智能家居系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關的研究

智能家居系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關的研究

摘要:隨著家庭網(wǎng)絡技術的發(fā)展,智能家居系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關標準化的問題日益突出。為解決不同標準和協(xié)議設備之間互聯(lián)互通問題,文章提出了一種支持家庭網(wǎng)絡標準工作組制定的標準協(xié)議的多協(xié)議家庭網(wǎng)關設計方案,使支持家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的各種設備很方便地接入家庭網(wǎng)絡,不同家庭網(wǎng)絡協(xié)議的設備與網(wǎng)絡實現(xiàn)互操作。關鍵詞:家庭網(wǎng)關;家庭網(wǎng)絡標準工作組;Internet;智能家居0引言家庭網(wǎng)關是智能家居系統(tǒng)的核心,它主要完成家庭內部網(wǎng)絡各種不同通信協(xié)議之間的轉換和信息共享,以及同外部通信網(wǎng)絡的信息交換功能。通過家庭網(wǎng)關,用戶可以很方便地通過Internet實現(xiàn)對家庭智能設備的遠程控制和管理,使得遠程設備維護和集成設備管理成為可能。智能家居是一個多行業(yè)交叉覆蓋的系統(tǒng)工程,雖然應用前景廣闊,但隨著家庭網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展,家庭網(wǎng)絡標準(DLNA、UPnP、ECHONET、LonMark、IGRS、ITopHome等)之間的競爭導致家庭網(wǎng)關和家電廠商難以選擇一種協(xié)議作為自己產(chǎn)品的標準。由于缺乏統(tǒng)一的協(xié)議標準,各設備廠商按照不同的接口標準與協(xié)議生產(chǎn)設備,使不同設備之間的互連、互通變得非常困難。如何設計一個家庭網(wǎng)關來實現(xiàn)不同協(xié)議之間的互操作變得至關重要。針對這個問題,本文通過提出一種兼容多種協(xié)議的家庭網(wǎng)關設計解決方案,研究了支持家庭網(wǎng)絡標準工作組制定的標準協(xié)議的家庭網(wǎng)關。1家庭網(wǎng)關體系架構1.1家庭網(wǎng)關體系架構根據(jù)家庭網(wǎng)絡標準工作組對家庭網(wǎng)絡的定義,它是融合控制網(wǎng)絡和多媒體信息網(wǎng)絡于一體的家庭信息化平臺,是在家庭范圍內,實現(xiàn)信息設備、通信設備、娛樂設備、家用電器、自動化設備、照明設備、保安(監(jiān)控)裝置及水電氣熱表、家庭求助報警等設備互聯(lián)和管理的系統(tǒng)。如圖1,家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)采用分層次的網(wǎng)絡拓撲結構,分為家庭主網(wǎng)和家庭控制子網(wǎng)兩個網(wǎng)段。家庭主網(wǎng)關是與外部網(wǎng)絡進行通信的橋梁,家庭控制子網(wǎng)中的設備通過子網(wǎng)關、主網(wǎng)關與外部通信。網(wǎng)關系統(tǒng)由ASP.NET服務器組件、網(wǎng)絡連接控件、家庭網(wǎng)關以及設備組成。ASP.NET服務器組件使用Web界面的方式,為用戶提供管理和使用網(wǎng)關的接口,提供給用戶人性化的組件參數(shù)設置界面,以方便用戶對各個設備的控制。如空調設備,可以在界面上對空調的溫度、風向、模式等進行配置。網(wǎng)絡連接控件使用了ActiveX控件技術,作為一個客戶端的組件,它的主要功能是提供訪問網(wǎng)關的通信協(xié)議,并實現(xiàn)客戶端與各設備的即時通信。家庭網(wǎng)關是家庭網(wǎng)絡內外信息交換的樞紐,對外提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接口,對內為家庭內部的各種設備提供互聯(lián)通道,并為家庭網(wǎng)絡提供豐富和強大的其他功能,如家庭設備的管理和業(yè)務開放、家庭網(wǎng)絡安全保護等。現(xiàn)有的家庭網(wǎng)絡體系多以局域網(wǎng)為主,不便于異地實時地監(jiān)控家庭中的各種設備,設備出現(xiàn)故障也無法及時關閉。