基于多模智能網關的智能家居系統設計

閆文耀，王志曉，李軍懷，張德運

(1．延安大學西安創新學院，西安710100;2．西安理工大學a．陜西省網絡計算與安全技術重點實驗室;b．計算機科學與工程學院，西安710048;3．西安交通大學電子與信息工程學院，西安710049)

1 概述

隨著傳感器技術、嵌入式技術、分布式信息處理技術和無線通信技術的發展，智能空間受到越來越多研究人員的關注。智能空間的建立不僅可以使人們的生活變得舒適便捷，而且可以輔助安防和特殊人群［1-2］。智能家居作為智能空間的重要組成部分和研究領域，將會使人們的日常生活變得更加方便、快捷和舒適，而在其中起到關鍵作用的就是家庭智能網關。因為在智能家居中各類數字電子電器設備可以通過一個家庭智能網關加以連接，從而實現家庭內外網絡和電子電器設備間的互聯，使用者不僅可以靈活地訪問家庭內部網絡，管理和操控這些電子電器設備，而且可以方便地訪問外部網絡(比如Internet)。

然而當前的網關一般為單一的調制解調器、有線或無線路由器、網絡交換機、VoIP電話適配器和無線AP，或者是以上設備的組合。此類網關很難適應未來智能家居環境日益增長的多業務需求，而且在支持多種接入技術、遠程管理以及安全性等方面的功能相對欠缺。因此，研究支持多業務模式的智能型異構融合網關顯得尤其重要。本文提出多模智能融合網關(Multi-modal Intelligent Integration Gateway，MMIIG)，該網關兼容IPv4和IPv6協議，不僅對外提供EPON，ADSL，Ethernet等多種接口類型，而且對內也支持Ethernet、ZigBee、無線 Wi-Fi等多種接入模式，同時考慮安全性，并支持遠程配置和管理的Web功能。同時，該智能網關支持多種基于IPv4/IPv6的應用示范業務(比如多媒體實時業務)，并在此基礎上研究基于MMIIG網關的智能家居系統平臺。

2 相關研究

現在很多公司和機構正在積極研究和開發家庭智能化的核心設備——智能網關，比如:TI公司提出的 UG8 框架［3］，Allied Telesis 公司的 AT-RG656［4］，Inteno 公 司 的 EG500［5］，歐 盟 資 助 的 Figaro［6］和MUSE項目［7］。除此以外，科研人員也從不同角度對網關或智能網關進行研究，并給出以下分類:(1)按特定的功能和支持服務的類型:支持多媒體的網關，支持QoS的網關，Domotic網關;(2)按訪問終端的數量和支持服務的類型:虛擬網關，基于Web的中心網關，廋服務器網關，機頂盒式網關，多服務網關;(3)按OSI參考模型:A類網關(含物理層)，B類網關(含物理層和鏈路層)，C類網關(含從物理層到傳輸層)，D類網關(含從會話層到應用層)，E類網關(含從網絡層到應用層)，F類網關(含 OSI的7層);(4)按網關的發展史:調制解調器，路由器，交換機，服務網關。

文獻［8］提出一個用于連接家庭內部網絡和Internet的機頂盒式HNGS網關架構，基于Java技術設計網關的實時軟件，之后采用X86單板機和Vxworks完成網關原型，但此網關僅提供一個以太網口和一個IEEE1394口，內部和外部接口單一，且不支持遠程管理和多業務服務。為互連各類異構網絡，文獻［9］提出一個嵌入式網關架構，但只討論了一些數據結構。文獻［10］從Web服務的角度，基于Java技術給出OSGi(Open Service Gateway Initiative)服務網關架構，該架構集成了當前流行的一些有線和無線協議。文獻［11］基于OSGi和語義Web技術研究了DOG(Domotic OSGi Gateway)網關，基于通用化和認證服務的設計思想，采用輕量級的方法管理不同內部網絡。文獻［12］在支持多媒體和QoS等功能網關的基礎上，研究支持 VLAN和 QoS的安全 OSGi MRG(Multi-residential Gateway)網關。文獻［13］研究了基于三網融合的智能型家庭網關，以RTL8196C嵌入式微處理為核心，給出該網關的設計與實現過程。文獻［14］研究并設計了基于ARM技術的異構網絡融合多模網關，該網關選用HHS3C6410-R2開發套件，主要實現了異構無線網絡間的融合。文獻［15］采用西門子公司S7-200系列小型PLC研究并設計一個IPv6數字家庭網絡的智能控制終端，實現了普通家電的遠程監控和智能報警。文獻［16-17］分別設計了無線異構網絡融合網關，前者側重一般的無線網絡，后者更側重異構傳感器網絡的融合。另外，考慮到移動性和交互性，文獻［18］研究了支持Zigbee和藍牙技術的移動網關。

