王昌志，史志才，吴 飞，戴 建，任师涛

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)



基于物联网的智能家居网关系统设计与实现

王昌志，史志才，吴 飞，戴 建，任师涛

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

针对目前智能家居(Smart Home)网关在实用性、可靠性、简便性和成本等方面存在的缺陷，提出了一种基于物联网的嵌入式智能家居网关系统设计方案。以嵌入式ARM处理器为核心，采用低功耗、低成本的ZigBee作为主要通信节点，结合其他网络信息技术，对智能家居网关系统进行了软、硬件设计。经实际测试，手机客户端可以通过该智能家居网关系统对家居内的电器设备进行远、近程控制。测试结果表明,该方案设计有效提高了智能家居网关的实用性、可靠性及家居设备的可扩展性，可推广使用。

智能家居；网关；ZigBee；物联网；嵌入式

随着信息网络技术的快速发展及国家对物联网的大力支持，Smart Home正在逐渐走入人们的生活[1-2]。Smart Home是以住宅为平台，以提升家居环境的舒适性、安全性、艺术性、便利性和环保节能性为目的[3-4]，集成网络通信技术、自动控制技术、综合布线技术、音视频技术和安全防范技术的一个家居管理系统。智能家居网关是家居智能化的心脏，其主要任务是完成家居内部网络环境的组建，及同外部网络间的信息交流和协议转换，以便集中实现对家居设备的网络化、智能化管理控制[5-6]。本文针对目前智能家居网关系统在实用性、可靠性、简便性和成本等方面存在的问题缺陷，结合ZigBee、WiFi、互联网、嵌入式等信息传感技术，设计了一种基于物联网的嵌入式智能家居网关系统，以进一步满足智能家居网关系统在家居生活的实际需求。

1 系统结构

1.1 系统的总体结构设计

典型的智能家居系统架构设计可划分为感知控制层、网络通信层和应用服务层[7]。根据该结构划分方案，系统总体结构如图1所示，包括多个终端节点、智能家居网关、服务器和客户端。

终端节点主要采用ZigBee网络通信方式，可实现对家居环境信息的采集传输和家电设备的调节控制，它位于整个系统的最低层，属于智能家居系统的感知控制层部分；智能家居网关既是手机客户端和终端节点连接的枢纽，也是家庭内网组建和控制管理的核心，它位于整个系统的中间层，属于智能家居系统的网络通信层部分；服务器作为远程数据传输时，客户端和智能家居网关数据交互的媒介，它也位于整个系统的中间层，属于智能家居系统的网络通信层部分；客户端是信息数据接收和控制命令发出的设备，它在整个系统中位于最顶层，属于智能家居系统的应用服务层部分[8]。

图1 智能家居系统总体结构图

1.2 智能家居网关设计

该智能家居网关系统采用32位的嵌入式ARM处理器(Cortex-M3)[9]作为系统的主控制器芯片，其他部分主要由ZigBee协调器模块、WiFi通信模块、网络接口模块和按键、存储器模块等组成[10-11]，如图2所示。嵌入式处理器模块位于整个硬件设计的中心位置，是智能家居网关数据计算、分析和处理的核心[12]。

图2 智能家居网关硬件设计结构图

2 智能家居系统硬件设计

从图2可知，整个系统采用了模块化设计思路，由于ZigBee是整个家居节点网络的核心部分，所以重点对ZigBee协调器进行设计分析。

在一个ZigBee网络中，ZigBee协调器主要负责网络的组建、管理及网络的相关配置，它主要集成在智能家居网关的内部。由于ZigBee具有成本低、功耗低、网络容量大、通信稳定性好及可靠性性高等诸多优点，非常适合智能家居内网的组建[13-14]。图3为ZigBee协调器的模块原理图。

图3 ZigBee协调器原理图

在图3中，LED灯可以指示ZigBee网络的状态。系统初始上电后，ZigBee协调器开始自动组建ZigBee家居网络，在此过程中，LED指示灯将处于不断闪烁状态，完成网络组建后，LED指示灯将处于常亮状态。

