智能家居网关协议

智能家居网关协议（精选9篇）

篇1：智能家居网关协议

虽然家庭网关与家庭智能网关现在还没有特别明显的界定。从功能以及服务范围上，可以将它们区别开来。家庭网关，是作为所有外部接入网连接到家庭内部，同时将家庭内部网络连接到外部的一种物理接口。并且使住宅用户可以获得各种家庭服务的平台。

而家庭智能网关，具备智能家居控制枢纽及无线路由两大功能，负责具体的安防报警，家电控制，用电信息采集。通过无线方式与智能交互终端等产品进行数据交互。它还具备有无线路由功能，优良的无线性能，网络安全和覆盖面积。因此，从上述两者的功能来看，家庭智能网关则更具针对性，它更加的针对“智能化”的家居。将家庭网关更加深入和细化。因此家庭智能网关是包含在家庭网关之中的。

家庭网络系统采用分层次的网络拓扑结构，分为家庭主网和家庭控制子网两个网段。网关系统有ASP.NET服务器组件、网络连接控件、家庭弯管以及设备组成。家庭主网主要负责与外网进行通信，而家庭控制子网中的设备通过是通过子网关、主网关与外部通信。如果将一个家庭网关看成一个信息处理系统，组成系统的各个单元就是连接在网络各个节点的设备。网关系统由ASP.NET服务器组件、网络连接控件、坚挺网关以及设备组成。反映到具体对智能家居的控制上，如：空调，可以在ASP.NET服务器组件使用过的WEB界面进行对空调温度、风向以及模式的调节控制。

如上述所说，家庭网关还可实现对家庭网络中各种智能设备的远程管理和监控，从而对“智能家居”产品进行简单的维护和控制。此范围不限制用户、地点、甚至网络接入方式，只要接入网络访问，便可操作共同的数据。但也由此引发了用户私密泄露的问题。而就此，市场也有生产商顺应市场需求，研发私密性好的解决方案。如设计网络连接的控件技术等，同时可支持家庭网络标准协议的家庭网关体系构架，实现多协议融合。

随着家庭网络技术的快速发展，家庭网络的标准之间的竞争导致了家庭网关和家电厂商难以选择一种协议作为自己产品的标准。而市场上又缺乏这种统一的协议标准，导致下游各个设备厂商按照不同的接口标准与协议生产设备。使不同设备之间的互连、互通变得非常困难。反过来作为厂商，由于设备不配套导致的具体安装问题也让生产商们头痛不已。因此，网关、网络协议与设备的标准迫切需要统一。

国内家庭网关还处于起步阶段，除了价格之外，技术上更是缺乏多样性，兼容性较弱。再加上带宽传速也会影响系统传输。据工信部部长苗圩介绍，目前我国平均宽带连接速度约为每秒钟100Kb，远低于发达国家每秒钟约230Kb的平均速度，宽带不“宽”情况明显。带宽的问题也直接影响了智能家居系统在进行操作指令时出现滞后延迟的现象，家庭网关对于带宽传输也有很大的需求，智能家居控制器，承担整个系统的数据采集、协议转换、通讯转发、控制下达、存储配置功能。如果带宽不能满足需求，就会局限网关以及配套智能家居设施的功能，提供不了很好的用户体验，极大的不利于智能化家居控制以及设备的普及。

篇2：智能家居网关协议

协议网关

，

篇3：智能家居网关协议

麻省理工学院的Auto-ID实验室将物联网定义为:通过基于无线传感器网络(wireless sensor network)、射频识别、红外感应及激光扫描、二维码、GPS等技术将世界上所有物理通过互联网互联并主动进行信息交换，实现实时数据采集、处理和通信，从而实现对监测区域的智能化识别和监控[4,5]。

网关又称为协议转换器，是一个在网络中充当中转作用的计算机设备，其具体的功能为实现不同通信协议或计算机系统之间的互联，实现各种不同网络的互联以及各种数据格式的相互转换。

目前，已有的对网关进行研究的主要工作有:文献[6]设计了一种对果园参数进行参数检测的网关节点，首先对网关硬件进行了设计，然后对操作系统进行了定制，同时为了节约能量和降低通信费用，对前后两次收到的数据进行比较，对不可靠的数据不进行发送。文献[7]设计了一个基于PXA270低功耗嵌入式处理器的网关，该网关实现了以太网、USB和CF等接口，能实现对温室环境的智能监测。文献[8]设计了一种针对水环境监测的网关节点，对网关的软硬件进行了设计，网关采用ZigBee和GPRS无线通信技术，实现监测节点与监测中心的双向通信。文献[9]设计了一种基于WinCE的网关体系结构，能在完成监测数据和控制指令转发的基础上实现可视化的综合信息管理。文献[10]设计了一种适用于选煤厂点检系统的网关节点，通过传感器节点采集数据，在网关的上位机进行信息处理。文献[11]设计了一种适用于物联网需求的网关节点，对TCP/IP协议进行了改进，将嵌入式操作系统uC/OS-I移植到32位的ARM的处理器LPC2214。

