智能家居系統網關的設計與實現

王佳欣

（北京工業大學軟件學院，北京　100022）

智能家居系統網關的設計與實現

王佳欣

（北京工業大學軟件學院，北京100022）

針對藍牙網絡與Internet網絡間通信協議不兼容的問題，本文利用低功耗藍牙4.0技術與以太網通信技術，設計了基于藍牙4.0技術和以太網技術的智能家居網關。硬件設計采用集成了ARM Cortex—A9核心的Zynq 7000開發平臺作為核心處理器，利用平臺上連接的CSR1010藍牙模塊與智能家居系統中家居設備相通信，通過雙絞線將平臺上的以太網網絡接口與路由器相連進行遠程通信。軟件設計方面，基于Linux操作系統實現在藍牙網絡和Internet網絡之間進行數據通信的功能。實驗測試結果表明，本文所設計的網關具有較低數據丟包率、數據處理時延及功耗，可保證智能家居系統中家居藍牙網絡與Internet網絡通信具有良好的準確性與實時性。

智能家居系統；藍牙4.0通信技術；低功耗藍牙網關；Linux系統

0　引 言

隨著人們生活條件的不斷改善及物聯網技術的飛速發展，人們對家居環境的安全、舒適、便捷性要求越來越高。為了服務人們的日常生活，滿足人們對家居生活的現代需要，組建融合自動化控制、計算機網絡及網絡通信等技術的物聯網智能家居系統也就成為未來家居環境建設的重要方向。物聯網智能家居系統雖然克服了傳統的智能家居系統存在的許多缺點，但在能源使用上，卻要比傳統智能家居系統產生更為可見的消耗。為了能夠降低能源耗費，將藍牙低功耗技術應用到智能家居系統的家庭局域網中即已成為一種研究發展趨勢。由于藍牙通信協議與Internet通信協議的互不兼容，為了解決藍牙與Internet異構網絡之間的通信問題，本文最終分析采用了解決異構網絡之間通信的典型方案，即設計協議轉換網關。

目前已經有很多學者在解決異構網絡之間通信方面開展了研究，提出了如基于ZigBee/TD-SCDMA無線傳感器網絡網關［1］、基于ZigBee/Ethernet的網關［2-5］、基于ZigBee/GPRS的無線傳感器網關［6］以及基于ZigBee/WIFI的智能家居網關［7-8］。如上這些研究都是旨在解決采用了ZigBee通信技術的局域網與其他網絡互連的問題。雖然ZigBee技術也是一種低功耗的無線通信技術，并具有低成本、簡單易用、組網能力強等優點，但由于目前ZigBee通信技術在移動智能終端設備上并未獲得應用與發展，要對智能家居設備進行控制，就需要增加中間設備，如此非但不會利于使用而且更增加了設計成本［9］。此外，針對藍牙網關的研究，也已代表性地提出了基于藍牙技術的嵌入式家庭網關［10］、基于Linux系統的藍牙以太網網關［11］等技術。可這些針對藍牙網關的研究大多采用的都是傳統藍牙通信技術，卻沒有考慮到功耗在智能家居領域的地位重要性。而藍牙4.0技術通過將傳統藍牙技術、高速技術和低耗能技術3種規格集成為一體，使其與傳統藍牙技術相比最大的改進就是低功耗。而且，除了省電設計外，還進一步具有了低成本、3毫秒低延遲、100米以上超長有效連接距離、AES-128加密等特點。同時，目前大部分的移動智能終端上都已提供了有關藍牙4.0通信的技術支持，這即為其在智能家居領域的應用上提供了自然利好的優勢。

為此，針對家居藍牙網絡與Internet的可行性通信，以及完成對智能家居設備遠程控制的研究開發目的，本文設計并實現了基于藍牙4.0技術的藍牙以太網網關。硬件上采用基于ARM Cortex-A9核心處理器的Zynq-7000開發平臺，通過通用異步收發傳輸器（UART）與CSR1010藍牙模塊獲得了連接，再用雙絞線將開發平臺上的以太網網絡接口與路由器相連；軟件上采用在Linux操作系統上和藍牙模塊上進行編程的方式，從而綜合完整地實現了網關的以太網網絡接口和Internet網絡進行通信、藍牙模塊與家居設備的通信、網絡的協議轉換及對終端設備的管理等各項功能。

