II
‘,________,
ZigBee 模块 |
主控模块H 红外模块1
―
844丨2
e 牙模块I h |
W IFI  模块 |
替慧家庭网关
It
解析/转換层
应用层
I 用户管理I  I
设备节点管理
门锁灯
空调插库
音响窗帘
智能家居设备
手机
移动控制终端C ^)
引言：
近年来，在物联网技术的推动下，人类的生活方式朝着 智能化、信息化、网络化发展，越来越多功能各
异的智能家 居设备出现在家庭环境中。在智慧家庭系统中，家庭网关作 为系统的主要枢纽，无线通信协议的增多，导致智能家居设 备通信接口没有统一标准，不同的设备根据自身的厂商设计 方式采用不同的通信协议。对用户而言，如果选择某一品牌 网关，则只能选择支持该品牌网关通信协议的部分智能家居 设备，给用户带来很大的局限性。现有的智慧家庭网关在用 户管理方面也不够重视，所有使用者具有统一的权限。随着 智能家居设备的智能化，很多家居设备的数据信息也具有隐 私性和安全性的需求，本文设计一种多协议家庭网关通信方 式，可构建异构通信网络，实现多协议智能家居设备的控制， 并实现用户权限的分级和数据信息的保护。
―、智能家庭网关总体设计
为了实现对WIFI 、蓝牙、ZigBee 和红外四种不同通讯 协议的智能家居设备进行控制，并且能够兼容移动终端的IP 网络控制，在通信层设计一种数据单元格式，将四种协议的 智能家居设备节点通信和移动控制终端通信统一到同一种数 据单元格式进行处理。为了提高智慧家庭网关数据的隐私性 和安全性，网关系统软件设计一种用户信息存储格式，对每 组用户的使用权限进行区分。智慧家庭网关系统总体设计如 图1所示。家庭网关与智能家居设备之间的通信接口包含四
种协议的接口收发模块，用于接收传感器采集的数据或向智 能设备发送控制指令。家庭网关与移动控制终端之间的通信 方式为I P 网络模块，支持TCP /I P 协议，用户向家庭网关发 送控制智能家居设备的数据指令、接收家庭网关返回的智能 家居设备状态信息。
图1
二、智能家庭网关详细设计
2.1家庭网关的硬件设计
根据硬件选型扩展性好、功耗低、成本低、性能高和通 用性的原则，开发板模块核心芯片是基于CorteX -A 9内核的
Exyn 〇S 4412四核处理器，实现对协议转换和数据处理，它
当发现一处光中断后，利用SD H 环网或者利用第18波段构 建的监控环网来控制光矩阵，完成自愈星型网络切换。
三、结束语
随着全省高速公路视频监控点的逐步加密和监控数据对 公众发布，其对带宽资源和视频高清的要求也越来越高。本
方案充分利用现有SD H 骨干网资源，采用波分复用技术构 建的视频监控专网的方法，兼容I P 和HD -SD I 视频传输。
具有成本低，带宽大，信号分类传输，系统安全可靠的特点 [4~5]。信号分类传输（SD H 与视频通道分别在不同的波段中）， 系统安全可靠；并且复用器/解复用器波器基本无需要额外 电源供电，SD H 通道均采用无源设备，进一步提高了系统 的稳定性。自愈星型网络技术的提出，保证了系统的可靠性， 同时不会影响传输能力。为全省视频图像的上传和分享提供 一个低成本、高效率的解决方案。
参考文献
[1] 范一斌.面向城市公共安全的高清图像监控系统设计及关键技术研究[D ].上海交通大学,2014.[2] 李新鹏.基于达芬奇平台的无线智能多路视频监控系统的实现[D ].电子科技大学，2016.[3] 王广友.基于IP 的视频监控系统及应用[D ].南京邮电大学，2012.[4] 贺立充.中国移动智慧校园光网建设方案设计及工程实践[D ].南京邮电大学，2018.[5]
郭政莼.江苏电力通信光传输网需求预测与组网方式研究[D ].东南大学，2019.