上述工作均设计了满足某一特定监测需求的网关节点，具有重要的意义，本文在上述工作的基础上，设计了一种面向智能家居的物联网网关节点，对其硬软件进行了设计和描述，并通过系统测试证明了其有效性。

1 智能安居安防系统总体设计

智能安居安防系统的总体结构如图1所示，系统是由感知层、网络层和应用层构成。

从图1中可以看出，感知层是由各传感器节点构成的无线传感器网络、这些传感器节点分布在家庭房屋的各处，实时采集各类信息，传感器节点主要包含温湿度传感器、光敏传感器、烟雾传感器和红外传感器。网络层主要是由物联网网关构成，主要实现两种或两种以上网络的互联以及协议的转换。应用层主要包括移动电话、个人PC通过互联网或移动通信网来访问上位机数据库中保存的数据。

2 网关硬件设计

2.1 网关总体结构设计

网关节点基于S3C2440的Micro2440核心板，它基于ARM9系列的处理器内核，具有MMU单元和丰富的接口，能很好地满足嵌入式开发需求。网关总体硬件结构如图2所示。

2.2 微控制器

微控制器采用S3C2410，具有功耗低、性能高和价格低等优点，其CPU为16/32位的RISC精简指令ARM920T处理器，实现了AMBBUS、MMU和Harvard高速缓存，具有8字长的16KB的指令闪存和数据闪存，同时具备扩展I/O接口、ADC接口、MMC接口、JTAG接口，LCD控制器、电源控制器、PWM定时器、USB主机和期间控制器、外部中断源以及其他接口电路等。

2.3 以太网接口

以太网芯片DM9000支持IEEE802.3x全双工流量控制和半双工流量控制，兼容3.3V和5V的输入输出电压，支持处理器的字节或双字节读写方式，具备4K的静态随机存储器。

2.4 3G接口

采用华为公司研发的EC189无线上网卡作为3G接口，下行最大速率为3.1Mbps，能同时传送文本、声音和图像信息，能实现感知层无线传感器网络与移动通信网之间的相互连接，EC189无线上网卡通过USB接口与微控制器S3C2410进行连接。

2.5 无线通信模块

采用DIGI公司的XBEE ZNET作为无线通信模块用于向感知层网络接收或发送数据包，其在室内和室外的传输距离分别为40 m和120 m，工作在2.4 GHz ISM频段，其通过串口与微控制器S3C2410进行通信，速率最高可达230 400 bps。

2.6 电源管理

由于在家居安防系统中，网关可以置于有阳光的环境或无阳光的环境中，因此，采用三种方式为网关提供电源，即蓄电池、市电和太阳能，当三种方式均可使用时，优先使用太阳能供电，三种方式使用的优先级顺序分别为:太阳能、市电和蓄电池。

3 软件设计

3.1 通信协议

为了进一步地降低节点能耗，需要对无线通信模块的能耗进行有效管理，设计出合适的通信协议，协议使得感知层节点与节点以及感知层节点与网关节点的无线通信模块均在较多时间地处于休眠状态，以降低网络能耗和延长网络生命周期。

3.1.1 MAC层协议

MAC层采用改进的T-MAC层协议，节点A载波侦听，当信道空闲时发送同步帧，节点B在收到节点A的同步帧后，向节点A回复同步帧，当节点A收到来自节点B的回复同步帧后，开始向节点B发送数据帧，节点B收到节点A发送的数据帧后向节点A发送ACK确认帧，节点A收到来自节点B发送的ACK确认帧后，节点A和节点B均进入休眠状态，当节点A再次需要向节点B发送数据时，两节点再度被唤醒进入图4所示的工作过程，如此循环往复。

节点A向节点B发送的数据帧的格式如图5所示。

3.1.2 网络层协议

网络层协议采用改进的LEACH协议，网络的运行过程与LEACH协议一样分为轮，但每个房间均作为固定的簇区域，各簇区域的簇头不再由随机产生数目，并判断是否超过阀值产生，而是由簇内的节点通过一定的顺序轮换，以均衡各节点能耗。具体过程可以描述为:簇头的选举与轮换、簇的生成和稳定的数据传输，具体运行过程如下:

(1)初始化:为每个房间即每个簇区域的节点分别建立带标志的数组，从中选择具有最大剩余能量的节点作为簇头，并将其在数组上相应的标志位进行标记，将此标记后的数组、当前运行的轮数和阀值发送给簇头。

(2)簇头在当前簇广播消息，宣布其成为簇，同在一个房间的节点自动成为簇成员。

(3)每个簇头与其他房间所在的簇头构成与网关的多跳路由树，并将簇内收集的数据进行融合后通过建立的多跳路由树发送给网关。

(4)当某簇头能量低于一定的能量阀值时，不再担任簇头，通过查询其所在数组中的下一个位置的节点，并在数组中标记该位置，同时将标记后的数组、当前轮数和阀值均发送给它，自己成为节点。

