智能家居多业务物联网网关集中器设计

母金文

(中华通信系统有限责任公司，河北 石家庄 050081)



智能家居多业务物联网网关集中器设计

母金文

(中华通信系统有限责任公司，河北 石家庄 050081)

摘要：简要介绍了智能家居和物联网的概念和发展情况，列举了智能家居系统中的各种典型的物联网应用，分析了物联网网关的现状和存在的问题，提出了一种利用集中器实现多业务智能家居的解决思路，分析了集中器在智能家居系统中的应用场景，详细介绍了集中器的硬件设计和软件设计。利用集中器构建的智能家居系统，实现了多种家庭应用，网络结构简单，可靠性较高。

关键词：物联网；智能家居；集中器

0引言

物联网(Internet of Things， IOT)是一个由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，当前在国内和国际范围内备受关注，被认为是继计算机、互联网之后信息产业的又一次浪潮，受到各国政府、企业和学术界的重视。早期物联网的定义是指通过射频识别(RFID)、红外传感器、全球定位系统(GPS)和激光扫描等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，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。全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的特征[1]。

典型的物联网应用体系架构主要分为3层，由下到上依次为感知层、传送层和应用层[2]。

感知层首先通过各种传感器采集物理世界的数据，然后在传感器网络中通过RFID、蓝牙和红外等短距离传输技术传递数据，感知层是物联网发展和应用的基础[3]。

物联网网关位于中间的传送层。作为连接感知网络与传统通信网络/互联网的桥梁，物联网网关在物联网应用中起到极为重要的作用，在网络架构上屏蔽感知网内的异构性，有利于现有的通信网络/互联网与感知网络的无缝融合，在应用模式上有利于对传感器网络和感知节点的管理和控制[4]。

应用层主要解决信息数据的处理与服务提供的问题，传送层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备为各类用户提供丰富的服务。应用层是物联网发展的目的，软件开发、智能控制技术将会为企业、政府或家庭个人提供丰富多彩的物联网应用，各种行业和家庭应用的开发也将会大大推动物联网的普及[5]。

智能家居(Smart Home)是把网络通信技术、自动化技术和计算机技术结合起来的智能化的家居系统。物联网的发展为智能家居引入了新的概念和发展空间，智能家居可以被看成是物联网的重要应用。基于物联网的智能家居，利用传感设备将家居生活相关的各种子系统有机结合在一起，并接入互联网，进行监控、管理信息交换和通信，实现家居智能化[6]。

1智能家居物联网网关现状和问题

智能家居系统应用种类繁多，比较典型的应用包括家居安防、照明控制、节能减排和健康医疗等。相应地，实现这些业务应用所使用的传感器的种类也很多，传感器连接物联网网关的接口方式也各式各样，常见的有RS485总线、窄带电力线通信技术(Power Line Communication， PLC)、基于IEEE 802.11系列标准的无线局域网(Wireless Fidelity，Wi-Fi)等等。各种应用本身的特点和实现该应用所使用的传感器在家庭中的安装位置等因素决定了传感器接入网关的连接方式[7]。

家居安防使用的传感器包括门磁、窗磁、红外人体传感器和烟雾传感器等，针对安防应用对可靠性的严格要求，物联网网关和传感器的连接方式一般为传统的有线连接。照明控制系统最适合的接入方式是窄带电力线，可以免去重新布线的麻烦。当前家用电器的控制大多通过Wi-Fi接入互联网实现，物联网网关需要支持Wi-Fi网络。

节能减排应用可细分为2种情况，一个是智能抄表，家用仪表一般包括电表、水表和燃气表。电表可以和照明控制系统一样使用窄带PLC技术，十分适合；水表和燃气表可以根据安装的具体位置选择ZigBee方式接入或者RS-485总线方式接入。另一种节能装置是智能插座，饮水机等电器不用时可以自动关闭或者被智能插座控制关闭[8]。