與此同時，科研人員也在不斷探索各類基于網關的智能網絡系統，尤其是智能家居。為適應動態環境和互操作，文獻［19］基于OSGi和移動Agent，設計一個對等的面向服務架構(Service-oriented Architecture，SOA)的智能家庭系統。文獻［20］在模糊邏輯和模糊神經網絡的基礎上，從信息獲取與融合、無線和有線通信、智能控制技術以及用戶界面等方面全面設計并實現基于信息融合的智能家庭系統。文獻［21］整合通用網關、Zigbee和Wi-Fi技術設計并實現一個無線智能家庭自動化系統。此外，為節約能源，作為智能家居一部分，一些面向家庭的智能電力系統也被開發和實現［22-23］。

然而，以上大部分網關要么仍停留在服務網關上，比如OSGi網關，僅是軟件架構的設計和實現;要么功能單一，接口類型有限，較少支持多模式和多種服務類型;要么沒有考慮安全性和可靠性。因此，本文設計一個多模智能融合網關。

3 多模智能融合網關的硬件設計

3．1 設計目標

智能網關是家庭內部網絡和外部網絡的橋梁，互連不同的電子電器設備，支持多種協議和接口，并提供多種類型的網絡服務。基于此，新一代多模智能融合網關需綜合考慮以下因素:

(1)靈活性、開放性和擴展性:采用開放的思想，靈活的架構，并且易于管理和維護，支持遠程管理或Web管理功能。

(2)兼容性和異構性:可以運行在IPv4和IPv6網絡中，支持各種網絡協議和不同類型設備的接入，尤其是Wi-Fi設備。

(3)支持業務多樣性:應能夠處理數據、音頻和視頻等多種業務和服務。

(4)安全性和QoS:能夠對不同的業務和服務提供不同級別的安全性和QoS保障。

3．2 網關硬件結構

多模智能融合網關的總體結構如圖1所示。

圖1 MMIIG網關硬件結構

MMIIG網關接口類型為:(1)局域網內部接口:無線(802．11，比如 Wi-Fi)，有線以太網，USB，ZigBee;(2)局域網外部接口:ADSL，有線以太網，EPON。考慮到在高速印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)中，模擬信號質量易于受到電源、外圍元器件參數及PCB走線的影響，如果將MMIIG網關的所有功能都放在同一塊PCB板上實現，一旦處理不當，將相互干擾，造成高速EPON，ADSL以及高頻Wi-Fi和ZigBee數據傳輸過程中丟棄率與誤碼率的增加;同時考慮到便于調試及可維護性，采用分而治之的思想，基于IXP425網絡處 理 器:Cortina ONU CS8016，Broadcom BCM6338，ATmega 128L和TI CC2420設計了MMIIG核心模塊(見圖1)，EPON模塊(見圖2)，ADSL模塊(見圖3)和ZigBee模塊(見圖4)。

圖2 EPON模塊

圖4 ZigBee模塊

3．2．1 CPU

考慮到寬帶應用需求，經過反復比較和實驗，選擇國際上普遍流行的、性能先進的Intel IXP425網絡處理器，它采用高性能的Intel XScale?core內核，32 KB指令緩存與數據緩存，533 MHz主頻，可以滿足智能網關信息處理的高帶寬要求。尤其是3個網絡處理引擎(Network Processor Engine，NPE)，其中，廣域網/音頻網絡處理引擎(WAN/Voice NPE)側重于廣域網和音頻信息的處理;以太網處理引擎A可用于通用的以太網數據處理;以太網處理引擎B借助哈希運算和數據加解密單元，擁有較強的密碼處理能力。