(5)当某个节点收到簇头的通知后，首先判断自己的能量是否低于能量阀值时:

如果低于则转入(4)，寻找下一个担任簇头的节点;

否则，向所在簇广播成为簇头。

(6)重复步骤(3)～(5)，当数组中所有标志位被标记后，开始新一轮的轮换，并将当前轮数加1，重新开始(1)～(5)直到所有节点能量耗尽。

3.1.3 传输层协议

传输层采用改进的UDP协议，标准UDP是一种无连接的协议，但是不能保证数据包的正确发送，因此，为了提高其发送效率，对其改进，以客户端1与客户端2进行数据传输为例，客户端1首先向服务器发送握手数据包，当在规定的时间未收到服务器的反馈握手数据包时，则再次向服务器发送握手数据包，同理，客户端2也重复上述过程，直到客户端1和客户端2均收到服务器的反馈握手数据包，才开始数据包的正常发送和接收。当客户端发送UDP请求数据包给服务器时，如果在规定段时间未收到服务器端的确认，则再次发送数据包直到收到服务器的确认数据包为止。服务器要发送命令数据包给客户端也是同样的运行过程，如果在规定段时间未收到客户端的确认数据包，则再次发送数据包直到收到客户端的确认数据包为止。

文中设计的改进的UDP协议可以表示为图6所示。

3.2 网关软件设计

网关主要是处理来自感知层无线传感器网络的串口数据和监控中心服务器发送过来的指令，因此，主要是分为串口收发和以太网收发两部分，其过程可以描述如图7所示。

从图7中可以看出，当网关进行初始化后，首先对网络监听，等待外部中断的发生，当接收到相应的数据后，对数据类型进行判断。

当数据为以太网数据时，则判断是否是监控中心服务器发送的命令，并对其进行解析，调用串口读写模块将命令发送给各簇头;

当数据为无线传感器网络发送的数据时，能对传感器端发送的数据进行解析后，将数据打包并通过管理平台交互模块发送给监控中心。

4．系统测试

4.1 网关丢包率测试

在某小区中布置实验环境，在住户房间中布置传感器节点，在阳台和楼梯处放置网关，在保安亭安装上位机软件，在网络初始化后，传感器唤醒的周期为6 s，重复进行实验10次，网关每收到1 000个数据包就统计丢失数据包个数，得到的结果如图8所示。

从图8可以看出，10次实验中，丢包数为2的次数为4，丢包数为1的次数为6，平均丢包率仅为0.08%，具有较高的可靠性。

4.2 系统功能测试

监控中心应用程序采用B/S结构，开发环境为Visual studio 2010,Web应用服务器为IIS，数据库服务器为SQL Server 2010，用户登录应用程序后，可以实时查看各房间的温度、湿度、光敏和烟雾等信息，并在参数值超过预设阀值时，启动相应的控制设备进行降温和通风等处理，如果参数值在某段时间始终高于预设阀值时，将发出警报通知住户进一步处理。

5 结语

智能家居安防系统是一个通过计算机技术、无线通信技术和布线技术实现的具有防盗报警、家电控制和信息服务等功能的系统。文中设计了一种面向智能家居安防系统的物联网网关，对网关软、硬件进行了设计，对MAC层、网络层和传输层通信协议均进行了设计。最后，通过运行系统进行测试，结果表明文中设计的网关具有较低的数据丢包率和较高的可靠性，其能支持系统实现各类参数的采集、开关的控制以及危险的预警。

摘要：为了实现智能家居安防系统的监测需求,并解决以往监控系统中网关存在的丢包率高、可靠性低和能耗高的问题,设计了一种基于改进UDP协议的物联网网关。首先,设计了以S3C2410为微控制器、DM9000为以太网芯片、EC189为3G模块和XBEE ZNET为无线通信模块的网关节点,然后,定义了MAC层的改进的T-MAC通信协议和对应的数据帧格式,在网络层设计了一种基于改进LEACH协议的低功耗分簇路由协议,在数据传输层定义了基于改进UDP的协议以实现数据的可靠传输,并定义了网关的软件流程。实验结果证明设计的网关能实现协议之间的转换,具有数据丢包率低、可靠性高和能耗低的优点,能辅助系统实现室内数据的实时采集和监控,并在数据异常时进行报警提示。

关键词：网关,物联网,家居安防,通信协议

参考文献

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篇4：智能家居网关协议

关键词:智能家居网关ARM9ZigBee数据融合

中图分类号:TP31文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0020-01

智能家居的开发与建设是物联网产业的一个重要组成部分,随着3G网络的普及和无线传感器网络在家居空间的应用,使得家居环境中信息共享、环境感知逐渐成为现实。智能家居系统的核心设备是智能家居网关,通过它可实现智能家居系统的信息采集、集中控制、远程控制、联动控制等功能。基于此本文研究提出了一种融合GPRS/3G技术和ZigBee技術的嵌入式智能家居网关设计方案。