健康医疗应用中比较常见的是紧急按钮，现在很多老人手机都具备类似功能，但在家中活动时老人不会随身携带手机，可以在老人经常活动的区域选取适当的位置，比如卧室的床附近、客厅的沙发附近、厨房的橱柜附近，以及卫生间的马桶浴缸附近等，布置紧急按钮。根据安装的具体位置选择射频、ZigBee方式或者有线方式连接物联网网关[9]。

物联网网关连接应用服务器的上传接口可以选择有线以太网和移动通信网络等。

现在常见的物联网网关的设计有2种方向，一种是大而全，这种网关广泛支持各种接口的传感器，上传接口也都涵盖，这类网关多见于实验室研究和验证，由于设计复杂，成本较高，并未得到推广。另一种则是把传感器的接口统一设计成一种方式，比较典型的是ZigBee方式，上传接口支持移动通信网络或者有线以太网，这种网关接口单一，设计简单，成本低，有一定的市场。但是这种网关如果用于安防应用，就存在着很大隐患。众所周知，无线连接是开放的，是可以被干扰的，一个大功率的同频干扰器很容易就使采用ZigBee方式接入物联网网关的门磁窗磁失效了，即使出现了非法闯入者也不会被感知到。另外，照明控制和智能抄表应用很显然最适合使用窄带PLC，却为了技术实现的简便和统一统统采用ZigBee方式，所以大而全的设计在实际应用中并不适合，同时不考虑各种应用本身的特点和彼此之间的差异性，简单地把各种传感器接口统一成一种也不可取[10]。

安防应用等可靠性要求较高，在智能家居各种应用中也很重要，考虑到供电线路和家庭宽带网络入口线路可能被恶意破坏等情况，常见的物联网网关不配置备用电池，上传接口不支持移动通信网络，在断电情况下无法继续发挥作用，失去了存在的意义[11]。

2物联网集中器

针对常见物联网网关设计存在的缺点设计了一种利用集中器构建的智能家居系统。集中器分成多种型号，每种型号的集中器支持2～3种传感器接入方式。在每个房间布置一个集中器，根据房间中需要接入物联网的感应节点的种类，选择合适型号的集中器，集中器把感应数据转换成IP数据，各个房间的集中器与位于客厅的物联网网关都通过网线连接在Wi-Fi路由器的局域网接口上。如果没有铺设网线可以在各个集中器中增加电力线调制解调器(俗称电力猫)模块，客厅中也增加一个直流电力猫，各个集中器和物联网网关之间变成了通过电力线以PLC方式连接。物联网网关使用普通的个人计算机即可，安装服务器软件程序后，网关也就成了家庭服务器。为了在交流电源中断情况下也能工作，在计算机上增加3G网卡。

这里集中器中电力猫模块的应用不是传统的用法，它由集中器中的直流电源或者备用电池供电，电力线只作为传输介质，这样在交流电源中断时各个房间的集中器可以继续保持通信。智能家居系统连接示意图如图1所示。

图1　智能家居系统连接示意图

采用这种方式组成的智能家居系统，结构简单清晰，无需设计接口众多、功能复杂和价格昂贵的网关，集中器只需完成感应数据的转换，功能简单，成本容易控制。每个房间安装一个集中器，各个传感器节点可以就近连接集中器，集中器通过电力线也很方便地与物联网网关连接。

集中器完成的功能包括以下几个方面：

① 配置功能：提供配置界面，完成物联网集中器编号及编码、MAC地址、家庭服务器IP地址、ZigBee参数和RS485接口参数配置；

② 网管功能：实现设备状态的网管功能，设备加电时向家庭服务器主动上报设备状态(上报设备编码信息)，家庭服务器通过设备状态信息生成家庭内部设备的网络拓扑图，向上级网管上报家庭内部的网络拓扑图；

