智能家居網關及其Web控制軟件的設計和實現

侯維巖 魏耀徽 龐中強

(鄭州大學信息工程學院1，河南 鄭州 450001；上海市電站自動化技術重點實驗室2，上海 200072)

智能家居網關及其Web控制軟件的設計和實現

侯維巖1,2魏耀徽1龐中強1

(鄭州大學信息工程學院1，河南 鄭州 450001；上海市電站自動化技術重點實驗室2，上海 200072)

針對物聯網智能家居領域多網絡和多系統的現狀，提出了一種能夠同時兼容ZigBee、Bluetooth和以太網，并且能方便操作的B/S智能家居控制系統。網關采用STM32F103作為核心處理器，擴展多個功能模塊和各個子系統節點構成硬件平臺。軟件方面采用線程編程，添加ENC28J60驅動，通過線程輪詢的模式來控制不同子系統的數據傳輸與轉換。以MySQL作為數據庫，通過PHPsocket編程實現用戶與網關、數據庫之間的信息交互。網關與子節點之間通過串口電路進行通信。試驗結果表明，系統運行效果良好、使用方便、維護難度較低，能更好地應用到智能家居領域。

數據庫 ZigBee技術 Bluetooth技術 ENC28J60 網關 B/S架構

0 引言

隨著無線傳感器網絡技術的發展，物聯網技術從最開始的工業控制領域向民用領域逐步擴展[1]。最近幾年，各大家電生產廠商逐步將生產方向轉向高端智能化領域，并提出了智慧城市、智慧地球理念。目前各個大電子生產廠商生產的無線設備種類眾多，例如ZigBee和Bluetooth[2]等。但是沒有一個通用的控制系統將這些不同的通信設備進行有效融合。[3]

針對上述問題，本文設計一種易于大規模生產且能兼容不同協議的智能家居網關[4]，即支持以太網、藍牙4.0和ZigBee這3種不同網絡間的信息交換，并設計與其相關的控制軟件模型：MySQL數據庫[5]和PHP界面。網關可以通過Socket通信[6]對家居環境中各種設備進行控制，實現遠程智能監控。

1 網關架構設計

整個系統可分為：STM32F103VET6嵌入式網關和基于PHP的Web操控界面2大部分。嵌入式網關則由ZigBee模塊、Bluetooth模塊、RS232外設串口、ENC28J60以太網模塊和MCU-STM32F103VET6組成。

1.1 網關MCU設計

網關的硬件核心部分選用CortexTM-M3系列的STM32F103嵌入式芯片，主頻76 MHz，外接管腳功能較全。

網關需要處理和轉換多種通信協議，并且還要能夠運行以太網協議，所以本系統對網關的MCU內存容量要求較高。為了能使系統流暢地運行，選擇STM32F103VET6嵌入式芯片為核心處理器，其內存可達512 kB。

JTAG接口通過STM32F103VET6芯片的JTDI(測試數據輸入)、JTDO(測試數據輸出)、JTCK(測試時鐘)、JTMS(測試模式選擇)、JTRST(測試復位) 管腳下載和調試程序。

ZigBee和Bluetooth模塊通過STM32F103VET6的內置UART1和UART2管腳與芯片直接相連。UART3管腳則經過MAX232電源電平轉換芯片設置為串口外設接口(方便程序的檢測和調試)。各個子系統和MCU可以通過串口實現透明傳輸。

網絡接口主要負責網關和以太網相連，使用ENC28J60網絡芯片與STM32F103VET6的SPI接口相連，之后通過HR911105A網口與網線連接。

電源采用AMS1117芯片，實現5 V到3.3 V電壓的轉換，為主控芯片和各個子系統芯片提供電壓。網關硬件設計如圖1所示。

圖1 基于ARM的網關結構圖

1.2 ZigBee節點設計

ZigBee節點硬件設計主要包括：按鍵、CC2530、電源、LED燈，結構如圖2所示。

圖2 Zigbee結構圖

ZigBee模塊與網關共享同一個電源，子節點起采集信息及設備狀態的作用。子節點周期性讀取傳感器的狀態，后通過單播的方式將數據傳輸到協調器節點，協調器則通過串口將數據發送至網關。發送數據前，將采集數據與上次數據進行比較，如果沒有變化，則不發送數據。這樣不僅降低了節點能耗，而且避免了網關收發大量數據時產生的數據擁堵現象。LED等顯示網絡的連接狀態是否正常，如不正常，則通過按鍵可以重啟ZigBee模塊。

本系統中對協調器和各個子節點進行了統一編碼，并采用單播通信的方式通過地址響應，而非根據通信內容的響應來控制各個子節點設備，極大地降低了系統網絡中數據的傳輸量，也簡化了子節點的編程難度。數據幀格式如表1所示。

