基于物聯網技術的智能家居網關系統設計研究

程全

摘 要：智能家居是物聯網技術應用的熱點領域，對提高人們家居生活的質量及舒適性起到十分重要的作用。文中對基于物聯網技術的智能家居網關系統設計展開了研究，在分析其系統構架的基礎上，詳細介紹了系統硬件及軟件結構的設計思路，為有關需要提供參考。

關鍵詞：物聯網技術；智能家居；網關；ZigBee

中圖分類號：TP391；TN915 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-02

0 引 言

近年來，物聯網技術得到了迅猛發展，并在社會各個領域得到了推廣應用。應用物聯網技術能夠有效構建智能化的家居環境，提高家居生活的便捷性及舒適性。在智能家居系統中，網關系統是實現互聯網終端與智能家居系統通信，從而有效控制家用電器設備的重要系統，對其設計展開研究具有十分重要的意義。

1 系統結構分析

1.1 系統的總體結構設計

隨著技術的發展，智能家居系統呈現出多元化的結構設計趨勢。一般來說，最典型、普遍的總體結構包括應用服務層、感知控制層以及網絡通信層。從該類型的系統構架內容看，其主要連接包括終端節點、服務器、智能家居網關以及客戶端，具體形式如圖1所示。

終端節點是智能家居系統中的重要組成部分，處于智能家居系統的底層，歸屬于感知控制層。終端節點主要以ZigBee網絡為橋梁，控制信息的采集與傳輸，從而獲取家居環境中的各類信息，并進行相應家電設備的調節。其次，網關是一個家庭中內網組件的核心，同時也是控制管理功能實現的核心，處于系統的中間層，是智能家居系統中的重要樞紐，連接關系網中的終端節點以及手機客戶端。此外，智能家居系統中的服務器作為信息數據傳輸的重要媒介，主要負責遠程數據的傳輸，完成網關以及客戶端之間的數據交互。該部分處于系統結構的中間層，屬于網絡通信部分。最后，客戶端作為發出命令的主要設備，是智能家居系統中的頂層部分，也是應用服務結構的層級部分，主要實現相關命令的發出以及信息數據的接收。

1.2 智能家居網關設計

典型的智能家居系統中，網關作為重要基礎，其系統通常使用32位的嵌入式ARM處理器（Cortex-M3），并將其作為主控制器的芯片。與此同時，除該部分外，其余結構通常包括ZigBee協調器模塊、WiFi通信模塊、網絡接口模塊和按鍵以及存儲器模塊等。一般來說，嵌入式ARM處理器位于系統的硬件結構中心，承擔著整個智能家居網關的數據計算任務，具體結構如圖2所示。

2 智能家居系統硬件設計

從上文的系統結構分析可知，智能家居網關系統通過借鑒模塊化設計思路完成了各結構部分的協調處理。其中，ZigBee作為系統的節點網絡中心，對于整個系統的運作效率具有至關重要的作用，因此，對ZigBee協調器作進一步的重點分析十分必要。

在一個普通的ZigBee網絡中，協調器是關系系統運作的中心，主要承擔網絡組建、網絡管理以及網絡其他配置等責任，以集成的方式處于網關中心。從ZigBee的應用優勢方面觀察可知，其憑借成本費用低、功耗水平低以及網絡容量大、通信穩定性強等優勢得到了廣泛應用，且其較高的可靠性水平，對于智能家居的系統內網組建具有明顯優勢。

LED燈的主要功能在于顯示ZigBee網絡的實時狀態。具體來說，只要智能家居系統通電，ZigBee協調器就可進入網絡組建狀態，在該狀態下，LED燈通常表現為等頻閃爍；所有網絡組建完畢后，LED燈為常亮狀態。