1 智能家居系统的整体设计方案

本文设计的智能家居系统由家庭内部网、智能家居网关和远程接入网三部分构成。用户可通过家居系统随时了解室内的温感、烟感等环境参数并对家居设备控制,通过安防系统实时监控家庭安全和智能预警等。

家庭内部网络主要包括家居系统、安防系统、影音系统和资源共享等功能子系统。家庭内部网的构建采用具有低功耗、低成本、容量大、安全性高、抗干扰性能强的ZigBee技术。ZigBee节点具有自动组网的能力,无需人工干预,网络节点能够感知其他节点的存在,节点发生故障时,网络能够自我修复,并对网络拓扑结构进行相应地调整保证整个系统仍然能正常工作。本文采用TI_CC2430芯片作为家庭内部网的通信方案。ZigBee网络的子节点可以是温、湿度和光照等采集传感器,也可以是可控制自动窗帘、室内照明和门禁等执行设备。

智能家居系统的“大脑”是智能家居网关,它既要具有数据信息采集功能,又需要具有数据分析处理的能力,实现对家庭网络设备的智能化统一管理。网关也是家庭内部网和Internet的唯一网络设备,是家庭内部网和远程接入网的连接桥梁。家居网关为家庭内部不同类型、不同结构的子网提供桥接能力;在家居外部,实现Internet的接入访问,同时还提供防火墙的功能,阻止外界对家庭内部设备的非法访问和攻击。

对于外部远程接入网络,智能家居网关具有GPRS/3G移动无线网络和以太网的双重网络接口,可通过手机、PDA或者PC机驱动相应的家居设备,实现对家居系统的远程访问和控制,操作灵活方便、成本较低且易于推广普及。

2 智能家居网关硬件设计

智能家居网关是智能家居系统的核心组成,是系统的心脏,要具有较强的鲁棒性和稳定性,并能在发生故障时具有自动保护的功能。从功能、可扩展性、操作系统支持及功耗等方面比较,本方案采用基于ARM920T内核的高性价比的32位微处理器S3C2440,存储器选用64M的NAND_FLASH和64M的SDRAM。系统硬件原理框图如图1所示。

此外,它有足够的外围扩展接口,如主/从USB接口,100M以太网接口,RS232、RS485数据总线接口,JTAG接口,电源/复位模块,高清晰度LCD触摸屏,基于SIM300芯片的GPRS模块,基于TI_CC2430芯片的ZigBee模块,GPIO扩展接口。

3 智能家居网关软件设计

智能家居网关软件采用分层模块化的体系结构。由硬件驱动层、操作系统层、服务层、开放式家居数据融合和感知层以及应用层等五层组成。每层软件都独立完成一定的功能,并通过接口函数为其他层次提供服务。

硬件驱动层描述网关节点中Zigbee模块和GPRS模块等驱动; 操作系统层移植了嵌入式Linux实时操作系统,具有进程管理、内存管理等系统功能,为用户开发程序提供了便利;服务层在系统内核上移植嵌入式文件系统YAFFS和Web服务器BOA等,用户可以通过Internet中的PC机在远端实现对系统的远程控制和信息查询。面对家居设备种类及结构复杂性、家居数据空间传输链路和通信协议的异构性、家居设备行业标准的兼容性等诸多问题,开放式家居数据融合和感知层基于语义网标准,采用如XML、SOAP、WSDL以及UDDI技术标准实现面向服务的数据融合和感知,支持家居物理设备动态感知及配置,兼容DLNA规范。应用层提供多种模式的标准应用服务,如家居中环境的感知服务、设备操作服务、信息存储的服务、媒体共享的服务。该层为用户提供了个性化的客户端应用,便于用户对家居系统的智能化管理。

4 结语

智能家居系统对家庭状况全天候监控,使我们无论身在何处,都拥有一个放心的家。移动终端通过GPRS/3G网络实现对家庭的远程监控。当用户离开家时,网关将启动安防设备并把其状态发送至手机等移动终端。手机实时显示监控场景、ZigBee节点温、湿度等信息,并远程控制相应的执行设备,如自动窗帘、照明和门禁等。综上,本智能家居网关的设计方案为智能家居系统的实现提供了一个可行的途径,具有很强的系统兼容性和扩展性,应用简便,有着广泛的应用前景。

参考文献

[1]马忠梅,李善平,康慨,叶楠.ARM&Linux嵌入式系统教程.北京:北京航空航天大学出版社.2004.09.

[2]李平舟.基于CC2430的ZigBee无线数传模块的设计和实现[J].电子原器件应用,2008(4):40-43.