表1 ZigBee數據幀格式

從表1可以看出，幀頭幀尾以固定的數據填充，用來校驗數據格式是否正確，數據幀長度為15 B，其中幀頭中Z表示系統類型(ZigBee)，K或F表示控制或狀態。而設備類型是描述設備的用途。節點網絡地址占4 B，用來區分不同的終端設備。傳感器采集的信號存放在數據段(少于4 B時,補0)。

當協調器收到子節點發送的數據時，自動查詢子節點的網絡地址,將網絡地址以表1的格式打包發送給網關，再由網關轉發到上層控制端。當協調器收到網關的控制指令后，根據網絡地址將數據字符串發送給終端節點，終端節點收到消息后觸發相應的響應函數，實現對設備的控制。

1.3 Bluetooth節點設計

藍牙芯片采用TI生產的CC2540芯片，其硬件設計包括：CC2540、電源、按鍵、LED電路，結構如圖3所示。Bluetooth節點運行TI官方的BLE協議棧。該協議棧是最新的藍牙4.0協議，較之前的版本它具有功耗小、延時短以及成本低的優點，大大擴展了其在無線設備領域的應用范圍。通信網絡由主機和從機組成。

圖3 Bluetooth結構圖

由圖3可知，主機(Central)通過對SimpleBLECentral_ProcessEvent()函數插入自動搜索語句，使主機能夠上電自動搜索周圍的廣播設備。當搜索到可連接的設備后會自動連接，這時主機會通過串口向網關發送字符和廣播內容，LED等閃爍表明連接已經建立。若連接失敗,可以通過按鍵手動重新連接。

從機上電后自動廣播，連接建立后主要通過兩條特性值數據通道與主機通信。兩條特性值數據通道定義為Char6和Char7。Char6設置為可讀寫的特性值語句，從機主要通過這條數據通道接收主機發送的信息，Char7為消息特性值語句。當從機收到外部數據后寫入Char7，主機可以從Char7讀取從機發送的數據。Bluetooth通信格式如表2所示。

表2 Bluetooth數據幀格式

表2表明，幀頭幀尾以固定的數據填充,用來校驗數據格式是否正確，數據幀長度為14 B。其中幀頭B表示系統類型(Bluetooth)，K或F表示控制或狀態。后面的是節點網絡地址用來區分不同的終端節點。藍牙協議的網絡地址是由48位IEEE地址構成，所以將節點網絡地址字段設置為6 B。數據段為傳感器發送的數據(少于4 B時,補0)。

1.4 ENC28J60模塊設計

ENC28J60是閉環網絡控制芯片，它符合IEEE 802.3的全部規范，內部擁有一個DMA模塊，以實現高速數據的收發和IP校驗與計算[7]。MCU通過2個中斷引腳和SPI連接，最高傳輸速率可達10 Mbit/s。硬件設計主要包括：NEC28J60、按鍵、電源、晶振。WiFi結構原理圖如圖4所示。

圖4 Wifi結構圖

運行主程序之前，需要對芯片的SPI管腳進行配置：雙向全雙工、主機模式、發送接收8位幀結構、時鐘懸空低、數據捕獲第一個時鐘沿、NSS片選信號有軟件控制、波特率預分頻為8、數據傳輸從MSB位開始、CRC計算值設置，編寫SPI1_ReadWrite()數據讀寫函數。然后對NEC28J60芯片初始化配置包括：控制寄存器、以太網緩沖器和PHY寄存器。

網關運行的網絡協議是UIP協議，UIP協議包含TCP協議棧的主要功能，代碼較少只有6 kB，運行時只占用幾百字節的RAM,適合在小型嵌入式芯片上運行。

1.5 網關軟件設計

網關接收到ZigBee、Bluetooth反饋的數據，采用Socket通信把數據經以太網發送到服務器端。由于網關需要分析大量的數據，并向不同的端口傳送，因此需要通過UIP_APPCALL()函數接口對數據進行轉發，包括以TCP-UART1、TCP-->UART2、UART1-->TCP、UART2-->TCP。

網關系統流程如圖5所示。

圖5 網關系統流程圖

設備端口主要是UART端口和Socket通信接口。串口通信采用無奇偶校驗的方式，波特率統一設定為115 200 bit/s，同時對看門狗定時器周期性清零。端口查詢程序由loop_tcpip()、loop_uart1()、 loop_uart2()這3個函數組成。loop_tcpip()是TCP循環處理函數，主要功能包括網絡連接的建立和網絡數據的收發。loop_uart1()和loop_uart2()函數實現UART1和UART2串口數據的收發。

2 Web控制端的設計

系統控制軟件基于PHP+Apache+MySQL平臺，構建B/S[8]架構的信息管理服務器。該架構是目前最流行的Web開發應用架構之一。數據庫采用MySQL[9]來存儲數據，使用MyEclipse 集成開發環境開發服務器端的Web 應用程序[10]。通過在前臺HTML頁面中嵌入智能家居場景，將不同電器的信息直接顯示在網頁中。