3 智能家居系統軟件結構設計

軟件是智能家居系統中又一重要部分，在典型的智能家居系統中，通常使用Open Wrt操作系統完成用戶相應的應用程序設計，如圖3所示。智能家居網關軟件的主要設計過程為：首先，通過近程控制任務完成本地服務器的創建，在此基礎上，進行客戶端和網關之間的近程數據交換，在數據交換時，完成本地通信事件的處理；其次，遠程控制任務部分主要以Internet為載體與外部服務器相連，從而完成與外部服務器的數據交互，進行通信數據的處理與接收。此外，家居內網的監測任務核心在于ZigBee，在該網絡環境下，實現用戶所需的遠程以及近程數據信息交互，并根據監測結果進行家居內部事件的及時控制與處理。

3.1 本地服務器的創建

在智能家居系統的設計過程中，本地服務器的創建是重要基礎。隨著技術的完善與穩定，已形成一套行之有效的流程，主要包括以下幾點：

（1）創建TCP協議套接口，并在此基礎上，清零相應服務器的地址結構；

（2）確認本地服務器的具體地址并設定；

（3）創建相關套接字，完成監聽指示端口號的設置；

（4）完成上述步驟后，進行本地監聽的長度設置；

（5）實現本地信息的監聽功能。

為加快本地服務器的相關創建，通常將IP地址用作本地服務器檢測的IP地址，即“192.168.255.24”，與此同時，檢測端口號通常設置為19770，監聽長度通常設為10。

3.2 智能家居網關遠程通信設計

智能家居網關的遠程通信功能是完成外部數據與外部服務器數據信息交互的重要手段。系統網關在消息訂閱基礎上，由外部服務器接收，同時也可以發布消息的形式在外部服務器上進行數據上傳。若將服務器的地址/域名設置為192.168.0.66，將其端口號設置為8000，其用戶名以及密碼設置成Users，其主題設置為terminal，則此時智能家居系統中的網關向服務器發送的消息訂閱格式即為mosquitto_sub-h192.168.0.66-p8000-uUsers-PUsers-tterminal，而智能家居網關向服務器發布消息的格式則為mosquitto_pub-h192.168.0.66-p8000-tterminal–m。endprint

3.3 家居網關的ZigBee網絡設計

家居網關中ZigBee網絡設計的主要功能為網絡管理，在感知ZigBee終端傳感設備狀態的基礎上，對其屬性標準進行智能判斷，并做出處理決策。此外，網關以獲取網絡信息為主要途徑辨別終端設備的相關特征數據，進而達到提升系統控制準確性的目的，同時也將有助于保證系統運行的可靠性。

4 系統調試

智能家居演示平臺系統的常規模擬功能可完成系統的調試任務，一般來說，演示平臺包括網關、ZigBee、電燈以及網絡接口等設備都將得到控制與調試，具體見表1所列。平臺將在無外網連接狀態下，通過客戶端完成相關設備的近程調控調試；在連接外網的狀態下進行遠程調試。

4.1 近程控制測試

在上述演示平臺的基礎上，以電燈為例進行測試，具體步驟如下：

（1）啟動客戶端“Smart Home”，登錄，在“房間列表”界面點擊“客廳”；

（2）在燈光控制界面點擊“調光燈”“臥室燈”的相關開啟按鍵，完成控制，若電燈成功點亮，則功能正常。

4.2 遠程控制測試

在上述演示平臺的基礎上，以WiFi插座為例進行測試，具體步驟如下：

（1）選擇遠程控制輸入框，并輸入“SERVER-TALK：WIFI@MAC：02：0a：f7：00：00：01@SWITCH：1@#”，點擊 “Send”按鈕，完成開啟命令的發送；

（2）平臺接收命令，控制插座指示燈，并完成開啟，由此證明該功能正常。

5 結 語

綜上所述，隨著通信技術與智能技術的不斷研發，基于物聯網的智能家居將逐漸改變人們的生活方式。本研究設計的智能家居網關系統有助于進一步準確、高效地完成近程、遠程家居設備控制，且成本低廉，具有較高的可靠性，操作簡便，可為后續相關設計提供一定的參考價值。

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