多协议智能家庭网关系统的设计与实现

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2024年4月24日发(作者：)

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互联网

Technology

+技术

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

引言：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

近年来，在物联网技术的推动下，人类的生活方式朝着

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

智能化、信息化、网络化发展，越来越多功能各异的智能家

方式为

IP

网络模块，支持

TCP

/

IP

协议，用户向家庭网关发

居设备出现在家庭环境中。在智慧家庭系统中，家庭网关作

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

为系统的主要枢纽，无线通信协议的增多，导致智能家居设

家居设备状态信息。

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

应用层

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

I

用户管理

I

I

设备节点管理

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

It

门锁

解析/转換层

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

灯

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

II

‘,________,

ZigBee

模块 |

空调

式，可构建异构通信网络，实现多协议智能家居设备的控制，

手机

插库

并实现用户权限的分级和数据信息的保护。

C

主控模块红外模块1

^)

H

音响

―844丨2

e

牙模块

I

―、智能家庭网关总体设计

窗帘

为了实现对

WIFI

、蓝牙、

ZigBee

和红外四种不同通讯

h

|

WIFI

模块 |

移动控制终端替慧家庭网关智能家居设备

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

图1

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

二、智能家庭网关详细设计

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

2.1家庭网关的硬件设计

和安全性，网关系统软件设计一种用户信息存储格式，对每

根据硬件选型扩展性好、功耗低、成本低、性能高和通

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

用性的原则，开发板模块核心芯片是基于

CorteX

-

A

9内核的

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

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

SDH

环网或者利用第18波段构

具有成本低，带宽大，信号分类传输，系统安全可靠的特点

建的监控环网来控制光矩阵，完成自愈星型网络切换。

[4~5]。信号分类传输（

SDH

与视频通道分别在不同的波段中），

三、结束语

系统安全可靠；并且复用器/解复用器波器基本无需要额外

随着全省高速公路视频监控点的逐步加密和监控数据对

电源供电，

SDH

通道均采用无源设备，进一步提高了系统

公众发布，其对带宽资源和视频高清的要求也越来越高。本

的稳定性。自愈星型网络技术的提出，保证了系统的可靠性，

方案充分利用现有

SDH

骨干网资源，采用波分复用技术构

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

建的视频监控专网的方法，兼容

IP

和

HD

-

SDI

视频传输。

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。

52

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、

WIFI

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。

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

IP

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

消息序列号

用户

IP

地址

用户名

设备类型

设备编号

请求方法

数据长度

数据内容

占用字节个数

1

4

10

1

1

1

1

互联网+技术

ZigBee

模块选用

CC

2530芯片，集成了 2.4

GHz

的射频收发器

和增强型标准的8051

MCU

,性价比高、通用性强。蓝牙模

块选用集成

CC

2640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

UPD

6121

G

,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。

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

/

IP

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

NEC

协议，采用16位地址码。

WIFI

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

含义

源地址

源协议类型

目标地址

目标协议类型

命令类型

数据长度

数据内容

统一的数据单元格式

占用字节个数

8

1

8

1

1

1

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

7

K

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

含义

消息序列号

设备类型

设备编号

请求方法

响应码

数据长度

数据内容

2.2.2

数据信息存储设计

响应消息数据格式

占用字节个数

1

1

1

1

1

1

N

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

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

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nternet Technology

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

用户名

用户密码

用户分组

设备编号列表

占用字节个数

10

10

1

17

内的设备编号列表；

3)

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

ARM

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。

移动控制终端与智能家庭网关建立握手连接，并进

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

智能家庭网关接收到用户信息，比对表4用户信息

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。

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

互联网+技术

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

设备类型

设备编号

设备地址

协议类型

设备状态

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)

行登录；

2)

占用字节个数

1

1

8

1

21

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

参考文献

[1] 宋小东，申高展.基于ZigBee物联网技术的智能家居系统设计与实现[J].清远职业

技术学院学报.2019(01):55-59.

[2] 刘远聪.基于物联网智能家居网关系统的设计与研究[J].移动通信.2016(22):71-74.

[3] 晏然.基于物联网的智能家居网关设计[J].科学技术创新.2019(13):73-75.

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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本文标签： 设备网关家庭数据用户