篇5：智能家居网关协议

基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计智能家居系统基本任务之一，就是能够通过Internet网络对各类电器实现操作控制。由于主要家居电器本身就由220V供电，因此利用电力线 实现设备监控是一种非常有效的方式。面向服务于智能家居系统的嵌入式网关设计，着重阐述了设计思路、芯片选型，以及电力线通信模块及其协议设计等关键技 术，并实现了以太网到电力线协议转换的软硬件设计。基于Internet网络，对连接于电力线的多类家用电器进行实际测试，结果表明系统运行稳定，监控功 能可靠，相关技术具有很好的实用价值。

智能家居系统，既涉及到家庭中各种高端信息设备的互联互通，也涉及到对家庭中各种照明、安防、电 器和基础设施之间的联网以及相互间的自动控制，最终为用户提供一种安全、舒适且方便的智能化和信息化生活空间。其一个基本的功能要求就是能通过电话线或因 特网实现对各种家用设备（如空调、热水器）的远程使用和操作控制。

“智能家居系统嵌入式网关设计”必须立足于满足需求，选择最佳技术方案，以自主技术为基础，充分考虑国内外家庭网络目前的发展现状和已有的标准（或规范），开发具有自主知识产权的家庭网络及其产品，并构筑安全、可靠且实用的家庭局域网络。

系统整体设计

家庭网关是智能家居系统的核心部分，各个不同协议子网之间的互联和信息共享都需要通过网关进行，而且网关还负责家庭局域网接入Internet。为适用 于普通的家庭用户，网关一般设计为嵌入式设备，并采用TCP/IP技术和高性能微处理器实现。家庭嵌入式网关应该能够实现CAN现场总线、Zigbee无 线通信和电力线载波等多种通信协议，同时具有Internet、GPRS和GSM等多类接口，以支持各类数据的传输。用户可通过有线和无线的以太网，以及 通过手机短信等多种方式，实现授权行为下的*浏览和家庭智能设备控制。

篇6：智能家庭网关

一、物联网简介

物联网的英文名称为“The Internet of Things”, 其较为普遍认同的定义是:物联网通过射频识别 (RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种传感设备, 按约定的协议, 把任何物品与互联网线连接, 进行信息交换和通信, 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

二、智能家居系统的定义

智能家居系统是集远程控制, 能耗管理, 智能用电于一身的综合管理系统。基于物联网的智能家居, 表现为利用信息传感设备将家居生活有关的各种子系统有机的结合在一起, 并与互联网连接, 进行监控、管理信息交换和通讯、实现家居智能化。

三、智能家庭网关系统的定义与功能需求

家庭智能网关是整个智能家庭网络的核心, 通过家庭网关才能实现家庭内部多种智能设备之间的联网, 以及从家庭内部到外部网络的互联, 因此设计性价比高的家庭网关是实现智能家居系统的关键。

一个智能家庭网关可以看成是一个信息处理系统。其软件部分为家庭网关应用平台, 辅助不具备信息化条件的设备实现信息化, 即提供信息处理的能力;硬件部分即家庭网关, 为与其相连的各家庭设备提供统一的信息交换接口及控制规则。总体而言, 网关要起到三个功能: (1) Internet接入功能, 包括路由、NAT (地址转换) 等等; (2) 家庭网络中各种不同通信协议之间的转换, 以及家庭网络系统与TCP/IP协议之间的转换; (3) 运行家电管理软件, 将使用不同通信协议的家用电器接入到家庭网络中, 并统一管理起来。

四、系统体系结构流程

整个智能家居系统需要解决的技术难题主要包括以下几个方面。 (1) 数据采集:需要有统一的数据采集方法。统一数据采集方法来有效管理和利用各家庭设备。 (2) 数据传送:形成有效的公共数据传送基础传输网络, 让应用提供者以可控、安全、高效的方式获取数据并发送反馈。 (3) 应用扩展:需要有多个层面的应用提供与扩展能力, 即随着家庭传感网络的扩展, 实现在家庭内部、运营商公共服务和第三方等方面进行应用功能的有效、方便灵活、低成本的扩充。

因此, 物联网智能家居系统可以由以下三个层次组成: (1) 第一层是传感网络, 包括智能家电、生活用品、家居设备、家用健康设备、RF读写器等, 这些设备或带有RF读写器, 或带有RFID、传感器, 可实现对家庭用品、家居设备的状态监控以及家庭成员的健康数据采集等; (2) 第二层是传输网络, 由家庭网关的物联网传送功能、宽带网络和家庭网关应用平台的传送功能组成, 实现数据的传输与计算; (3) 第三层是应用网络, 主要包括家庭网关的物联网应用功能、家庭网关应用平台的应用功能和由媒体内容提供商、应用提供商和用户终端组成的第三方应用功能。

系统工作流程:

用户在手机终端中输入控制命令, 通过无线网络传输到应用平台系统。家庭网关应用平台的中央控制器接收到信息后, 进行必要的处理和分析。而后通过家庭网关接口控制与其相连的相应家庭设备, 从而达到对智能家居的控制与操作。完成相应操作后, 设备返回一条完成指令, 由中央控制器反馈给使用者。用户不操作的情况下, 中央控制器会自动接受、监控各类传感器, 实时监控各类环境数据。一旦变化超出设定范围, 自动产生指令, 发送告警信息给终端用户, 并调节相应的智能设备, 从而营造安全舒适的家居条件。

五、结束语

物联网已经提升为国家发展战略的重要组成部分, 进入家庭应用是其成熟与成功的标志。随着技术的成熟与规模应用, 核心器件的成本会极大地下降, 建立起物联网的智能家居系统将是物联网发展战略的一个重要组成部分。