本文設計的家庭網(wǎng)關很好地解決了這一需求,用戶可以通過Internet用家庭網(wǎng)關實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡中各種智能設備的遠程管理和監(jiān)控,使得設備運行維護比較簡單,能實現(xiàn)不同的人員,從不同的地點,以不同的接入方式(比如LAN,WAN,Internet/Intranet等)訪問和操作共同的數(shù)據(jù)。1.2支持家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的家庭網(wǎng)關體系架構考慮到家庭網(wǎng)關的實用性及可擴展性,本文對現(xiàn)有的家庭網(wǎng)絡協(xié)議對比分析后,決定采用更符合我國市場需求的家庭網(wǎng)絡標準工作組制定的協(xié)議,重點對增加家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議支持的家庭網(wǎng)關進行了研究。為了使家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議設備直接方便地接入家庭網(wǎng)絡,且不需要對原有的家庭網(wǎng)關體系架構作大范圍地修改,本文決定采用改造家庭網(wǎng)關的方法。具體方法是保持Web服務與家庭主網(wǎng)關之間的部分不變,修改主網(wǎng)關,使之兼容家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議,如圖2所示。與圖2中子網(wǎng)關相連的設備(如:設備1)遵循的是自定義的基于TCP/IP的網(wǎng)關協(xié)議,支持家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的各種設備是不能直接接入家庭網(wǎng)絡的。為了使支持標準協(xié)議的設備(如:設備3)接入家庭網(wǎng)絡,可以通過改造主網(wǎng)關,使之增加對標準協(xié)議支持,從而實現(xiàn)不同協(xié)議設備之間的互操作。使用圖2設計的家庭網(wǎng)關,不僅原來的設備可以接入家庭網(wǎng)絡,而且只要是支持家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的設備也能很方便地接入家庭網(wǎng)絡,不同標準和協(xié)議設備之間的互聯(lián)互通變得很容易。更加值得一提的是,當需要增加一種設備時,比如微波爐,就不需要按照原來的自定義協(xié)議對所買的微波爐進行改造,只需要直接使用市場上符合標準協(xié)議的微波爐即可,節(jié)省了人力物力,也大大方便了用戶。2多協(xié)議融合由于現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡標準眾多且沒有統(tǒng)一標準,給不同家庭網(wǎng)絡協(xié)議的設備之間的互操作帶來了一些困難。采用圖2所示的家庭網(wǎng)關體系,除了增加了對家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議設備的支持外,還可以使更多的不同標準協(xié)議設備比較方便地接入家庭網(wǎng)絡中,可以通過擴充網(wǎng)關的方式實現(xiàn)多種協(xié)議的融合,具體方法如下:在圖2所示的家庭網(wǎng)關體系中,外部網(wǎng)訪問主網(wǎng)關的部分不用修改,需要修改的是主網(wǎng)關以及主網(wǎng)關下面部分的結構。比如,需要接入閃聯(lián)(IGRS:IntelligentGroupingandResourceSharing)協(xié)議的設備,那么對主網(wǎng)關進行擴充,提供一個支持IGRS協(xié)議的接口,如同實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的支持一樣,再增加一個IGRS協(xié)議子網(wǎng)關,這樣,IGRS協(xié)議設備就可以直接接入家庭網(wǎng)絡。通過這種方法,實現(xiàn)了主網(wǎng)關動態(tài)增加協(xié)議的功能,降低了不同網(wǎng)絡協(xié)議設備互操作的難度。3協(xié)議轉換主網(wǎng)關要實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的兼容,難點在于家庭網(wǎng)關如何實現(xiàn)兩種協(xié)議的轉換,使用戶可以在Internet上通過家庭網(wǎng)關實現(xiàn)對兩種不同標準協(xié)議設備之間的管理和控制。