1　網關硬件設計

如圖1所示，藍牙-以太網網關主要由3部分組成：Zynq平臺上所集成的ARM Cortex-A9 MPCore核心處理器、以太網網絡接口模塊以及支持藍牙4.0通信技術的CSR1010藍牙模塊。硬件上，網關以ARM Cortex-A9 MPCore為核心處理器，該處理器通過UART串口連接藍牙模塊，而以太網網絡接口模塊在Zynq開發平臺上則是自帶性的，可直接通過雙絞線與路由器相連，從而由此接入Internet網絡中。

圖1　網關硬件結構及系統部署Fig.1 Gateway hardware structure and system deployment

1.1CSR1010藍牙模塊

在智能家居領域中，低功耗節能至關重要。為了滿足節能環保的要求，本文選用支持低功耗的藍牙4.0通信技術的CSR1010芯片作為網關的藍牙模塊。該芯片集成了2.4 GHz射頻收發器，具備包括PIO、UART、SPI、AIO、I2C等多種引出接口的硬件資源，可以充分滿足網關中對藍牙模塊通信的處理性能要求。

1.2以太網網絡接口模塊

考慮到開發的成本及效率，以太網網絡接口模塊采用Xilinx公司的Zynq-7000擴展式處理平臺上集成的PHY 88E1518芯片。該芯片是Marvell公司推出的能夠實現10/ 100/1000 Mbps的半/全雙工通信的節能以太網收發器，完全符合IEEE 802.3標準并且支持MII/RMII/SNI接口來連接不同類型的媒體訪問控制器（MAC），能夠完成雙絞線傳輸的RJ45網絡接口的適配，供電電源為典型3.3V，自動節電模式下功耗很低。

1.3核心控制模塊

該模塊是整個藍牙-以太網網關的核心部分。一方面要與CSR1010藍牙模塊進行通信，通過串口實現數據的接收與發送，并且對數據進行處理；另一方面，需要對以太網網絡接口模塊進行配置，從而實現網關與Internet網絡相通信的功能。智能家居網關的這些功能即使其對處理器的可靠性以及處理能力都提出了較高要求。本文采用基于Xilinx Zynq-7000擴展式處理平臺（EPP）作為主控制器，該平臺集成了雙ARM Cortex-A9 MPCore核心處理器，工作頻率為667MHz，具有32 KB的一級指令數據緩存，512 KB的二級緩存。同時，片內具有256KB的FIFO片內數據緩存，以及多個可擴展的外部存儲器端口，而且還內建有多個串行收發器并設計研發了低功耗的模式，為網關提供了理論優良的硬件性能。

2　網關軟件設計

藍牙以太網網關的軟件體系結構如圖2所示，根據硬件的設計方法，藍牙和以太網網關軟件部分同樣包含3部分：

1）使用CSR藍牙開發套件在運行藍牙4.0協議的CSR1010藍牙模塊上編程，實現網關與智能家居設備的通信；

2）利用Linux系統自帶的TCP/IP協議通過Socket編程實現網關與Internet網絡數據的交互；

3）通過在Zynq AP SoC上運行Linux操作系統，并通過編程配置實現網關核心控制模塊與藍牙模塊及以太網網絡接口模塊進行數據交互、向兩者發送控制信息、對數據進行收集與存儲、對協議進行轉換、對智能家居設備節點進行管理及對TCP多線程服務進行控制等功能。其中，最后一部分的設計是影響網關性能的重要核心因素。

圖2　網關軟件體系結構圖Fig.2 Gateway software architecture

2.1網關與智能家居設備間的通信設計

網關與智能家居設備間的通信采用藍牙4.0無線通信技術。該技術采用主從通信模式，網關作為主設備可以同時與多個智能家居設備相連接。為擴展網絡中智能家居設備節點的個數，當處于連接狀態的智能家居設備與網關之間在一定時間間隔之內沒有發生數據交互時，則立即斷開連接，這樣網關便可與其他家居設備相連，構成一個星型網絡拓撲結構的微微網。本文也正是采用了此網絡拓撲結構。