参考文献

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[2]韩江洪, 张建军.智能家居系统与技术[M].合肥:合肥工业大学出[1]版社, 2005

[3]赵继春.基于GPRS无线智能家居安防系统的研究与实现[D].邯郸:河北工程大学, 2007

篇7：面向PLC的智能网关系统设计

关键词：智能网关；工业PLC；通讯协议；接口

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0097-02

智慧工厂是现代工厂信息化发展的新阶段，它是在数字化工厂的基础上，依据工业4.0概念，利用物联网技术和设备监控技术，加强信息管理和服务。清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预，及时正确的采集生产控制、状态、图像数据，根据合理的生产计划编排生产进度。由于我国的工业系统主要是以PLC为核心的控制系统，研制多PLC的智能网关，对我国的智能工业有重要意义。

1 工业智能网结构拓扑

智能网关拓补图，如图1所示，其主要描述了工业智能网关的在工业应用中的实际所在的位置，其可以实时获取在其下层的任意一套PLC的运行状态和数据。并将数据分析包装上传至上层路由器，而后被传输到后台服务器，服务器上的应用程序会实时处理传输来的PLC数据并加以反馈。同时服务器可以实时向指定设备发送控制指令，经由路由器将数据分发到各路网关，而后各个网关会自行侦测此数据是否是其子层的PLC的数据。并将其分拣包装转化成MODBUS协议格式发送到指定的PLC控制系统。

2 工业智能网关软件

对于工业现场应用的任何系统不仅要求硬件达到一定的抗干扰级别，同时软件的稳定性和高效性也有着举足轻重的作用。为使得软件系统能与硬件系统达到完美的匹配，该系统采用了前后台处理方式，同时在引入使用DMA[3]，并且牺牲了一定的时钟速度的前提下，为该系统虚拟出一套6核处理器一般的性能，系统软件结构图，如图2所示，由于该系统主通道通讯吞吐量较大，故模拟传统PC通讯中的队列式FIFO数据存储结构[4]，该系统的主通道默认容量高达20 KB，在配合于200 MHz的时钟速度的主控DSP，完全可以胜任2.5 MB/s的主通道数据吞吐速度。对于四路子通道而言，各子通道吞吐速度也已高达

0.6 MB/s。子通道同样采用与主通道同样的队列式FIFO的数据存储结构[5]。

系统启动以后，会进行系统异常自检，检测各个通道通讯是否异常，隔离是否出现故障等。系统指示灯会根据预设的只是方式闪烁或者常亮。由于系统是前后台模式，故在无通讯数据时有一定的循环周期，该系统经测试得知系统的新任务最长响应速度仅为4 ns。当主通道获取新的数据之后，系统会在最慢4 ns之内响应，并对其进行解析，根据命令或者数据内容将数据打包分派到指定通道，对应通道上对应的设备会再一定时间时候响应该命令，并作出响应的应答，智能网关便会将应答数据打包上传到后台服务器上[6]。当子设备在某一时刻有异常情况出现时，智能网关能够实时获取上传来的数据并将其打包上传至服务器，等待服务器做出相应的回复[7]，指示该设备应该如何处理，系统软件流程，如图3所示。

3 性能测试与结论

该系统与传统的操作系统式智能网关性能对比，见表1。

作为物联网时代的智能网关控制系统，有其存在的必然性，对工业智能网关的研究也有其实际应用价值。

参考文献：

[1] 苏进.异步FIFO存储器的设计[J].微电子学与固体电子学，2007，（3）.

篇8：基于IPv6的智能家居网关设计

智能家居系统综合利用网络技术、自动控制技术, 实现对家电设备的集中管理, 同时为用户提供远程控制的功能, 从而使用户能够在千里之外了解家电设备的工作状态, 并对家电设备的工作方式进行控制。然而由于基于IPv4的互联网络的地址位宽的限制, 路由效率等问题, 正阻碍着智能家居系统的推广。而IPv6技术的出现, 很好的解决了上述的问题。凭借128位的IP地址位宽, 使得所有的家庭网关设备, 甚至是家电设备都能够直接通过以太网络与用户终端进行通信, 很好的解决了地址空间和路由效率的问题。

1 基于IPv6的智能家居系统

本文基于IPv6技术进行智能家居系统设计, 与传统的系统设计相比一个显著的优点就是利用IPv6协议所提供的海量的地址空间, 可以将系统中的每个设备都通过以太网进行连接, 从而使得网络的结构形式统一, 且所有的家电设备能够与用户终端进行点对点的直接通讯, 降低系统对家庭网关设备的依赖。所设计的智能家居系统架构如下图所示:

如图所示, 其中的用户终端可以是安装了智能家居客户端的电脑和智能手机设备。用户能够通过智能家居客户端所提供的用户界面进行各类信息的查看和家电设备的控制等操作。

家庭网关设备是远程用户终端在家庭网络环境中的一个本地代理设备, 主要实现对智能家电设备的本地化管理功能和对所w有数据包的路由功能。

各类家电设备是安装了控制模块的家电设备, 在该模块中可以运行经过裁剪的IPv6协议, 从而使得家电设备能够通过以太网与家庭网关设备和用户终端设备进行通讯。

2 智能家居网关设计

从前面的描述中可以看出, 智能家居网关设备是系统中的一个重要设备, 该设备作为用户终端设备的一个本地代理, 负责者系统中的各类家电设备的管理以及用户终端设备与家电设备之间数据交互的路由功能。因此智能家居网关设备的设计是系统的一项重要内容。鉴于本文所关注的主要内容为软件设计, 因此下面将对只能家居网关设备的操作系统设计和IPv6协议的实现两部分内容进行描述。

2.1 操作系统的选定

目前嵌入式系统中所常用的实时操作系统主要有两类, 分别是Vx Works和嵌入式Linux。这两个操作系统中, Vx Works系统内核目前还不支持IPv6协议, 因此就需要对系统内容进行改造, 这一工作不仅技术难度高, 同时购买内核源码的费用也相当可观, 不适合本课题的研究。而嵌入式Linux系统集成了丰富的网络功能, 支持多种平台, 并采用了模块化的设计结构, 而且集成了IPv6协议, 同时嵌入式Linux还是个开源的系统, 能够方便的进行相关代码的修改, 各类相关学习和研究资料也丰富, 也有利于学习和成长。因此, 相比之下嵌入式Linux系统是一个较好的选择。因此, 本课题的研究中选择了嵌入式Linux作为家庭网关设备的操作系统平台。

2.2 IPv6的实现

在嵌入式Linux系统2.1.38以上版本的Linux内核中集成了IPv6协议栈, 因此使用该版本的嵌入式Linux系统不需要进行任何的改造就能够获得全部的IPv6的功能, 这会给本课题的研究带来极大的便利。

在嵌入式Linux操作系统的net/IPv6目录和include/net/IPv6.h头文件中, 存放了嵌入式Linux系统中实现IPv6协议所需的全部代码。在实现中IPv6是在IPv4的基础之上实现的, 因此两种具有很大程度上的共性。在IPv6中的数据数据包的传递方式如图1所示。

2.3 家电管理功能

在本文所设计的智能家居系统中, 采用家庭网关设备来对家庭内的各类家电设备进行管理。网关设备与各类家电设备之间构成一个星形的网络, 家庭网关设备作为家电设备的集中管理服务器。所有的家电设备上电后, 都需要主动发起一个登记的过程, 网关设备接收到相应的网关设备查询帧之后进行响应, 向家电设备发送自己的地址和端口等信息。然后等待家电设备所上报的设备信息登记帧。当接收到设备信息登记帧后, 将响应的设备信息添加到网关设备所维护的设备信息列表中, 然后根据设备的请求, 进行设备地址的分配等处理, 向家电设备反馈相应的回复帧。从而实现网络内家电设备的自动加入。

同时网关设备还会对家电设备的状态进行检测, 定期向家电设备发送状态查询帧, 以查询家电设备的工作状态, 若家电设备无响应的查询帧数量超过一定门限后, 则认为该家电设备已经掉线, 将其从设备列表中删除。

通过上述机制的设计, 网关设备能够实现自动的对家电设备进行管理的操作, 从而避免这一过程的人工干预。

2.4 家电控制代理功能

家庭网关设备的另一项重要功能就是作为用户终端的本地控制代理, 对智能家居系统中的所有家电设备进行控制。本系统所实现的对家电设备的控制功能包括最基本的打开、关闭功能, 对家电设备的运行参数进行控制的功能, 例如对空调可以设置他的制冷、制热模式, 调整他的工作温度, 风量等参数。此外, 本系统中还能够在远程的用户终端上对家电设备的工作状态进行查询。由于在实际部署中, 用户的终端设备与智能家居的各类家电设备不在同一子网内, 因此用户终端设备无法直接连接到家电上报进行控制, 这样就需要通过家庭网关设备来实现这一控制过程, 在家庭网关设备中运行一个控制代理软件, 负责接收用户终端所发送的控制命令, 然后根据控制命令中所指定的目标设备信息, 将控制命令路由到相应的设备上。对于状态查询类的控制命令, 该控制代理软件可以直接将本地所维护的设备状态信息封装后发送给用户终端, 以降低智能家居设备的资源消耗。

3 结论

目前, 关于智能家居设备的产业化已经在如火如荼的开展, 各类先进的智能家居产品和系统解决方案不断涌现, 技术的进步使得智能家居系统走进千家万户逐渐成为现实。同时, 随着安卓智能手机的推广, zigbee协议的应用和物联网技术的发展, IPv6智能家居必将迎来一个美好的明天。

参考文献

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[2]吕莉, 罗杰.智能家居及其发展趋势[J].计算机与现代化, 2012 (11) :18-23.