下面主要描述家庭網(wǎng)關是如何實現(xiàn)這個協(xié)議轉換功能的。首先介紹網(wǎng)關通信協(xié)議。家庭網(wǎng)關不僅要與服務器進行功能交互,還需要對各種不同目標設備進行監(jiān)控。協(xié)議部分需要分為服務器與網(wǎng)關的通信協(xié)議,以及網(wǎng)關與各個目標設備的通信協(xié)議兩個部分。由于在實現(xiàn)支持家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議家庭網(wǎng)關的改造過程中,只是對主網(wǎng)關部分作了擴充修改,因此服務器與主網(wǎng)關之間的通信協(xié)議不變,還是使用原有的自定義的協(xié)議。但主網(wǎng)關與設備之間的通信協(xié)議需要進行修改,它要增加實現(xiàn)與家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議設備之間的通信。于是,當服務器與家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議設備之間進行互操作時,網(wǎng)關需要實現(xiàn)自定義協(xié)議與家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議之間的轉換,具體實現(xiàn)過程從兩個方面來分別描述。3.1設備編址方式及設備驗證方法原來自定義協(xié)議的編址方式是:設備地址由3字節(jié)構成,第一字節(jié)表示一級地址,第二字節(jié)表示二級地址,第三字節(jié)表示三級地址。若設備沒有二級地址或三級地址,則相應字節(jié)填0x00。家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議提供了統(tǒng)一的網(wǎng)絡設備地址UDS,作為子網(wǎng)設備的唯一標識。UDS長度為6個字節(jié),其結構如表1所示。當有新的設備注冊到網(wǎng)關時,主網(wǎng)關需要區(qū)分所連的設備是原來的設備還是家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議設備,才能對相應設備實行進一步的控制操作。本文通過具體的設備地址來區(qū)分,方法是:將標準設備地址分配到原來設備地址表中的保留地址范圍,且需要實現(xiàn)標準設備地址UDS與原來設備地址之間的轉換?？紤]到UDS結構圖中的設備編號是0~255以及設備地址表中一級地址保留范圍是10~249,可以通過將六個字節(jié)的UDS轉換為原有協(xié)議中3個字節(jié)的設備地址,其中一級地址表示家庭網(wǎng)絡標準子網(wǎng)關的編號,范圍是10~249;二級地址是標準設備編號,范圍是0~255;三級地址保留,為0x00。具體是將UDS結構中3字節(jié)的子網(wǎng)關編號轉為1個字節(jié)的一級地址,設備編號轉為1字節(jié)的二級地址。這樣,當網(wǎng)關檢測到注冊設備的子網(wǎng)關地址是在10~249之間時,就知道所連設備是標準協(xié)議設備,相應的如果子網(wǎng)關地址不是這個范圍,則為原來的設備。兩種協(xié)議都采用TCP協(xié)議作為傳輸數(shù)據(jù)的平臺,網(wǎng)關作為TCP的Server端,其他設備作為TCP的Client端,在傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)前必須建立TCP的Server-Client連接。首先介紹遵循原有的自定義協(xié)議網(wǎng)關在驗證設備注冊時的處理方法。當有新的設備連接到網(wǎng)關上時,網(wǎng)關首先驗證客戶端是否合法,從而決定是否建立邏輯通道。具體方法是:

a)建立TCP連接后,網(wǎng)關會主動發(fā)送本協(xié)議的連接操作;

b)當網(wǎng)關檢測到有設備與它建立TCP連接時將發(fā)出連接命令;設備收到該條命令后應做相應地回答;