3．2．2 存儲系統

SDRAM采用 4個 HY57V561620(32 MB)，FLASH采用JS28F128J3A(128 MB)。考慮到家庭網關可能替代家庭或中小型企事業單位數據服務器，網關允許通過USB及CF接口接入較大容量的存儲設備;此外，通過PCI接入磁盤陣列控制器，能提供大容量的存儲。

3．2．3 多模智能融合網關接口

多模智能融合網關接口設計具體如下:

(1)支持IPv4/IPv6:通過IXP425提供的網絡處理引擎實現網絡數據包的高速路由轉發及對IPv4/IPv6的支持。

(2)具有2個芯片自帶的高速Console串行接口。

(3)廣域網(WAN)接口和局域網(LAN)接口:IXP425內置2個媒體訪問控制(MAC)控制器，通過擴充交換芯片物理層(PHY)，提供一個WAN接口和8個LAN接口。

(4)ADSL接口:采用數字用戶線路(Digital Subscriber Line，DSL)處理芯片組 Broadcom BCM6338(其中IXP425內置多個UTOPIA2控制器)，實現與ADSL控制器的無縫連接。

(5)EPON接口:采用美國Cortina公司的光網絡單元(ONU)集成控制器CS8016。CS8016不僅提供了廣泛的QoS和流量管理功能，而且集成了幀緩沖存儲，能減少外部隨機訪問內存(RAM)的需求。

(6)ZigBee接口:采用 TI公司的 CC2420/CC243x。通過IXP425自身的2個高速串口實現與ZigBee傳感器網絡模塊的連接，并提供系統調試的串行接口。

(7)Wi-Fi接口:通過Mini-PCI接口和802．11b/g/a/n Wi-Fi無線網卡，提供無線接入功能。

4 多模智能融合網關的軟件設計

4．1 網關軟件結構

為便于擴展和維護，MMIIG網關軟件結構采用分層結構和開源理念，其軟件結構如圖5所示，包括引導層、嵌入式操作系統層、中間層和應用層。其中，嵌入式操作系統層選擇自由可擴展的 Linux OpenWRT;中間層基于JVM;應用層采用OSGi框架綁定大量的服務和應用，包括流媒體、QoS等。

圖5 MMIIG軟件結構

4．2 OpenWrt操作系統

Linux OpenWrt是用于嵌入式設備的GNU/Linux發行版，是一個高度模塊化、自動化且遵循TCP/IP模型的嵌入式Linux系統，擁有強大的網絡組件和擴展性，可以實現虛擬專用網絡(VPN)、網絡地址轉換(NAT)、安全外殼協議(SSH)隧道，無線Wi-Fi，流量控制與整形，Web服務，網絡行為監測等功能，常被用于工控設備、智能家居、路由器、電話、小型機器人以及網絡語音電話業務(VoIP)中［24］。

在OpenWrt中，使用通用的嵌入式Linux工具，比如:busybox，uClibc 和 shell interpreter，一次提供一個抽象硬件層和包管理機制，其體系結構如圖6所示。其中，統一配置接口(Unified Configuration Interface，UCI)可以幫助用戶在任何平臺的OpenWrt上用同樣的方法配置系統、網絡和應用;OPKG包管理系統是一個與桌面級 Linux使用的 apt-get，pacman，yum等同級別的包管理系統，可以獲取豐富的軟件資源。因此，本文選用 OpenWrt 2．6．32．25(gcc4．3．3)版本。

圖6 OpenWrt體系結構

4．3 異構融合和多協議棧

通信協議是通信雙方為完成通信而約定一種規則或者標準，因此只要通信雙方約定的通信協議相同就可以完成通信，這也是網絡異構互連的基礎。從理論上來說，異構網絡之間的融合可以在網絡層實現，也可以在MAC層實現，不過鑒于網絡層(也稱為網際層、網間層、互聯網層)互連特性，在網絡層實現異構融合比較簡單且易于軟件實現，但執行效率不高;如果在MAC層實現異構融合則相對復雜，因為需要由物理硬件實現，但執行效率會更高。