智能家居設備與網關的藍牙模塊的通信流程如圖3所示。首先，網關對藍牙模塊進行初始化配置，然后當網關中接到來自Internet的命令時，作為主設備的網關以廣播的形式主動掃描周邊設備，當對應的智能家居設備對主設備的發現請求進行應答后，網關可獲得從設備的地址，而后網關發出建立ACL連接請求，智能家居設備同意建立連接后，網關即根據連接句柄可與智能家居設備進行數據傳輸，也可對智能家居設備所支持的服務和相關特性集進行查詢。

圖3　與Internet通信的工作流程Fig.3 Work flow with Internet communication

2.2網關與Internet間的通信設計

網關與Internet的通信是基于Zynq AP SoC上運行的Linux操作系統內置的TCP/IP協議棧。通過Vivado工具對Zynq AP SoC進行配置，并采用C/S架構設計方式通過Socket編程實現網關與Internet網絡數據的交互。在通信的過程中，將網關作為服務器端，不斷監聽網絡連接請求和數據傳輸請求；移動智能終端設備作為客戶端，當希望進行智能家居的遠程控制時，主動向網關服務器端發起Socket連接請求。

2.3網關核心控制模塊的設計

網關核心控制模塊主要負責協調藍牙模塊與以太網網絡接口模塊間的工作，是整個網關的中樞環節。網關的主要工作為：

1）將從Internet上傳來的控制命令數據轉發給智能家居設備，實現對智能家居設備的遠程控制；

2）對智能家居設備的相關狀態信息進行收集存儲，以便當移動客戶端連接到網關服務器端時，實現智能家居設備的狀態與移動客戶端所顯示的狀態的同步。

1）網關通過運行藍牙4.0協議的藍牙模塊與智能家居設備進行通信，來實現對遠程控制命令信息的轉發及對智能家居設備的狀態信息進行收集的功能。因此，網關要實時與智能家居設備保持通信。為了對數據實施高效的處理，本文采用如圖4所示的多線程工作方式對來自遠程移動客戶端的控制命令數據進行轉發操作。其中，數據接收線程負責監聽及接收遠程移動客戶端發送來的命令數據包并將其插入到共享數據存儲區，該數據區以隊列形式存儲。數據處理線程負責從共享存儲數據區中取出數據并對數據進行處理，處理過程主要包括數據解析、格式轉換以及通過串口將數據傳輸給藍牙模塊等。在整個過程中，對共享數據存儲區中進行實時監控，只要其內部存有數據便通知數據處理線程對共享數據區中的數據進行處理，通知的方式采用消息傳遞的機制。然后利用藍牙模塊轉發給智能家居設備。而對智能家居設備的狀態信息進行收集的處理過程也采用類似的設計方式。

2）智能家居網關與Internet的通信是基于TCP/IP協議的，網關與遠程客戶端程序采用的是C/S架構設計方式。其中，網關作為Server端，客戶端作為Client端。在整個智能家居系統中，會有多個用戶擁有對智能家居設備控制的權限。為此，本文使用線程池的技術來完成對多用戶并發操作的響應。首先網關成功連接到Internet網絡后，開啟一個TCP服務器線程用來監聽是否有遠程移動客戶端發來的連接請求；發現有連接請求后，對獲取到的用戶信息進行檢驗以決定能否與之建立連接；若可以建立并已處于連接狀態，則對會話信息進行加載，否則將對會話信息進行重新配置，并從線程池中分配一個用來與遠程客戶端進行數據交互的會話線程。當線程接收到遠程的控制命令后，對命令進行解析，解析到正確的控制命令則執行，錯誤的控制命令將不進行處理。

圖4　遠程控制命令的多線程處理流程Fig.4 Multi thread processing flow of remote control commands

網關與Internet通信的工作流程如圖5所示。

圖5　網關與智能家居設備的通信流程Fig.5 The communication process between gateway and intelligent home equipment