③ 窄带PLC通信功能：提供窄带电力线通信能力；

④ 抄表数据处理功能：集中器收到抄表消息时，发送抄表数据，并等待抄表响应数据收到才结束；

⑤ 智能插座控制消息处理功能：集中器收到智能插座控制消息时，当总线控制协议处理模块在完成对1个传感器节点的轮询后，需要检测是否有智能插座控制消息发送，若有则将智能插座控制数据填充到下一个智能插座的轮询消息中，通过轮询消息发送给智能插座；

⑥ 总线控制协议处理功能(包含ZigBee传输通道)：总线控制协议的帧格式采用HDLC协议帧格式进行封装，进行转义处理；

⑦ 充电电路控制功能：由于需要提供断电情况下的工作能力需要配备电池，对电池采用智能充电控制电路进行控制，延长电池使用寿命[12]。

3集中器硬件设计

如图2所示，集中器分成主控板、电源板以及备用电池3部分，主控板由主处理器、IO隔离电路、RS485接口电路、ZigBee模块、RF模块、电力猫模块、以太网接口电路、电源转换电路和充电控制电路等部分组成。

图2　集中器硬件组成示意图

根据集中器功能和性能需求，处理器选用STM32系列32位微控制器STM32F207ZG。STM32F207ZG使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核，该内核专门为高性能、低功耗、实时应用设计，满足嵌入式领域的要求。STM32F207ZG内置有1 024 Bytes Flash和128 KBytes SRAM，运行频率最高为120 MHz，具有150 DMIPS的处理速度，运算能力较强。STM32F207ZG采用LQFP144封装，IO资源丰富，且每个用户IO均可以配置为中断线，产生中断。STM32F207ZG中集成了丰富的片上外设，包括1个USB_OTG全速设备，1个以太网模块，2个直接存储器存取(DMA)控制器，3个模拟/数字转换(ADC)模块，2个数字/模拟转换(DAC)，14个定时器，2个控制器局域网(CAN)模块，4个通用同步异步收发器(USART)，2个通用异步收发器(UART)，3个串行外设接口(SPI)，3个I2C总线接口等等。包含的各种高性能工业标准接口极大地丰富了它的通信功能，使其适用于各种应用[13]。

4集中器软件设计

操作系统选用源代码开放并且完全免费的实时操作系统Free RTOS。Free RTOS占用硬件资源少，运行效率较高，实时性能较好，支持固定优先级抢占式调度与时间片轮转调度，可用于STM32中进行资源管理和任务调度。物联网集中器的软件功能模块构成如图3所示。

图3　集中器软件模块构成图

(1)系统初始化模块

该模块完成系统的初始化，包括时钟、中断、GPIO、串口和网口等初始化工作。

(2)参数配置模块

完成配置按键(配置ZigBee参数)、调试按键以及指示灯的配置工作，并配置网口和串口的通信参数。

(3)本地消息处理模块

① 心跳消息：集中器主动向家庭服务器发送心跳消息，集中器等待的心跳响应消息；

② 配置消息：集中器主动向家庭服务器发送配置请求消息，家庭服务器收到该消息后会返回配置响应消息，并将传感器节点的轮询配置表发送给集中器，集中器对该配置表进行维护；

③ 抄表消息处理模块：集中器收到家庭服务器发送的读表消息后，解析TPU(传输协议单元)及APU(应用协议单元)的数据帧，先根据总线占用标志位是否为空，若为空则组织智能表操作数据帧进行传输；将收到串口来的智能表数据组织成TPU的数据帧，发送到IP数据包处理模块通过以太网进行传输；

④ 数据转发处理模块：串口和网口数据之间的转发处理模块。

(4)IP数据处理模块

通过网口中断接收服务器传输的IP包数据，并进行解析，提取TPU的数据帧，再传输给本地处理模块或串口数据帧处理模块进行处理；将串口发送来的TPU数据包，组织成IP包通过以太网传输给服务器。