胡晓光（1975-)，男，汉，黑龙江佳木斯，本科，中级，高速公路信息化。
互联网+技术
.nternet Technology
多协议智能家庭网关系统的设计与实现
□柯德营焦少波高飞郑州信大先进技术研究院
【摘要】家庭网关作为智慧家庭系统的核心，实现家庭异构网络与互联网之间的数据交换。为实现移动控制终端可远程监控多种协 议下智能家居设备的功能，本文设计一种新的多协议智能家庭网关通信方式，构建异构通信网络，具有良好的实用性。【关键词】多协议家庭网关协议转换物联网
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互联网+技术nternet Technology
搭载有最小系统的电源电路。为实现网关支持多协议，无线通信模块包括ZigBee模块、蓝牙模块、W IFI模块和红外模块，无线通信模块实现与智能家居设备之间数据收发工作。ZigBee模块选用CC2530芯片，集成了 2.4G H z的射频收发器和增强型标准的8051MCU，性价比高、通用性强。蓝牙模块选用集成CC2640芯片的模块，模块支持多从一主的连接方式，符合异构网络的组网需求。红外模块选择红外线遥控编码芯片UPD6121G，是目前最广泛的一种通信和遥控手段，装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点。
微服务网关设计2.2家庭网关的软件设计
2.2.1数据传输协议设计
本文提出一种自定义的通信格式，将四种智能家居设备通信协议和TCP/I P协议统一到同一种数据单元格式中进行处理，为上层应用提供统一标准的通信控制接口，隐藏具体家居设备通信协议的细节和移动终端通信协议细节。
统一的数据单元格式定义方式如表1所示。采用8个字节表示源地址，1个字节代表源协议类型。源地址代表发送方地址。对四种智能家居设备协议分析可知，ZigBee网络有 16位短地址和64位扩展地址，MAC地址为64位，该地址进行唯一标识。低功耗蓝牙网络采用48位设备地址。红外通信编码采用N E C协议，采用16位地址码。W IFI网络采用48位MAC地址。IP地址占32位，通常用“点分十进制”表示。考虑到实际应用与可扩展性，将支持这些协议的通信地址统一起来，以8字节长度作为实际设备源地址分区长度。目标 地址也用8个字节表示，1个字节代表目标协议类型。命令类型占1个字节，指发送方对接收方发出的命令类型，分为请求消息和响应消息。作为请求消息时，该命令类型包含对智能家居设备的所有控制类型，作为响应消息时，该命令代表智能家居设备响应后的状态。数据长度采用1个字节表示，代表数据内容的长度。将数据内容放在数据格式的最后边。作为请求命令类型时，数据内容包含控制状态信息，作为响应命令类型时，数据内容包含终端传感器采集的数据信息。
表1统一的数据单元格式
含义占用字节个数
源地址8
源协议类型1
目标地址8
目标协议类型1
命令类型1
数据长度1
数据内容N
移动控制终端与智慧家庭网关之间传递的数据单元信息包含请求消息和响应消息，请求消息指移动控制终端向智能家居设备发送的控制指令，响应消息指智能家居设备向移动控制终端返回的智能家居设备状态信息。为确保移动控制终端发送的请求消息能够控制不同类型、不同编号的智能家居设备，本文设计一种请求/响应消息数据格式，使发送方和接收方按照这种格式进行封包和解包，实现不同协议不同类型设备的控制效果。
移动终端向网关发送请求消息，请求消息包含用户属性信息和指令内容，网关端接收到消息后先判断用户属性信息是否合法，然后再执行相关指令内容。请求消息数据格式内容如表2所示。消息序列号占1个字节，用来记录该消息的序号。用户I P地址及用户名为用户的属性信息，分别占4 个字节和10个字节，网关根据用户名判断该用户是否登录和用户权限。设备类型、设备编号定位到智能家居中指定的设备，分别占1个字节。数据内容代表需要设置的状态值，数据长度为数据内容长度。
表2请求消息数据格式
含义占用字节个数
消息序列号1
用户IP地址4
用户名10
设备类型1
设备编号1
请求方法1
数据长度1
数据内容N
网关根据请求方法，将请求指令转发给指定的智能家居设备，设备执行完指令后返回执行结果，网关将执行结果组建成响应消息发送给移动终端。响应消息数据格式如表3所7K〇
响应消息中的消息序列号、设备类型。设备编号和请求方法与请求消息内的一致，响应码占1个字节，对应请求指令的执行结果，数据长度为数据内容长度，根据请求方法的不同，返回的数据内容也不同。
表3响应消息数据格式
含义占用字节个数
消息序列号1
设备类型1
设备编号1
请求方法1
响应码1
数据长度1
数据内容N
2.2.2数据信息存储设计
用户信息最重要的就是用户名和用户登录密码，系统需要根据用户名及密码赋予对应的权限，为了方便存储，本软件将用户信息存储格式定义如表4所示。将用户名和用户密码都定义为10个字节。此外，用户信息还涉及到对智能家居设备的控制权限，为了便于管理，将用户分为三组，用1个字节进行表示。分组一代表系统管理员，拥有最高权限，可以査看和控制任意智能家居设备，还拥有管理其他用户的权限；分组二代表高级用户，拥有部分家居设备管理权限，无用户管理权限，系统管理员可设置一些隐私家居设备，使 其不受高级用户控制；分组三代表普通用户，只拥有部分家居设备状态査看权限，该分组一般针对儿童使用，防止儿童对智能家居设备误操作。最后定义的17个字节用于存放设备编号列表，代表该用户可以管理的家居设备。系统管理员的设备编号列表存放所有的设备编号，系统管理员可删除或添加高级用户和普通用户设备编号列表中的设备编号，使高级用户只能管控其设备编号列表中的智能家居设备，使普通
