SIP協議下的智能家居網關應用

徐金燁

摘要

當物聯網、云服務及無線通信技術滲透到智能家居系統之中，為智能家居行業帶來了新的生機和活力，基于智能家居網關及其關鍵性技術的功能需求，可以建構基于SIP協議的智能家居網關方案，從硬件和軟件兩大部分進行模塊建構和設計，使之具有可擴展性、多通信集成性和語音控制的特點，較好地滿足智能家居的應用需求。

【關鍵詞】SIP協議 智能家居 網關 應用

在計算機網絡技術、信息技術迅猛發展的態勢下，人們日益關注和探索智能化、自動化、數字化的智能家居生活，諸多科技公司也進入到智能家居之中，為其提供和設計多樣化的方案，以提升人們家居生活的舒適性、安全性和便利性。可以基于家居設備自動控制的思路建構SIP協議下的智能家居網關，使綜合布線、網絡通信、自動控制等技術與家居生活相鏈接，通過傳感器網絡形成智能家居平臺，實現對家居環境系統信息的實時采集、輸入輸出、集中控制和遠程監控。

國外的Kim S H，Kang J S等學者重點研究基于ZigBee協議的無線個域網拓撲結構，A.RAI-Ali，A.H.El-Hag等人則通過兼容智能電網集成的方式，實現移動網絡與家用電器的雙向通信，就家庭能源損耗設計了一種智能家居網關，以實現對家用電器的智能監控和管理。Eric Simon，Albert Royo Manjon等人則構建模塊化的第三方應用程序和軟件體系結構，實現應用程序的自主管理和優化，不斷更新網關。在國內，孫潤通過傳輸層協議TCP、UDP，建構基于Wi-Fi的智能家居網關，它與紅外控制和ZigBee組網相鏈接。朱迪奇則以ZigBee協議為依托，設計物聯網智能家居網關，利用統一的應用編程接口實現網關服務和應用。孫兵則以uC/OS-Ⅲ操作系統、STemWin為軟件平臺，建構基于ARM的智能家居網關。

1 SIP協議下的智能家居網關應用總體方案設計

1.1 需求分析

基于SIP協議的智能家居網關設計是基于通信集成的需求進行開發和設計，面對功能差異、種類繁多的智能家居設備，要通過智能家居網關實現不同智能家居的通信集成，主要應當集成ZigBee通信或Wi-Fi通信技術，使家居內部網絡與外部網絡進行交互和應用。同時，智能家居網關通常采用嵌入式系統，要能夠實現對智能家居網關設備的統一監控和管理，進行數據的上傳下達、遠程用戶訪問，并滿足多媒體流傳輸的需求。

1.2 軟硬件總體設計

從硬件設計部分來看，基于SIP協議下的智能家居網關主要包括以下內容：

（1）主處理器。要選取ARM1176JZF-S架構的主處理器，采用Samsung SX6410芯片、tiny6410核心板，內置SD卡槽、以太網口等，較好地滿足嵌入式系統運行的需求。

（2）ZigBee協調器。可以設計應用CC2530射頻模塊作為系統ZigBee協調器，實現對終端節點及路由節點數據的整合、傳輸。

（3）Wi-FiAP。可以設計選用Wi-Fi模塊EDUP無線網卡，在與核心板搭配驅動的條件下負責Wi-Fi組網。

（4）語音識別模塊。可以設計選用擴展語音芯片的方式，將LD3320作為語音識別芯片模塊，進行語音控制和識別。

從軟件設計部分來看，它主要包括以下內容：

（1）操作系統。可以設計選用嵌入式Linux作為操作系統，利用其開源、可移植性強、運行穩定的特性，實現任務調度、內存管理、事件處理和任務通信，滿足網關設計需求。

（2）核心通信協議。可以設計選用新一代會話初始協議SIP作為核心通信協議，并在網關中移植SIP協議棧，通過模塊化的方式進行智能家居內外部網絡的通信，體現出極強的可擴展性。

（3）人機交互界面。可以設計選用模塊化程度高、可重用性好的QT平臺進行開發，呈現網關接收的信息并進行有效的控制。

1.3 搭建智能家居網關開發平臺

1.3.1 網關硬件開發平臺

本文選取ARM1176JZF-S嵌入結構的S3C6410芯片作為核心板，內部主板以S3C6410為內核，SDK底板主要是實現主板功能和擴展開發。ZigBee模塊則主要由CPU、外設模塊及無線電相關模塊構成。Wi-Fi模塊以AP節點作為接入核心板的擴展模塊，以ESP8266作為終端節點的Wi-Fi模塊，實現不同模式的快速切換、信號處理、故障排除等功能。語音識別模塊則以LD3320作為語音識別專用芯片，進行不同語音模式的識別和控制。

