LV—Home智能家居通信系統設計

房彪 蔣強 謝桂 馬金

【摘要】隨著物聯網技術高速發展，而智能家居系統則是物聯網技術一個重要應用領域之一。但現有的智能家居通信接口較為單一[1]，限制了終端功能的擴展和系統的部署能力。在現有的智能家居通信基礎上提出了一種多種通信接口統一體的解決方案，該系統的通信接口容納包括RS232、USB、TCP/IP、GSM和WIFI。且該解決方案成功部署在LV-Home智能家居系統中，實現了PC、win8平板、智能手機和數據采集儀器在局域網的協同工作。為今后智能家居通信系統發展創造了條件。

【關鍵詞】智能家居;通信系統;LabVIEW

1.方案簡述

本系統具備與多種類型終端通信功能，按照通信終端類型可分為RS232串口設備、USB采集卡終端、PC終端、手機或平板終端。欲實現不同設備正常通信，必須使用不同的通信技術及其協議。與串口設備通信時采用基于RS232串口的Modbus協議[6]，通信數據格式遵循Modbus規范;與6009數據采集卡和USB攝像頭通信時，使用USB通信協議;與GSM模塊通信時采用基于RS232串口[7]的AT通信協議[2][3]，即數據格式遵循AT指令規范;與PC客戶端通信時采用基于以太網的NI Data socket通信協議，遵循DSTP通信規范;與手機或平板客戶端通信時采用基于WIFI協議的Web service通信協議，遵循web Service相關規范。

2.基于Modbus協議的設計

2.1 Modbus協議簡介

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。

當在Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。

2.2 Modbus特點

（1）標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產品超過600種。

（2）Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

（3）Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發簡單。

本章將在該協議的基礎之上完成通信格式的設計。將在RS-232串口實現通信。

2.3 Modbus通信消息幀

表1 Modbus通信消息幀

地址碼 功能碼 數據區 CRC校驗碼

1字節 4字節 1-252字節 2字節

數據區：從機發給主機的數據需將各種類型數據轉換為ASCII碼，包含如表3所示數據。

CRC校驗碼：用于校驗數據傳輸過程中是否收到干擾。取數據區最前兩個字節，結果計算后將結果與收到的數據區前兩個字節進行對比，若相同，則表示數據傳輸過程中沒有收到干擾。校驗算法請參加參考文獻《CRC校驗碼在單片機中的程序實現及其冗余碼表的求取[4] 》。

3.基于Datasocket 技術通信設計

3.1 Datasocket 技術簡介

Datasocket[5]技術是由NI公司開發，主要面向測控計算機網絡間通信領域，用于共享和發布實時數據，是一種易用的高性能數據交換編程接口。它能有效地支持本地計算機上不同應用程序對特定數據地同時應用，以及網絡上不同計算機地多個應用程序之間的數據交互，實現跨機器、跨語言、跨進程的實時數據共享。用戶只需要知道數據源和數據宿及需要交換的數據就可以直接進行高層應用程序的開發，實現高速數據傳輸，而不必關心底層的實現細節，從而簡化通信程序的編寫過程，提高編程效率。

在本系統中，主要利用它在以太網上實現遠程控制功能。用戶可以通過遠程計算機客戶端對家居的實時控制。采用一對多通信架構，在軟件實現上需要編寫一個受于服務器運行的服務器軟件和受于PC客戶端運行的客戶端軟件。

3.2 服務器與PC客戶端通信消息幀（如表4、5所示）

4.基于Web Service通信設計

4.1 Web Service 簡介

Web Service技術，能使得運行在不同機器上的不同應用無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可相互交換數據或集成。依據Web Service規范實施的應用之間， 無論它們所使用的語言、平臺或內部協議是什么， 都可以相互交換數據。Web Service是自描述、 自包含的可用網絡模塊，可以執行具體的業務功能。Web Service也很容易部署， 因為它們基于一些常規的產業標準以及已有的一些技術，諸如標準通用標記語言下的子集XML、HTTP。Web Service減少了應用接口的花費。Web Service為整個企業甚至多個組織之間的業務流程的集成提供了一個通用機制。

在本系統內中主要利用它來實現手機客戶端與服務器的通信，主要基于wifi網絡。用戶可通過手機實時查看家里檢測到的各種數據，并且可以通過面板遠程控制家里的電器。其原理就是在PC服務器端發布基于Web Service 的標準XML數據，然后通過編寫的手機App 訂閱該服務，可支持安卓、IOS和WP平臺。

4.2 服務器與手機客戶端通信消息幀（如表6、7所示）

4.3 MOBUS、Datasocket和Web服務通信流程

圖1 通信流程

圖2 PC客戶端基于以太網的通信效果圖

如圖1、2所示，在本系統中，MODBUS、Datasocket和Web Services通信流程都一樣，盡是所占資源不一樣而已。具體請見參考相關文獻。

參考文獻

[1]楊利平.基于網絡技術的遠程智能家居系統[J].儀器儀表學報，2009，25（4）：309-311.

[2]劉松，趙忠，孫學磊.基于GSM 的遠程家庭智能監控系統設計[J].電子測量技術，2009，32（1）：89-91.

[3]張俊. SMS 短消息傳輸的遠端控制技術及其實現[J].儀器儀表學報，2003，24（4）：610-611.

[4]唐鵬程，鄒久明.CRC 校驗碼在單片機中的程序實現及其冗余碼表的求取[J].工業自動化與裝置報，2004（3）：56-57.

[5]阮奇珍.我和LabVIEW：一個NI工程師十年編程經驗[M].北京航空航天大學出版社，2009：210-230.

[6]施耐德電氣有限公司.MODBUS通信協議技術規范.2000.

[7]EIA.RS232技術規范.1962.

基金項目：2013-2014年大學生創新創業訓練項目（編號：201310649005）;樂山市科研啟動項目（編號：LS-ZX005）。