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用户只能査看其设备编号列表中的智能家居设备。
表4用户信息存储格式
含义占用字节个数
用户名10
用户密码10用户分组1设备编号列表
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为了应用层方便管理智能家居设备，提高系统运行效率，
本软件制定智能家居设备信息如表5所示。在智慧家庭系统 中存在多种智能家居设备，具有同一种属性的物联设备归为 一类，采用1个字节代表设备类型。采用1个字节存储设备 编号，智慧家庭系统中每新增一个设备，系统自动为该设备 添加一个设备编号。采用1个字节对通信协议进行区分，本 网关支持四
种智能家居设备的通信协议，预留的其他数值可 以用于以后的系统扩展。为了进行协议转换，需要存储设备 地址，根据前面所述，设备地址占8个字节。设备状态包含 状态信息和采集信息，此处采用21个字节考虑到以后较为 复杂的智能家居设备的扩展，设备状态需要根据智能家居设 备的状态变化和采集信息的变化进行定期更新。
表5
智能家居设备信息存储格式含义占用字节个数
设备类型1
设备编号1设备地址8协议类型1设备状态
21
2.3多协议智能家庭网关通信流程
通过对不同通信协议、不同设备以及不同用户数据格式 的制定，简化了移动控制终端、智能家庭网关和智能家居设 备三者之间数据交互的流程，降低了智能网关端程序幵发的 难度，加快了智能网关应用层数据处理及算法运算的效率， 设计统一的数据格式，将四种协议的智能家居设备节点与智 能网关的通
信和移动控制终端与智能网关的通信统一到一 起，进行处理，提高了网关的兼容性和通用性，解决了不同 节点之间通信难的问题。简化的移动控制终端、智能家庭网 关和智能家居设备三者之间数据交互流程，具体流程细节如 下所示。
1) 移动控制终端与智能家庭网关建立握手连接，并进 行登录；
2)
智能家庭网关接收到用户信息，比对表4用户信息 存储格式的数据库，进行认证。如果认证通过后，网关标记 该用户为登录状态，并向移动控制终端返回该用户控制权限
内的设备编号列表；
3) 移动控制终端显示设备编号列表，用户选择设备査
看设备状态，移动端将请求信息封装成表2格式发送给智能
家庭网关；
4)
智能家庭网关接受到请求消息后解包，先判断消息
序列号是否按序增加，如果消息序列号重复则丢弃该指令， 再继续判断用户名是否为在线用户。如果判断通过，根据 设备类型和设备编号信息比对表5设备信息存储格式的数据 库，获取需要控制设备的设备地址和协议类型，并将该信息 与数据内容组建成如表1统一数据格式，提交给应用层；
5)
应用层接收到信息后，采用统一的算法，将表1数
据格式中的内容作为输入参数，调用支持目标协议类型的通 信接口，将命令类型和数据内容组合成该目标协议支持的数 据格式，发送给智能家居设备；
6)
智能家居设备接收到控制指令，将该设备当前状态
信息以它支持的协议数据格式返回给智能家庭网关；
7) 智能家庭网关通信接口接收设备的当前状态信息， 将该信息组建成如表1统一数据格式，提交给应用层；
8)
应用层接收到信息后，将表1数据格式中的内容作
为输入参数，应用层判断目标地址为移动控制终端，则将数 据内容封装成表3格式发送给移动控制终端；
9)
移动控制终端接收到表3格式数据，解包后获取所
需智能家居设备的状态信息。
由此可见，整个通信流程隐藏了智能家居设备的协议类 型，使用户可以自由控制多种智能家居设备，并且统一数据 格式的设计，使网关应用层采用统一的算法执行移动控制终 端和智能家居设备传递过来的数据，提高了网关处理数据的 效率。
三、结束语
本文提出一种新型网关设计方案，硬件采用一款扩展性 好、功耗低、成本低的A RM 芯片，外接多种通
信模块，使 得该网关支持WIFI 、ZigBee 、蓝牙和红外四种协议。软件采 用分层设计的思想，对于每层实现的功能进行了明确的划分， 方便以后其他通信协议的扩展。统一数据格式的定义提高了 智能家庭网关应用层的执行效率，并使得本网关支持四种异 构节点进行双向透明传输，在通信协议中设计了身份认证、 丢失重传等字段，进一步保证了数据传输的安全性和正确性。
智能家庭网关与移动控制终端请求/响应数据格式的提出， 隐藏具体设备通讯控制协议的细节，使用户无需关心家居设
备使用的协议，减少了移动终端程序设计的开发难度，降低
系统的复杂度。用户管理和设备节点管理的设计，增加用户 管理权限，提高了智慧家庭网关数据的隐私性和安全性。
参考文献
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柯德营（ 1989-)，男，汉，河南驻马店，郑州信大先进技术研究院，工程师，网络通信与信息安全;
焦少波（ 1986-)，男，汉，河南安阳，郑州信大先进技术研究院，工程师，网络通信与信息安全； 高飞（1973-)，男，汉，河南新乡，郑州信大先进技术研究院，高级工程师，网络通信与信息安全;

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