[3]万征.移动IPv6关键技术研究[D]浙江大学博士论文2010

[4]赖敏等.基于IPv6的家庭网络技术[J].现代电信科技.2012 (8) :9-11

篇9：智能家居网关协议

1.总体方案

智能小区的主要功能一是实现小区的安全性，在出现突发事件（例如发生入室盗窃、打劫和火灾）时可以自动地向小区监控中心报告；另外一个主要功能就是可以实现家居的远程控制，使人们可以通过电话线对家用电器进行控制。本系统的框图如图1所示。

2. 家庭网关的电路组成和工作原理

包括中央处理器和CM8888接口电路、振铃检测电路、模拟摘机电路，图2是组成框图，在本刊网站上有其具体电路原理图。

单片机采用的是ATMEL公司的AT89C51，它有4K的flash存储器，256字节的RAM。E2PROM采用的是AT24C02（ATMEL公司），具有I2C总线接口，可用AT89C51单片机来模拟I2C总线通讯协议，只占用单片机的二个I/O口。CM8888是DTMF收发器，它的特点是：集成度高、数据传送稳定、抗干扰强，具有多种模式，可编程控制，易与单片机接口。nRF401是单片收发合一的无线控制芯片，它的特点是：灵敏度高，可达到－105dBm；FSK调制；TTL接口，易与单片机接口，工作频率可达20kbit/s。语音电路选用ISD1400作为主芯片来构成，它具有开关接口，可以选用脉冲或是电平触发方式来放音，录放音时间可达16秒和20秒。

电话机是否摘机和有无振铃，都使电话线上产生不同的电平，利用稳压管和光耦构成判别振铃信号的主要电路，当出现振铃信号时，电话线上有超过100V的脉冲电压，如果电话线没有振铃信号同时也不处于摘机状态，电话线上的电压大概为30～40V。因此如果一个稳压管的稳压值为60V，那么平时没有振铃信号，稳压管就不会击穿；而当出现振铃信号时稳压管就会击穿。CPU可通过光耦检测有无振铃信号。

模拟摘挂机电路主要包括三极管以及电阻和电感。CPU可通过对三极管基极的清0和置1来控制电话线上电平的高低，其作用等效于手动摘挂机。

这个网关装置搭接在程控电话线上，当用户拔打电话时，外线的振铃检测电路会把振铃信号转成周期固定的矩形脉冲送给单片机，而每个脉冲都会使单片机产生一次中断计数，当达到一定次数后，则会认为是有效呼叫，模拟摘机进入通信状态。接着会语音提示，让用户选择是进行通话还是进行控制并提示其按相应的数字键来确定；如果是进行控制，则让用户输入密码，如果正确，用户可按语音提示进行相关的操作，如进行电器的开关等。

另外，当家中无人时，如果发生了火警或者是盗警，则会自动按E2PROM中存储的电话号码自动拨号，可按事先设好的顺序拨打数个不同的电话，如果是拨入小区监控中心的，则会按一定的编码格式向监控中心传输数据，监控中心的上位机软件就可进行相应的报警处理。如果是拨给用户的，可在电话拨通后，传送事先录好的语音。这时用户就会知道家中发生的事情了。单片机程序流程图如图3。

3.监控中心的设计

包括下位机设计和上位机（即PC机）上的监控软件设计。

（1）下位机设计 包括振铃检测电路、模拟摘机电路、与CM8888的接口电路、单片机和PC机的接口、PC机的监控软件设计，图4为其连接框图。在本刊网站上给出了对DTMF芯片CM8888的操作代码。

监控中心是有人值守的，它的振铃检测电路处于活跃状态，当它检测到有振铃信号时，就自动摘机，而后按事前定好的通信协议，回一个DTMF信号给拨叫端，而后接收DTMF信号，再送到PC机，再等PC机的确认信号，如果没有收到PC机的确认信号则重传，直到收到PC机的确认信号。而后再等待新的振铃信号。

（2）监控软件设计 采用VC＋＋6.0和MapInfo来实现，包括数据库部分和电子地图两部分，电子地图部分用MapInfo来实现，数据库部分用VC＋＋来做，电子地图主要是各个楼层的平面图形，数据库部分是各个住户的详细资料，当有报警信号进入时，可以从电子地图上快速得出报警的地点和所在单元住户的详细资料，从而可以在最短的时间内做出反应。

4.通信协议

因为CM8888传送的是数字0～9和A～D的双音多频信号，所以在家庭网关和监控中心间的通信必须有一个通信协议，从而可以让监控程序来从中取得信息。格式如下：

其中，＊是码头，＃是码尾，ID号用来标识用户，最多可达到9999个用户，对于一个小区来说，ID资源足够了，监控程序取得ID号后，可以从用户数据库中取得对应的用户信息，在屏幕上显示报警方位，可进行快速的处理。

警情类型：“1”：火警、“2”：盗警、“3”：匪警、“4”：求助、“5”：自检。

这样监控中心在取得警情类型号后就可以决定采取何种措施，如果是火警，则应通知消防队，如果是匪警，则应通知110。

5.小 结