為便于實現IPv6網絡、IPv4網絡、ZigBee和無線網絡(比如Wi-Fi)等網絡間的互連與融合，本文智能網關選擇在網絡層實現異構融合的技術。同時，為在IPv4網絡中兼容IPv6，主要利用雙協議棧技術(RFC4312)、地址協議轉換(NAT-PT)技術(RFC2766)和隧道技術(RFC3056)進行實現，詳見文獻［25］。本文采用Netfilter/Iptables提供的NATPT技術，以ZigBee和Wi-Fi網絡之間的異構融合為例加以說明。如圖7所示，異構網絡(比如ZigBee網絡和Wi-Fi網絡)之間的通信必須經過智能網關MMIIG，它們在網絡層使用相同的IP協議實現互聯互通及融合。

圖7 異構網絡融合

4．4 多業務與服務質量

MMIIG網關采用 OSGi、Java虛擬機(JVM)、通用即插即用(UPnP)等技術，一方面實現了網關和家庭電子電器設備的互操作，另一方面便于系統擴展和維護，尤其是在多媒體服務實現中，采用UPnP AV［26-27］和 UPnP QoS［28］策略。同時為實現有效調度和管理，將不同業務依據其時延、抖動和數據包損失率劃分為低優先級、一般優先級和高優先級3種不同業務類型，如表1所示。

表1 業務優先級分類

(1)服務策略:采用先進先出、高優先級先服務以及溢出丟棄的協商原則。比如，對于包含2個以上優先級的業務，如果其到達率超出協商到達率，則將數據包直接丟棄。

(2)分類與調度策略:智能網關分類與調度策略，如圖8所示，不同類型的業務分配不同的隊列，執行帶權重的輪詢調度機制。如果一個業務含有2個以上的優先級，則將其分類到較高的優先隊列。考慮到智能網關的處理能力，因此在處理機調度過程中，對于任一隊列i，其數據包到達率λ(qi)和處理率μ(qi)必須滿足關系:

圖8 智能網關分類與調度

所有隊列(含子隊列)的總到達率和總處理比率ρ也必須達到滿足:ρ＜1。同時，考慮到系統容量，總服務率μ(q)必須滿足:

(3)隊列管理策略:為避免數據包在網關中發生擁塞并減少時延，考慮網關的有限存儲空間，本文結合隨機早期檢測(RED)算法［29］，采用帶權重的隨機早期檢測(WRED)算法，其主要思想為:當隊列長度處在給定的最小閾值和最大閾值之間時，按相應概率選擇性地丟棄被標記的數據包。

帶權重的隨機早期檢測WRED算法具體步驟如下:

4．5 基于Web的智能家居網關管理

為便于管理MMIIG網關，本文基于Web技術設計一個智能家居網關管理系統，如圖9所示。用戶可以有效地配置和控制MMIIG網關，并且可以通過網關方便地管理智能家居系統中的所有電子電器設備。

圖9 基于Web的智能家居網關管理系統界面

5 安全性分析與流量控制

在智能網關MMIIG的設計過程中，安全性和流量控制是重要的環節。為實現MMIIG網關的安全性和流量控制，采用Linux提供的Netfilter/Iptables技術。Netfilter是一種Linux 2．4內核防火墻框架，在高級的Linux版本中均有支持，該框架既簡潔又靈活，可實現安全策略應用中的許多功能，如數據包過濾、數據包處理、透明代理、地址偽裝、動態網絡地址轉換(NAT)以及基于用戶及媒體訪問控制(MAC)地址和基于狀態的過濾、包速率限制等;Iptables基于Netfilter框架，是一種可擴展模塊的管理工具。在Iptables中定義了表、鏈和規則，用來管理經過Netfilter各個鉤點的數據包［30］。其中，Iptables預定義的表有數據包修改表、數據包過濾表和網絡地址轉換表。在可靠性方面，在設計時已進行嚴格的元器件篩選，并實施老化實驗和性能測試，同時保持必要的接地和覆銅處理，詳見文獻［31］。

