基于IEEE 802.15.4e的智能家居家电控制系统的实现

陈 刚，付 蔚，罗志勇

（重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065）

智能家居（Smart Home）是以各种家电设备为基础平台，综合网络通信、信息家电、设备自动化等技术，将系统、结构、服务、管理集成为一体的高效、安全、环保、便捷的人居环境[1]。随着“物联网”网络技术和智能家用电器设备的飞速发展，越来越多的家庭追求更加便捷的家居生活方式，实现电器互联互通，通过家电控制器、家庭网关将家电连接到广域网（Internet、3G网络等），从而实现随时随地的远程控制[2]。普通家电比如电磁炉、电饭煲、电风扇没有设计可以远程控制的通信接口[3]，使家庭用户不能通过手机、PDA、网页浏览等方式控制此类电器。家电遥控器几乎都采用红外线传输技术，红外线对非透明物体的透过性较差，导致传输距离受限制，使远程遥控家电的设想不能单独通过红外线技术实现。

1 家电控制系统改进

1.1 协议转换技术

家电控制报文通过TCP/IP协议数据格式传输，传到本地智能家居家电控制WSN网络，通过家庭无线网关，将信息发给家电控制终端，家电控制终端解析命令报文，对家电进行相应控制。

1.2 身份识别、信息加密技术

为了防止非法用户恶意操控家庭中的家电设备，给家庭用户带来人身伤害和财产损失，需要对用户的身份进行识别，并对用户进行权限管理，防止非专业人员改动网络配置参数后，造成通信失败，使家电控制系统不能有效、有序的工作。对信息进行加密可采用对称加密、非对称加密等技术，可应用在家电控制系统中的身份认证、数字签名等信息交换场合。

1.3 远程控制（手机、PDA、网页访问）

随着数字化家用电器的快速发展，特别是32位ARM微控制器在众多领域的出色应用，通过基于Linux的嵌入式技术，采用完善的TCP/IP协议可以轻松实现家电控制系统接入Internet和3G无线网络，轻松实现家电的远程监控[4]。在基于Android系统的手机、PDA上开发家电控制软件，对家庭中的家电进行远程移动控制。通过对外发布的网站，可允许合法人员对家电进行情景模式设定等操作。

2 系统设计

2.1 系统拓扑

如图1所示，家庭用户可以通过接入Internet的笔记本式计算机、PDA、智能手机访问家庭中的家电控制系统。小区服务器存储着家电控制系统的当前状态信息，并对访问家电控制系统的用户进行身份验证和历史状态日志查询。小区服务器将合法用户的控制、查询等信息发给智能家居无线物联网网关，智能家居无线物联网网关解析数据信息后，通过无线传感器网络发给对应地址的家电控制终端。家电控制终端包括红外家电控制器和智能插座。

2.2 WSN协议:IEEE 802.15.4e

为了能在家庭内部构建动态组网、运行稳定、低功耗、传输距离远的WSN网络，采用基于IEEE 802.15.4e协议进行WSN网络组网。IEEE 802.15.4e设备工作在2.4 GHz频段，具有近距离、低功耗、低成本的特点，采用自组织方式组网，对网络内部的设备数量没有限制，新添加的设备节点会被网络自动发现，提升了网络的可靠性。

2.3 硬件设计

2.3.1 智能插座硬件设计

对居民普通插座进行改造，通过固态继电器来控制220 V交流市电的通断。微控制器与无线通信模块通信，解析家电控制信息，从而实现智能插座的无线、远程控制。智能插座结构如图2所示。

2.3.2 红外家电控制器硬件设计

红外家电控制器可以模拟遥控板发送彩电、空调、DVD等家电的红外控制信号，通过触摸屏可以方便家庭用户学习电器的红外信号，并将与家电配套遥控板的红外信号存储在红外家电控制器中。红外家电控制器采用基于ARM11内核的S3C6410处理器。通过WSN模块收发智能家居WSN网络的家电控制信息，处理后控制相应的家电。同时，通过驱动USB接口的3G上网卡，接入3G网络。红外家电控制器结构如图3所示。

2.4 软件设计

2.4.1 通信报文帧格式定义

为了使网络有序通信，制定的网络通信报文帧应符合简洁和系统扩展性的要求。具体通信报文帧格式（16进制表示）如表1所示。

表1 家电控制系统报文帧格式

1）报头：固定为0x66，0xAD两字节，表示一个报文帧的开始。

2）数据长度：从报头段0x66开始到数据段最后一个字节的总长度。

3）路由地址：根据部署的无线传感器网络不同的位置，选择链路质量最好的路由节点进行数据传输。

4）设备类型：表示家居设备的种类，为了与智能家居环境监测、安防报警、能耗监测等系统设备相区别，固定为0xF4。

5）子设备号：为家电控制系统里的设备分配的唯一地址，可通过设备类型段和子设备号两个字段唯一标识某个家电设备，便于控制信息的有效送达。子设备号地址有效范围可达：216-1=65 535。

