，确保命令的时效性[8][9][10]。

3.2   Linux 网络编程

Linux的网络编程采取Socket套接字，发送和接收就是通过write（）函数和read（）函数，Socket就是应用层和TCP/IP层之间的中间层，在编程时不需要考虑具体数据的有关操作。Socket通信是成对出现的，分别是sever端和client端，标准的套接字分为TCP和UDP两种方式，TCP是面向连接的服务，其优势在于能够精确发送和接收数据，而UDP协议是面向无连接的服务，可能无法正确的对数据进行收发。所以在通过socket（）函数创建套接字时，选择TCP数据格式。

3.3   数据上传和远程控制

这里采用EDP协议的目的一是为了对家电设备进行远程控制，二是保证家电设备中的数据上传。EDP消息包的组成元素有：消息类型（一个字节）、剩余消息长度（1-4字节，指示选项+消息体的长度）、选项（根据消息类型0个或多个）、消息体（根據消息类型0或多个字节）。消息类型如表1所示，程序设计时需要用到的消息类型有CNN_REQ、CONN_RESP、SAVE_DATA、SAVE_ACK、 CMD_REQ、CMD_RESP、PING_REQ、PING_RESP。

初始化系统之后，通过套接字连接平台服务器地址jjfaedp.hedevice.com，TCP 端口876。向服务器发送连接请求，登录设备。网关接收到连接响应之后，表示网关正常登录。通过SAVE_DATA类型消息包，网关将需要更新的数据发送给服务器，等待服务器的响应，当接收到SAVE_ACK消息包数据表示数据成功上传。数据在服务器中的保存时限为一年，手机APP客户端可以通过服务器查询数据。当远程客户端发送控制指令，表示服务器发送CMD_REQ命令请求，此时网关将数据发送至对应的ZigBee终端。整个过程需要周期性地向服务器发送心跳包并等待服务器的心跳应答，若无反应则可能是因为某种原因与服务器失去连接，需要重新登录。

4   仿真与调试

用户界面的设计采用中移物联网开放平台，界面中包括家庭设备的远程控制以及数据显示等。在中移物联平台的应用管理中，可以添加应用，其中支持的应用有文本显示、定位显示、图像显示、折线图显示、开关、旋钮。在应用设计中，主网关的状态信息通过文本来显示，对应的数据流为gateway_status;温度和湿度用折线图显示;监控的视屏（5S刷新一次）用图片显示;而开关的数据流则用智能排插的数据流显示。用户界面如图4所示。需要注意的是，在设置开关时，EDP命令中0002表示设备的地址是0002，即在ZigBee局域网中对应节点地址为2。{V}中的V表示开关的值，每次执行动作时都会向网关发送该命令。比如，当执行开的命令时，会发送“00021”字符串。

设计好界面后通过SSH进入主网关，执行主网关程序中可执行文件SmartHome。网关的可执行文件是通过Eclipse交叉编译生成，在/home 目录中执行./SmartHome命令。在用户界面中温湿度通过曲线图显示，图5中显示温度27°，湿度67%，其中横坐标表示时间。图中温湿度的值为零的原因是设备刚开机，传入了为零的温湿度值。

远程控制现象如图6所示，当按下K1时智能排插中的继电器会闭合，这个过程是服务器发送EDP消息到网关，网关再发给终端执行。图6中左半部分表明网关的运行情况，图中显示收到了49个字节的EDP数据，其中“d9a24d57d-07b1-5aaa-b116-33bb1b44404d”代表是本次命令的序号，服务器每次发送命令的序号都是唯一的，可以通过命令序号查询有关信息。“00021”中“0002”表明发送是开关K1的命令，“1”表示开关打开。网关收到命令会立即发送至终端，终端在执行后会返回消息给服务器，服务器接收到消息之后会弹出“开关指令下达成功”的窗口，表明命令执行成功。

5   结   论

通过对整个系统的制作与调试，验证了智能家居通信网络架构是可行的，通信架构的传输速率满足要求，其中服务器发送命令到网关，所需的时间是300 ms，网关再发送到终端需要200 ms，命令响应需要500 ms，从客户端发送命令到终端，再接收到响应需要约1s時间。在用户界面的显示中，数据只能3秒刷新一次，图片只能5秒刷新一次，造成这种情形的原因是服务器所决定的，因为服务器是免费的，所提供的带宽非常小。在大型的智能家居系统中需要选择带宽大的服务器来满足大数据传输要求。

参考文献

[1]    毕赣斌，何勇，赵诗辞.基于ZigBee技术的智能家居控制系统的设计[J].计算技术与自动化，2017，36（1）：74—77.

[2]    XU Bai-quan. Design and implementation of an intelligent home control system[J].Applied Mechanics and Materials，2014，3458（631）：660—663.

[3]    LI Bo，DAI Hong-ying，CHENG Hui-fei. Research of smart home system based on handheld device[J].Applied Mechanics and Materials，2014，3335（596）：188—191.

[4]    彭银桥，吴吉.基于ZigBee技术的智能家居控制系统[J].电子技术与软件工程，2018，（8）：43—44.

[5]    ZHANG Peng-ju，GUO Gai-zhi，YU Zong-zuo. Application of wireless sensor network in embedded smart home system[J].Applied Mechanics and Materials，2015，3785（738）：74—78.

[6]    杨帆，宋开怀.基于Zigbee网状网络的智能家居系统[J].自动化与仪器仪表，2018，（5）：105—108.

[7]    祝振宇，陈冰红.基于ARM及ZigBee的智能家居远程监控系统实现路径[J].自动化与仪器仪表，2019，（3）：182—185.

[8]    陈培英，王承林，胡红林，等.基于ARM及ZigBee的智能家居远程监控系统实现路径[J].现代电子技术，2017，40（19）：41—44.

[9]    沈显庆，崔保峰，张欣欣，等.基于ZigBee技术的家居环境监测系统的设计[J].工业仪表与自动化装置，2016，（5）：92—95.

[10]  任瑾，龙小丽，张晓亚.基于ARM和ZigBee技术的智能家居系统的设计[J].自动化应用，2017，（8）：49—51+54.

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