3 智能家居系统软件结构设计

本智能家居网关软件采用Open Wrt[15-16]操作系统进行用户应用程序设计，图4展示了智能家居网关软件设计的总体流程。在图4中，近程控制任务通过创建一个本地服务器，来实现客户端和网关间的近程数据交换，并及时处理本地的通信事件；远程控制任务通过Internet来连接外部服务器，实现同外部服务器的信息交互，并且完成远程通信数据的接收和处理等任务；家居内网监测任务是通过对智能家居网关的ZigBee网络设计，在进行近程及远程数据交互的同时实现的，它能实时监测家居内网的变化并进行相应的事件处理。

图4 智能家居网关软件设计总体流程图

3.1 本地服务器的创建

步骤1 创建TCP协议套接口并且服务器地址结构清零；

步骤2 设定本地服务器地址；

步骤3 创建套接字并且设置监听指示端口号；

步骤4 设置本地监听长度；

步骤5 监听本地信息。

为快速创建本地服务器，本地服务器所监测的IP地址为本地IP地址即“192.168.255.24”，设置的监测端口号为19770，服务器监测的本地队列长度为10。

3.2 智能家居网关远程通信设计

智能家居网关与外部服务器的双向数据传输是通过智能家居网关的远程通信功能实现的。智能家居网关通过订阅消息接收外部服务器的数据，通过发布消息向外部服务器上传数据。例如，当服务器的地址/域名为192.168.0.66，端口号为8000，用户名和密码为Users，主题为terminal时，智能家居网关向服务器订阅消息格式为mosquitto_sub -h 192.168.0.66 -p 8000 -u Users -P Users -t terminal，智能家居网关向服务器发布消息格式则为mosquitto_pub -h 192.168.0.66 -p 8000 -t terminal -m。

3.3 家居网关的ZigBee网络设计

ZigBee网络设计是智能家居网络管理和网络信息获取的一个重要组成部分。一方面，智能家居网关通过网络管理能够实时获取或感知ZigBee终端传感设备的状态信息，并对其状态做出判断；另一方面，智能家居网关通过网络信息的获取来最终获得终端设备的特征信息，从而实现系统控制的准确性和系统运行的可靠性。

4 系统调试与实现

利用智能家居演示平台系统对智能家居网关在组建家居网络过程中的性能及实用价值进行测试。该智能家居演示平台系统以智能家居网关为中心，对家居的常用环境进行了模拟，如图5所示，平台内各个设备的功能如表1所示。

表1 智能家居演示平台系统设备功能表

该演示平台系统在不连接外网的情况下，可利用客户端对电灯、插座和空调等电器设备进行近程控制；在连接外网时，该平台系统可以通过连接外部服务器对电器设备进行远程控制。

4.1 近程控制测试

这里以演示平台上的两个电灯测试为例。首先，打开智能家居客户端“Smart Home”APP应用软件，验证登录后进入“房间列表”界面。其次，点击“客厅”按键，进入灯光控制界面。最后，分别点击“调光灯”和“卧室灯”的“开”按键，测试效果如图6和图7所示。

图6 调光灯测试效果图

如图6和图7所示，客户端通过演示平台系统内的智能家居网关，能有效地对家居电器设备进行近程控制，同时说明了智能家居网关本地服务器功能正常。

4.2 远程控制测试

以WiFi型插座测试为例。首先，在远程控制输入框内输入开启智能插座命令“SERVER-TALK:WIFI@MAC:02:0a:f7:00:00:01 @SWITCH:1@#”，点击远程控制界面上的“Send”按钮，开启命令将被发送，智能家居系统测试平台接收将根据接收到的控制命令显示相应的效果，插座测试结果如图8所示。