3　數據傳輸格式設計

Internet網絡的數據傳輸速率要高于藍牙4.0網絡中的數據傳輸速率，并且兩者有著不同的數據處理能力，所以為了減少家居藍牙網絡中的數據通信量，使網關能夠高效地處理數據，在數據的傳輸過程中，現采用2種不同的數據包格式傳輸數據：

1）智能家居網關與Internet網絡之間的通信。當網關監聽到有遠程移動客戶端發送給智能家居設備的命令時，網關的會話線程即對命令進行解析，將數據轉化為藍牙網絡中的數據包的格式分發給家庭網絡中的家居設備。現在基于XML或JSON格式的數據是使用較多的數據交換方式。而目前無論是Android還是iOS系統，對XML和JSON都有著豐富的解析手段，但考慮到JSON是輕量級的，數據的體積較小，傳輸速率較快，并且在解析較少的數據時相比XML更具效率優勢。因此，本文采用JSON的數據格式在移動客戶端和網關間進行通信。如用戶控制設備標識為5的開關設備使其做“開”操作的JSON示例如下。其中，command代表控制命令；operation代表操作類型；device代表設備。

2）智能家居設備與網關藍牙模塊之間的通信。當移動客戶端有命令送達至網關時，網關將進行數據處理，并以數據包的格式發送到家居藍牙網絡中。數據包格式如圖6所示。

圖6　與智能家居設備之間通信的數據格式Fig.6 Data format for communication with smart home devices

其中，首部2個字節為標識段，包含一個字節的設備唯一標識，一個字節的數據包類型。標識段后是數據段，包含一個字節的數據類型字段、一個字節的數據長度字段和最大長度不超過10字節的可變長度的數據內容；此外，還有一個字節的安全性校驗符以及一字節的用于完整性校驗的結束符。

4　實驗統計與分析

本文設計定義的藍牙-以太網網關的實物圖如圖7所示。

其中，y（客戶的逾期情況）是二分類變量（yi=1表示第i個客戶逾期，yi=-1表示第i個客戶未逾期）；β為待估計參數。

圖7　網關硬件實物Fig.7 Gateway hardware

為了對網關的性能進行測試，對測試的實驗環境給出部署方式如圖8所示，將5個支持藍牙4.0技術的智能家居開關設備節點模塊設置在網關的藍牙模塊可達到的通信距離內，這一距離由藍牙射頻理論傳輸距離而最終確定。這樣5個開關設備節點與網關的藍牙4.0模塊就組建成一個以網關為中心節點的藍牙網絡。通過在智能開關設備的運行程序上進行設置，使得開關節點每隔10 s向網關發送一次數據，同時在遠程移動客戶端程序中進行設置，使得移動客戶端每隔15 s向網關發送一次數據，然后通過對數據進行統計分析，從而對網關接收數據丟包率、轉發數據丟包率、數據處理時延大小進行測試。另外，通過對比分析ZigBee模塊、WIFI模塊正常運行時所需功耗的大小來測量藍牙網關在功耗方面的性能。

4.1接收數據丟包率的實驗

網關所接收的數據包含以下2種：

1）網關核心控制模塊從串口接收的數據，具體就是開關設備節點發送給網關藍牙模塊的數據；

2）網關核心控制模塊從以太網網絡接口模塊接收的來自遠程移動客戶端的控制命令數據。這里，考慮到網關設計中是在Zynq平臺上發生的，而以太網網絡接口模塊是開發平臺上自帶的，這就使得其數據接收能力已經足夠強大，所以本文將不再對其進行測試，而主要則針對第1）種接收數據的丟包率進行測試。根據上述部署的實驗環境，分別在串口波特率為4 800 bit/s和9 600 bit/s時進行5次丟包統計實驗測試，一次實驗是指網關完成從串口讀取500個數據包。而后，將對5次實驗的統計結果求取平均值。最后的實驗統計結果如表1所示。

表1　網關接收數據丟包率Tab.1 Receive data packet loss rate of gateway

從實驗數據統計結果可以看出，在不同串口波特率的情況下，網關接收來自智能家居設備的數據丟包率都比較低，2個實驗丟包率的平均值僅為0.07%，充分說明了網關具備著較好的數據接收能力。