本文所設計的控制端主要分為：通信控制模塊、狀態查詢顯示模塊、登陸模塊、設備添加模塊。其整體架構如圖6所示。

圖6 控制軟件架構圖

本系統采用在Linux環境下運行的MySQL數據庫，在數據庫中建立設備表和用戶信息表。設備表格式如表3所示。設備地址表用來儲存控制設備的類型和設備所在無線網絡的地址。設備類型存儲著由網關傳送的數據頭字符，地址是每個節點在網絡中所分配的地址。設備狀態存儲節點返回設備的狀態值和采集到的數據?？刂葡到y自動將接收的網關數據寫入數據庫，同時也支持用戶通過編輯頁面更改數據庫的數據。

表3 設備表格式

控制系統并非開放的系統。為了保證用戶使用的安全性，本文在控制端設計了一個登錄控制模塊。程序接收到用戶輸入的用戶名和密碼，判斷是否是合法用戶。如果合法則轉到控制界面，否則提示“用戶名或者密碼錯誤”。

登陸成功后才能進入通信控制頁面和顯示頁面，頁面中的每個圖標都對應著各個子系統的終端節點。通過對數據庫的實時查詢，在圖表上顯示每個節點的狀態，圖標旁邊是控制按鍵。當點擊按鍵時，會把與按鍵相對應的器件地址和狀態值通過Socket發送給網關。發送值=器件類型(BC/ZC)+ 器件在無線網絡中的地址(通過查詢數據庫表)+控制狀態。當發送成功后,器件的狀態發生改變,再由網關發送至數據庫，這時頁面經過查詢數據庫更新顯示器件的狀態。

設備添加模塊是用戶手動更新設備表單的一個頁面。設備表信息都顯示在HTML表單中，用戶修改完成后，單擊提交按鈕就會將數據更新到數據庫。

3 結束語

本文提出了一種面向智能家居環境的基于無線網絡-ARM網關-數據庫-控制界面的網關控制系統。該系統利用成熟的ZigBee、Bluetooth、STM32和PHP Web設計軟件，實現了智能家居環境下的信息采集和管理。系統一方面能夠對不同通信系統的信息進行統一和實時的管理；另一方面優化了用戶界面的操作，提高了項目的開發效率，同時也增加了系統的可移植性和可擴展性，具有較好的經濟效益和社會效益。

[1] 李勇，趙劉陽，王平，等.智能家居無線控制網絡的設計與實現[J].自動化儀表，2013,34(7)：58-61.

[2] Baker N.ZigBee and Bluetooth strengths and weaknesses for industrial applications[J].Comp uting and Control Engineering Journal,2005,16(2)：20-25.

[3] 沈永春，姜寧，張功鍍.嵌入式多協議網關的設計與實現[J].自動化儀表，2007,28(3)：8-12.

[4] 魏來，王海寬，費敏銳.異構網絡測控系統集成設計及發電實驗應用[J].自動化儀表，2011,32(5)：6-10.

[5] 葉寧，王忠勤，王汝傳，等.基于EPC網絡的智能物資管理系統的應用與研究[J].計算機技術與發展，2012,22(10)：209-216.

[6] 孫知信，唐蘇寧.基于ipv6的無線傳感器網絡異構通信技術研究[J].中興通訊技術，2012,18(3).

[7] 劉宗明，卓振泰，何明華.基于ENC28J60的以太網接口的設計與實現[J].電子器件，2013,36(6)：920-922.

[8] Wang W J,Li J.The design of an open laboratory information management system based upon a browser/server (B/S) architecture[J].World Transactions on Engineering and Technology Education，2013,11(1)：41-45.

[9] 李榮國，王見.MySQL數據庫在自動測試系統中的應用[J].計算機應用，2011(S2)：169-171,175.

[10]李丹.智能停車場Web車位引導的設計與實現[J].韶關學院學報，2013,34(2)：243-246.

Design and Implementation of the Gateway for Smart Home and Its Web Control Software

In accordance with the current status of multi-network and multi-system in IOT smart home field, the B/S smart home control system that is compatible with ZigBee, Bluetooth, and Ethernet and easy to operate is proposed. In the gateway, STM32F103 is adopted as the core processor for expanding multiple functional modules and constituting the hardware platform. The thread programming is used in software, and the drive of ENC28J60 is added, data transmission and transformation of different subsystems are controlled through thread polling mode. With MySQL as the database of the system, the information interaction among users, gateway and database is implemented via PHPsocket programming, while the communication between gateway and child nodes is through the serial port circuit. The experimental results show that the system is running with excellent effect and is easy operated; it features lower maintenance difficulty, and is suitable for applying in the field of smart home.

Database ZigBee technology Bluetooth technology ENC28J60 Gateway B/S framework

侯維巖(1964-)，男，2004年于上海大學控制理論與控制工程專業，獲博士學位，教授；主要研究方向為分布式智能控制、信號和圖像處理。

TN871

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505016

修改稿收到日期：2014-10-08。