图8 远程控制WiFi插座测试效果图

如图8所示，智能插座在接收到远程控制命令后，指示灯亮起，实现“开启”命令操作，说明智能家居网关系统能够对WiFi型终端电器设备进行远程控制。

5 结束语

针对目前智能家居系统成本高、实用性和扩展性差等应用问题，本文设计了一种基于物联网的嵌入式智能家居网关系统。该系统从智能家居结构出发，对家居网关系统的软、硬件进行了分析设计，并利用智能家居演示平台系统对智能家居网关的性能和实用价值进行了综合测评。系统测试结果表明，通过该智能家居网关系统可以对家居内的电器设备进行有效、可靠的远、近程控制，且该智能家居网关系统具有成本低、可靠性高、实用性强和操作简便等诸多优点，能够应用于大多数家居生活环境。下一步将对智能家居设计中采用的ZigBee和WiFi两种传输方式进行通信融合，以减少传输信道冲突的可能性和系统运行的功耗。

[1] Wilson C,Hargreaves T,Hauxwell-Baldwin R.Smart homes and their users: a systematic analysisand key challenges[J].Personal and Ubiquitous Computing,2015,19(2): 463-476.

[2] Atzori L,Iera A,Morabito G.The internet of things: a survey[J].Computer Networks,2010,5(10): 2787-2805.

[3] 俞文俊,凌志浩.一种物联网智能家居系统的研究[J].自动化仪表,2011,32(8):56-59.

[4] 任秀丽,于海斌.ZigBee技术的无线传感器网络的安全性研究[J].仪器仪表学报,2007,28(12):2132-2137.

[5] 庞泳,李光明.基于ZigBee的智能家居系统改进研究[J].计算机工程与设计,2014,35(5):1547-1550,1582.

[6] Perumal T,Ramli A R.Middleware for heterogeneous subsystems interoperability in intelligent buildings[J]. Automation in Construction,2010,19(2):160-168.

[7] 王博.基于ZigBee技术的智能家居系统内部组网[J]. 电子科技,2012,25(8):114-117.

[8] 彭洪明.智能家居的体系结构及关键技术研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[9] 满莎,杨恢先,彭友,等.基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计[J].计算机应用,2010,30(9):2541-2544.

[10] 戴建,史志才,吴飞,等.基于三层架构的智能家居系统研究与实现[J].电子测量技术,2016,39(1):114-118.

[11] 王雪芳,何峰,郭文爽,等.基于ZigBee技术的智能家居系统[J].电子科技,2014,27(10):14-17.

[12] 李玲玲.基于嵌入式技术的智能家居远程控制网关研究与设计[D].成都:西华大学,2014.

[13] Peng Changhai,Qian Kun,Wang Chenyang.Design and application of a VOC-monitoring system based on a ZigBee wireless sensor network[J].Sensors Journal IEEE, 2015,15(4):2255-2268.

[14] 章伟聪,俞新武,李忠成.基于CC2530 及ZigBee 协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用,2011,20(7):184-187.

[15] 王福胤.基于OpenWrt平台的路由器的CWMP客户端的设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[16] 刘俊.基于OpenWrt的网关型网络测试探针的设计研究[D].长沙:湖南大学,2015.

Design and Implementation of an Intelligent Home Gateway System Based on Internet of Things

WANG Changzhi，SHI Zhicai，WU Fei，DAI Jian，REN Shitao

(School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

In view of the shortcomings of the current smart home gateway, such as poor practicability, low reliability and high cost, a design scheme of embedded intelligent home gateway system based on Internet of things is proposed. The system takes the embedded ARM processor as the core, uses the low power consumption and low cost ZigBee as the main communication node, combined with other network information technology to design the software and hardware of the smart home gateway system. In the actual test, the mobile client can control the electro-domestic appliances in short range or remote range through the intelligent home gateway system. The test results show that the proposed scheme effectively improves the practicability, reliability and scalability of the smart home gateway.

smart home; gateway; ZigBee; internet of things; embedded

2016- 08- 17

国家自然科学基金(61272097)；上海市科学技术委员会资助项目(13510501400)

王昌志(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：嵌入式与物联网应用。史志才(1964-)，男，博士，教授。研究方向：网络与信息安全等。吴飞(1968-)，男，博士，教授。研究方向：计算机并行处理和绿色计算。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.022

TN926+.23;TP311.1

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1007-7820(2017)07-079-04