6）命令/响应：装载家电控制命令，家电控制响应的报文段。

2.4.2 家电特性XML规范

为了准确描述加入家电控制系统的家电具有的特性，支持哪些操作，应采用标准的文件存储格式，便于解析和文件共享。XML是一种元标记语言，具有优良的数据存储格式、可扩展性、高度结构化等特点[5]。在定义家电特性XML规范之前，可以通过DTD（Document Type Definition，即文档类型定义）来保证XML文档中出现的元素和标签是否使用正确。

DTD文件说明，通过文档类型定义便于显示XML文档的类结构，指定了家电特性XML规范可用的组件。元素声明指定了元素的名称以及它包含的内容模板。DTD文件定义了一个根元素＜!ELEMENT ApplianceAttribute（ApplianceAttributeName， ApplianceAttributeTable， ActionTable,EventTable）＞，ApplianceAttribute包含设备属性名称（ApplianceAttributeName）、设备号（ApplianceAttributeID）、设备属性表（ApplianceAttributeTable）、操作及动作表（ActionTable）、事件列表（EventTable）等子元素。这5个子元素的顺序是不能颠倒的，具有唯一和不能重复的属性。其中，设备号可在全球范围内唯一地、无二义性地标识一个家电。设备属性表包含家电生产厂家的详细信息，如厂家名称、厂家地址、厂家注册编号等。操作及动作表包含家电支持的用户操作，如开启/关闭、调节温度、选台、模式设定等。

2.4.3 红外家电控制器软件开发

红外家电控制器基于Fedora 9.0操作系统和Qtopia图形用户界面接口进行设计。通过在Fedora 9.0平台上交叉编译红外家电控制的Qtopia工程文件，获得可以运行在ARM11平台上的HomeAppliance可执行文件，并将其拷贝到红外家电控制器opt/Qtopia/bin/目录下。然后编写HomeAppliance.desktop文件和设计HomeAppliance.png的程序图标。分别将Home Appliance.desktop文件拷贝到/opt/Qtopia/apps/Applications/目录，将 HomeAppliance.png文件拷贝到/opt/Qtopia/pics/目录。完成后重启红外家电控制器，可在Applications程序组里单击HomeAppliance启动图标启动家电控制程序。由于Qtopia包含丰富的XML接口，数据访问便捷，所以将红外学习编码保存到XML格式文件中。通过配置Linux FTP实现向服务器端上传、下载红外控制编码。红外家电控制器功能模块划分如表2所示[6]。

表2 红外家电控制器功能模块划分表

2.4.4 小区服务器

服务器提供家电控制系统用户密码验证、操作权限匹配、服务集成、设备适配、附加密钥和工作日志管理等服务，能够对重要信息进行MD5加密。

2.4.5 手机、PDA和网页控制方式

如图4～图7所示，为便于家庭用户操作家电，开发了基于Android操作系统的智能手机、PDA的家电控制软件[7]和基于J2EE架构的网站。通过家电控制软件和网站可以接入智能家居网络，对空调、电视、电灯、风扇等进行便捷控制。

3 结束语

本文基于IEEE 802.15.4e无线传感器网络设计并实现了智能家居家电控制系统。该系统实现了基于Android系统的智能手机和网页访问两种便捷控制方式，可对空调、彩电、电扇等家电进行无线、远程控制。通过该系统提供的通信接口实现了与家居中其他WSN子系统（如环境监测、安防报警）的网络互连和情景模式控制。通过实际运行，验证了该系统运行稳定，操作便捷，达到了家电控制实时畅通的目的。

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[1]张毅，马钧元，杨校权.基于Cortex和ZigBee的智能家居网关设计与实现[J].电视技术，2012，36（1）：56-57.

[2]HAN Ming，MIAO Changyun.The design of intelligent household system based on wireless communications[C]//Proc.2011 International Symposium on Computer Science and Society.[S.l.]：IEEE Press，2011：206-208.

[3]SANUDIN R，MUN Y T，SUHAIMIZAN W.Wireless appliance control system[C]//Proc.2009 Conference on Innovative Technologies in Intelligent Systems and Industrial Applications.[S.l.]：IEEE Press，2009：476-478.

[4]YANG Xiang，WANG Huihong.The design and implement of embedded M2M smart home system[C]//Proc.2011 IEEE 3rd International Conference.Xi'an：IEEE Press，2011：135-136.

[5]张月雷.航空维修IETM关键技术研究和应用框架设计[D].南京：南京航空航天大学，2007：33-34.

[6]彭华.信息家电万能遥控器的研究与设计[J].重庆文理学院学报：自然科学版，2010，29（1）：43-44.

[7]汪宇，吕卫，杨博菲，等.基于Android平台的智能家居监控系统[J].电视技术，2012，36（2）：36-37.