4.2轉發數據丟包率的實驗

網關對數據進行轉發包含2個過程：

1）將接收到的從智能家居設備節點獲得的設備狀態信息通過以太網網絡接口模塊轉發到Internet的過程；

2）將接收到的遠程移動客戶端發送來的遠程控制命令通過網關的藍牙模塊轉發到智能家居設備節點的過程。

根據研究部署的實驗環境，采用在網關中設置計數器的方式對網關所轉發的數據包的數量以及丟包量進行統計，連續統計12 h，針對2種過程的實驗統計結果如表2所示。

表2　網關轉發數據丟包率Tab.2 Gateway forwarding data packet loss rate

從實驗數據統計結果可以看出，網關對2種轉發過程的數據都有著較低的丟包率，這也說明了網關已表現出較好的數據轉發能力。

4.3處理數據時延的統計實驗

網關的數據處理時延是指網關核心控制模塊將一個完整的數據從串口或者Internet中讀出來到完成對該數據的處理的時間間隔。這一指標是衡量藍牙以太網網關對數據處理能力大小的重要依據。根據上述部署的實驗環境，分別在串口波特率為4 800 bit/s和9 600 bit/s時對網關處理數據時延大小進行測試。當網關完成從串口讀取1 000個數據包并處理完畢時對網關時延進行一次平均值的計算，計算結果則作為此測試結果，當進行了5次同樣的時延計算后，再對5次的結果求得平均值，實驗統計結果如表3所示。

表3　網關處理數據的時延大小Tab.3 Delay of gateway processing data

根據表3中實驗數據可知，網關處理數據的時延平均值為15.68 ms，與CCSA標準所規定的100 ms相比較而言要降低很多，有效地說明了網關對數據處理的及時性。

4.4網關的功耗性能測試

功耗對于智能家居系統至關重要。為分析藍牙以太網網關的功耗性能，本文通過對比分析的方法，在單獨為ZigBee模塊提供3 V、WIFI模塊提供5.5 V、藍牙4.0模塊3.3 V的供電電壓情況下，利用萬用表分別對網關在進行數據傳輸狀態下以及在休眠狀態下功耗的大小進行測量，得到結果如表4所示。

表4　功耗對比測試Tab.4 Power consumption comparison test

從實驗數據可以看出，無論在數據傳輸狀態還是在休眠狀態，與其他2個模塊相比，藍牙4.0模塊的功耗都是最低的，更加符合智能家居系統對低功耗節能的要求。

5　結束語

智能家居網關是智能家居系統的重要組成部分，發揮著連通智能家居藍牙網絡和Internet網絡的作用。本文通過對網關的軟硬件設計和數據傳輸格式等方面進行介紹，實現了基于低功耗藍牙4.0通信技術的以太網網關。該網關可以優效實現智能家居系統中家庭藍牙網絡與Internet網絡互連的功能。下一步可將本文設計的智能家居網關進一步擴展為支持藍牙mesh組網功能的藍牙以太網網關，并可與大數據、云計算等技術相結合應用于智慧家居、智慧城市等領域。

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Design and implementation of smart home system gateway

WANG Jiaxin
（College of software engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China）

Aiming at the problem that the communication protocol of Bluetooth Network is incompatible with the Internet network，a smart home gateway based on Bluetooth 4.1 technology and Ethernet technology is designed.Hardware design uses the integrated Cortex A9 ARM core of the Zynq 7000 platform as the main processor，using CSR1010 Bluetooth module connected on the platform communicated with the node of the intelligent home system.The Ethernet interface of the platform is connected with the router through the two feet line to carry out the remote communication.In terms of software design，the gateway based on the Linux operating system realizes the data communication between Bluetooth network and Internet network.Experimental test results show that the design of the gateway has a lower packet loss rate，delay of data processing and power consumption，and it can ensure that in the smart home system，the communication between Bluetooth home network and Internet network has good accuracy and real-timing.

smart home system；bluetooth 4.0 communication technology；low power bluetooth gateway；Linux system

TP391

A

2095-2163（2016）03-0041-05

2016-03-30

王佳欣（1989-），女，碩士研究生、主要研究方向：嵌入式軟件設計。