1.3.2 網關軟件開發平臺

要建構交叉編譯環境，建立宿主機Linux系統，具體操作主要包括有：制作bootloader、內核及根文件系統，可以實現對配置好的源代碼進行交叉編譯。同時，還要安裝交叉工具鏈，實現對程序的預處理、編譯、匯編和鏈接。

2 SIP協議棧在智能家居網關的應用設計

2.1 SIP協議概述

SIP是一種基于文本編碼形式的會話初始化協議，能夠實現IP網絡中的實時通信和會話，體現出結構簡單、可擴展性強的優勢特點，并能夠開發功能不同的網絡應用，如：SIP與SDP相結合使用，能夠較好地描述會話通信的類型;SIP與RTP相結合，可以實時傳輸信息數據并生成QOS反饋;STP與RSVP相結合使用，可以實現對網絡資源的預約處理;STP與SAP相結合，可以對發布的會話進行組播。

2.2 智能家居網關應用中的SIP協議棧的選擇

目前主要的開源SIP協議棧包括有：

（1）OPAL.它是基于Openh323的架構前提，優化音視頻的編解碼和傳輸內容，對所有的VOIP協議進行多層次的抽象，處于不斷成熟和完善的階段。

（2）ReSIProcate。是支持新一代的rfc3261的獨立SIP協議棧，體現出高穩定性、兼容性強的特性。

（3）osip2。在對原有協議棧進行封裝處理的前提下，由C語言編寫而成的SIP開發源碼的協議棧，具有較大的開發難度和工作量，且必須與其他協議棧相整合使用。

（4）PJSIP。由C語言編寫而成的一種開源協議棧，適用于嵌入式SIP功能的開發和應用，也是智能家居網關設計開發的首選。

2.3 SIP協議棧的模塊應用設計

基于SIP協議下的智能家居網關應用功能模塊主要包括以下方面：

（1）創建和初始化模塊。這一模塊主要實現對默認配置、回調函數及pjsua的初始化設計，要合理配置初始化參數，確保協議棧正常啟動和運行，保障應用程序運行通暢與安全。

（2）注冊模塊。主要是利用相關代碼完成賬戶屬性設置，并向服務器申請注冊，包括常規用戶句注冊、密碼注冊、服務器域名注冊等。

（3）會話管理模塊。該模塊要依照SIP消息編碼格式的順序進行SIP信令解析，包括SIP消息、URI、頭字段的解析，調用相關函數創建和改變服務器事務和客戶機事務狀態，并依照請求/應答架構，實現AP節點及終端節點的會話通信能力協商。

3 智能家居網關的外圍模塊及組網實現

3.1 ZigBee組網應用設計

ZigBee組網是基于ZigBee協議棧而形成的，各層之間通過數據服務訪問點和管理服務訪問點實現通信，以OSAL為核心，主要實現任務注冊、初始化、任務同步與互斥、中斷處理等功能，ZigBee終端節點實現與協調器的通訊、傳感器數據的采集和I/O控制。

3.2 Wi-Fi組網應用設計

Wi-Fi組網以AP節點作為網關核心板擴展模塊，支持無線網絡協議，采用USB Host接口實現即插即用。在進行Wi-Fi組網程序設計的過程中，主要完成如下工作：Wi-Fi通信初始化;連接網關并綁定監控網絡;采用透傳模式實現數據發送、上傳和存儲。

3.3 語音識別應用設計

基于SIP協議下的智能家居網關采用嵌入式處理器外圍擴展語音識別芯片LD3320，采用高精度的A/D和D/A轉換接口，能夠識別關鍵詞并對其進行動態編譯，包括系統初始化、關鍵詞寫入、識別及中斷處理模塊等。其工作實現原理主要為：采集并分析聲音的頻譜，提取聲音特征并將其存儲于LD3320芯片的內部存儲器，再由模塊MCU讀取、對比語音信號，生成識別命令并將其轉發給終端設備，較好地避免語音誤識別的現象。

4 小結

綜上所述，基于SIP協議的智能家居網關設計與應用順應時代的要求，面對人們對于家居環境要求日益提升的趨勢，要設計開發基于SIP UA的通信架構，使家庭內部網絡與外部互聯網相鏈接，可以集成ZigBee通信和WiFi通信，在嵌入式Linux系統中移植PJSIP協議棧，在不同的功能模塊下實現組網設計，較好地實現智能家居設備的實時監控、通信管理和SIP通信。未來還要不斷完善和優化智能家居網關系統，完善智能家居網關的QoS管理以及組合性服務，提升智能家居網關的通信安全與可靠性。

參考文獻

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