(5)串口数据帧处理模块

① ZigBee总线轮询帧处理模块：集中器根据ZigBee轮询配置表中的传感器节点编号对传感器节点进行轮询，首先根据总线占用标志位是否为空，若为空则组织总线数据帧通过串口发送总线轮询消息；通过串口中断接收来自传感器节点发送的数据，发送到IP数据包处理模块通过以太网进行传输。

② RS485总线轮询帧处理模块：集中器根据RS485轮询配置表中的传感器节点编号对传感器节点进行轮询，首先根据总线占用标志位是否为空，若为空则组织总线数据帧通过串口发送总线轮询消息；通过串口中断接收来自传感器节点发送的数据，发送到IP数据包处理模块通过以太网进行传输。

(6)电源管理模块：对系统的各个电压进行检测和管理；根据检测到的锂电池的参数，对其进行充放电操作；根据220 V市电的通断情况，对以太网传输模式和GSM传输模式进行选择。

5结束语

该设计打破了传统的物联网网关设计思路，提出了集中器的概念，采用集中器配合电力猫布置的智能家居系统，层次清楚，布线简洁，实现了多种家庭应用，同时兼顾了安防应用的可靠性设计。该系统已通过演示验收，达到了预期的要求，即将投入试用。

参考文献

[1]田莉.物联网在智能家居领域应用展望[J].行业观察,2011(03):74-77.

[2]吴巍,骆连合,王召福.物联网与数字家庭网络技术[M].北京:电子工业出版社,2012.

[3]何晓明,欧亮,朱永庆.物联网网关的设计与实现[J].广东通信技术,2012(4):2-6.

[4]陈琦,韩冰,秦伟俊,皇甫伟.基于ZigBee/GPRS物联网网关系统的设计与实现[J].计算机研究与发展,2011(48):367-372.

[5]金海,刘文超,韩建亭,等.家庭物联网应用研究[J].电信科学，2010(2):10-13.

[6]徐松涛,张中兆.基于OFDM技术的视频传输研究[J].无线电工程,2003(11):10-13.

[7]陈露晨,温林.电力线通信网的研究及实现 [J].无线电工程,2000,30 (2):25-27

[8]罗俊海,周应宾,邓霄博.物联网网关系统设计[J].电信科学,2011 (2):105-110.

[9]张文华,谭薇,陈砚圃,等.基于嵌入式Web服务器的物联网网关设计[J].四川大学学报，2013(5):962-966.

[10]张明杰，韩建亭，胡冰松，等.用家庭网关打造物联网家庭应用系统[J].电信科学，2010(4)：44-47.

[11]刘柱,汪晓岩,蔡世龙.低压电力线载波通信组网方法[J].电力系统通信，2009 (12)：17-20.

[12]周晓伟,蔡建平,郑增威,等.基于ZigBee传感网的楼宇智能照明控制系统的设计与实现[J].计算机工程与科学,2009(8):150-152,155.

[13]陈继,何永贵.低压电力载波技术在集中抄表系统中的实现[J].电力科学与工程,2008(4):45-49.

Design of the Concentrator for Multi-service IOT Gateway in Smart Home

MU Jin-wen

(China Commwnication System Co.,Ltd.,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The specification and development of IOT (Internet Of Things) and Smart Home is introduced briefly first.And various applications of IOT in a Smart Home system are listed.Disadvantages of usual IOT gateway are analyzed.And the idea of concentrator is proposed.The typical implementation of the concentrator in a Smart Home system is interpreted explicitly.Finally the hardware and software design of the concentrator is introduced.The Smart Home system using the concentrator can achieve many services for the family.The architecture of the network is simple and reliable.

Key words：Internet of Things; Smart Home; concentrator

中图分类号：TP311

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-18-04

作者简介：母金文(1981—)，男，工程师，主要研究方向：嵌入式系统开发。

基金项目：国家科技重大专项基金项目(2013ZX03005010)

收稿日期：2016-01-11

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.05

引用格式：母金文.智能家居多业务物联网网关集中器设计[J].无线电通信技术,2016,42(3):18-21.