c)若網(wǎng)關連續(xù)3次發(fā)送皆沒有響應則認為所連設備認證未通過,并做相應處理。根據(jù)家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議中的描述,子網(wǎng)關通過DHCP協(xié)議從主網(wǎng)關獲得IP地址,與自定義協(xié)議處理方法不同。家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議中,子網(wǎng)關作為主網(wǎng)關的一個設備,需支持DHCP協(xié)議,主網(wǎng)關也需支持DHCP協(xié)議。子網(wǎng)關作為DHCP的客戶端與主網(wǎng)關上的DHCP服務器通信,自動獲得IP地址。這種服務器動態(tài)分配地址的方法與原來自定義協(xié)議的實現(xiàn)方式不同,為了使主網(wǎng)關兼容家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議,采取改用服務器靜態(tài)分配地址的方法,即設定幾個子網(wǎng)關地址,由主網(wǎng)關主動發(fā)起,定時探測這幾個子網(wǎng)關是否成功連接。連上后,若主網(wǎng)關需要與子網(wǎng)關通信,進而控制家庭控制子網(wǎng)中的設備,則向子網(wǎng)關發(fā)送注冊數(shù)據(jù)包,注冊到子網(wǎng)關上,一旦注冊到子網(wǎng)關上,就可以根據(jù)家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議中主網(wǎng)關與子網(wǎng)關之間的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。3.2設備間通信家庭網(wǎng)關體系中的目標設備分為兩類:一類是按照原有協(xié)議改造后的設備,還有一類是支持家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的設備,這兩類設備按照各自相應的協(xié)議與網(wǎng)關進行通信?；趦煞N協(xié)議的設備與網(wǎng)頁分別進行數(shù)據(jù)交互時,網(wǎng)關的功能不同。首先介紹遵循原來自定義協(xié)議的設備與網(wǎng)頁互操作的過程,具體過程如下:當經(jīng)改造后的設備與網(wǎng)頁進行數(shù)據(jù)交互時,網(wǎng)關主要負責轉發(fā)數(shù)據(jù),如圖3所示。例如,當用戶在網(wǎng)頁上設置空調的溫度為26℃時,網(wǎng)關就將收到的數(shù)據(jù)包命令信息轉發(fā)給目標設備空調,空調收到后執(zhí)行控制命令,調節(jié)自身溫度到26℃;之后,空調會主動上傳包含溫度、工作模式等信息的數(shù)據(jù),同樣經(jīng)過網(wǎng)關轉發(fā)后在網(wǎng)頁中顯示當前空調的工作狀態(tài)。這樣,通過網(wǎng)關就成功完成了網(wǎng)頁與目標設備的一次互操作。由于在改造網(wǎng)關過程中沒有對外部網(wǎng)與主網(wǎng)關之間部分進行改變,服務器端與主網(wǎng)關的通信遵循的還是原來自定義的協(xié)議,所以當標準協(xié)議的設備與網(wǎng)頁進行數(shù)據(jù)交互時,網(wǎng)關不僅是轉發(fā)數(shù)據(jù),還需要實現(xiàn)原有的自定義協(xié)議與標準協(xié)議之間的轉換,如圖3所示。還是以設置空調溫度為26℃為例,網(wǎng)頁需要向支持家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的空調設備發(fā)送這條控制命令。為了實現(xiàn)設備間通信,就需要把原來自定義協(xié)議數(shù)據(jù)包轉換成標準協(xié)議數(shù)據(jù)包格式,且表述的意思也是設置空調溫度為26℃,從而與空調設備實現(xiàn)通信。4結束語本文在研究各種家庭網(wǎng)絡協(xié)議的基礎上,提出了一種兼容多種協(xié)議的家庭網(wǎng)關設計解決方案,研究了支持家庭網(wǎng)絡標準工作組制定的標準協(xié)議的家庭網(wǎng)關;重點介紹了家庭網(wǎng)關的軟件設計,分析和比較了兩種協(xié)議中驗證設備在網(wǎng)關上的注冊過程,并詳細描述了在設備間通信期間網(wǎng)關所起的不同作用。使用本文設計的家庭網(wǎng)關不僅可將支持家庭網(wǎng)絡標準協(xié)議的智能設備直接接入家庭網(wǎng)絡,且具有擴展性,當需要將其他協(xié)議設備接入網(wǎng)絡時,只需要為網(wǎng)關提供一個支持該協(xié)議的接口,即可實現(xiàn)不同協(xié)議設備間的互操作。這樣,整個智能家居網(wǎng)關系統(tǒng)就具有更強大的功能和更好的性能。參考文獻:

[1]曹京偉.SJT11312-2005家庭主網(wǎng)通信協(xié)議規(guī)范[S]