6 智能家居系統測試

在構建智能家居原型系統時，智能融合網關MMIIG是其核心互聯設備。該網關不僅用于互聯內部網絡(包括各種智能設備)，而且也是內外網絡互聯的橋梁。因此，在智能家居系統中，核心網關的性能好壞直接影響智能家居原型系統性能。下文將主要測試和分析MMIIG網關的性能及其在智能家居無線傳感器網絡中的應用。在測試版本的MMIIG網關中，安裝2片32 MB的 SDRAM，表2給出了MMIIG的主要參數。

表2 MMIIG主要參數

為測試MMIIG網關的性能，使用配置無線和有線網卡的筆記本A和B、MMIIG網關、Android智能手機、內部服務器C(可提供Web、FTP和VoD等服務)，裝配ZigBee適配模塊的模擬照明系統，從而搭建一個簡易的智能家居系統，如圖10所示。

圖10 智能家居系統

智能家居系統中的初始參數(即在空閑情況下的參數)設置，比如CPU信息、內存使用情況和進程運行情況等見圖11。

圖11 智能家居系統中的初始參數設置

本文測試和實驗數據的獲取基于如圖10所示環境，采用iperf-2．0．2等工具進行，在120 s的測試時間中，分別收集1個、2個、4個和8個數據流情況。圖12給出了MMIIG網關在防火墻、包過濾、節點認證等安全機制打開時，不同數據流情況下的吞吐率和抖動變化情況。

圖13給出了在不同數據流作用下內存平均使用率，“0”表示在空閑情況下OpenWRT操作系統的內存使用率，約為19%。可以看出，隨著數據流并行數量的增加，MMIIG網關的內存占用率也隨之增加，該使用率包含OpenWRT內存使用率。實際上，數據流內存使用率是其各自使用率減去操作系統使用率和iperf內存使用率。

本文為測試MMIIG實際應用情況，以易于實現和部署的智能家居照明系統為例，為更接近每天的實際操作，在照明系統中分別采用直接控制和Web間接控制的方式周期性地改變燈泡狀態30次。

圖12 不同數據流下的吞吐率和抖動變化情況

圖13 不同數據流下的平均內存使用率

直接控制的平均時延約為758 ms，既小于有線訪問模式下的間接控制時延(約1．4 s)，更遠小于無線訪問模式下的間接控制時延(約2．1 s)。在直接控制情況下，平均時延主要包括電磁繼電器的響應時延和燈泡狀態的改變時延。在間接控制下的時延較長主要是由于增加了Web響應時延。在整個實驗過程中，系統運行狀態良好，驗證了MMIIG網關的可用性。

為測試MMIIG的實際應用情況，訪問新浪網(www．sina．com．cn)首頁，隨后打開一段 6 min 17 s的視頻;有關音頻的測試通過訪問百度音樂(music．baidu．com)，隨機聆聽一段3 min 40 s的音樂，視頻和音頻均能流暢播放。圖14給出了不用應用環境下的內存使用情況。可以看出，視頻應用的內存使用比其他應用大，4種應用的內存使用情況從大到小分別是視頻(Video)、音頻(Audio)、Web訪問(Web)和燈控(Lamp)。

圖14 各類應用的內存使用情況

7 結束語

本文從當前網關設備和智能家居的現狀著手，基于Intel IXP425網絡處理器和開源Linux內核，研究支持IPv6的多模智能融合網關(MMIIG)。該智能網關不僅提供了ADSL，EPON，LAN等多種寬帶、無線802．11(Wi-Fi)、Zigbee訪問技術及 Web管理功能，支持多種類型的媒體業務，而且采用Netfilter/Iptables保障數據可靠傳輸。實驗從吞吐率、CPU和內存使用情況等方面驗證了智能家居系統的性能和可用性。盡管該智能網關和智能家居系統的基本原型已初步實現，但要面向實際應用還需使用更專業的測試工具以及接口技術;另外，由于本文實驗條件的局限性，未能對EPON和ADSL進行有效性測試，今后將對此做進一步研究。

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