摘  要： 為簡化傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的復雜結構，并增強其擴展性和易用性，提出了一種智能設備即插即用的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入智能插座，降低家庭網(wǎng)關與智能設備的依賴性，制定一種自定義即插即用協(xié)議，在設備注冊階段將設備的動作和狀態(tài)提交給網(wǎng)關，并設計與該協(xié)議相適應的家庭網(wǎng)關。測試結果表明，該系統(tǒng)允許在不改動家庭網(wǎng)關的情況下連接不同類型的智能設備，雖然增加設備連接數(shù)會增加網(wǎng)關的內存消耗，但不影響網(wǎng)關的響應速度和數(shù)據(jù)包的丟失率，驗證了該方法的有效性和可行性。

　　關鍵詞： 即插即用；自定義協(xié)議；家庭網(wǎng)絡；智能插座；智能家居

0 引言

　　目前市場上智能家居系統(tǒng)的智能設備通過有線或無線與家庭網(wǎng)關直接相連，智能設備與系統(tǒng)的耦合性高，且未實現(xiàn)智能設備的即插即用，擴展性和易用性差[1]。

　　現(xiàn)有即插即用協(xié)議有通用即插即用（Universal Plug and Play，UPnP）和Jini（Java Intelligent Network Infrastructure），UPnP技術是基于TCP/IP協(xié)議之上，用于PC等復雜設備的對等互聯(lián)；Jini技術是基于Java平臺的一種動態(tài)分布技術。以上技術在智能家居系統(tǒng)中都有一定的應用，但都是針對資源豐富且有網(wǎng)絡連接能力的設備[2-3]。家庭內智能設備（如傳感設備）數(shù)量眾多，而其存儲資源、計算能力有限，無網(wǎng)絡互聯(lián)能力，因此現(xiàn)有即插即用技術不完全適用于智能家居系統(tǒng)中。

　　針對即插即用技術在物聯(lián)網(wǎng)領域的應用，方遠[4]提出一種物聯(lián)網(wǎng)即加即用設計框架，但沒有給出實現(xiàn)方法。為此本文面向智能家居系統(tǒng)，設計一種基于智能插座的家庭網(wǎng)絡拓撲結構，并自定義一種簡單的即插即用協(xié)議，使一些簡單設備也能實現(xiàn)即插即用。

1 家庭網(wǎng)絡拓撲結構設計

　　在智能家居系統(tǒng)中，一般可將智能設備分為復雜設備和簡單設備兩種，復雜設備具有網(wǎng)絡連接能力且功能復雜，簡單設備一般不具有網(wǎng)絡連接能力，且在智能家居系統(tǒng)中占多數(shù)。采用ZigBee網(wǎng)絡連接家庭設備，節(jié)點成本高且存在供電問題，因此本文引入一種帶數(shù)據(jù)交互和網(wǎng)絡通信功能的智能插座[5]，為簡單設備供電的同時還解決了簡單設備的網(wǎng)絡連接問題，其所構成的智能家居網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

　　采用該智能家居網(wǎng)絡拓撲結構有如下優(yōu)勢：（1）引入智能插座，降低家庭網(wǎng)關與智能設備之間的依賴性，減少家庭網(wǎng)關和系統(tǒng)結構的復雜度；（2）智能插座可以隨意地增加或撤除，具有良好的擴展性；（3）智能插座屏蔽了簡單設備特定的接口類型和底層通信協(xié)議，智能設備對家庭網(wǎng)關而言保持了一致性，是家庭網(wǎng)關設計的基礎。

2 協(xié)議規(guī)范設計

　　2.1 協(xié)議設計

　　要實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)中智能設備的即插即用，智能設備與家庭網(wǎng)關之間的交互需要符合一定協(xié)議，本文將該協(xié)議稱為HPnP（Home network Plug and Play）。

　　在家庭網(wǎng)關和智能插座進行交互時，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內可能同時存在兩個或多個交互數(shù)據(jù)包，即所謂的粘包。為區(qū)分多個數(shù)據(jù)包，解決粘包問題，HPnP協(xié)議數(shù)據(jù)包采用包頭+包體的格式。其包頭的具體結構如表1所示。

　　不同的命令代碼對Value和Length字段值的意義會不一樣，表2是各種命令的結構。

　　其中，Length域為0時，說明該數(shù)據(jù)包沒有包體，大于0則為該數(shù)據(jù)包的包體長度。HPnP協(xié)議的包體主要包括設備描述符、圖標描述符、動作指令和狀態(tài)報告等，詳見下節(jié)。

　　家庭網(wǎng)關與智能插座及設備之間的交互需滿足一定的應答要求，主要包括設備的注冊和設備正常工作時與家庭網(wǎng)關之間的交互。其中，智能設備還會以狀態(tài)報告形式定時發(fā)送心跳包，判斷家庭網(wǎng)關與智能設備的連接狀況，具體如圖2所示。

　　2.2 設備描述規(guī)范

　　智能設備在智能家居系統(tǒng)中主要是實現(xiàn)具體功能，例如用學習型紅外遙控設備控制電視、機頂盒等，燈光集中控制器控制多盞燈。但要實現(xiàn)智能設備的即插即用，在設備注冊階段，要向家庭網(wǎng)關提交設備本身的描述信息。一般智能設備的描述信息包含了設備的基本屬性、所能執(zhí)行的動作和能夠提供的狀態(tài)。為更好地描述設備，參考UPnP協(xié)議對設備的描述[6]，并提出適合本系統(tǒng)的設備描述規(guī)范。

　　UPnP協(xié)議對設備的描述分成設備描述和服務描述，對于設備的圖標和控制界面，通過在設備描述中提供其URL的方式來提供。當家庭網(wǎng)絡沒有連入Internet時，無法添加新的智能設備，因此本文對設備的描述分成設備描述、圖標描述及界面描述等幾部分，在設備注冊階段再一一提交給家庭網(wǎng)關。其中設備描述是必備的，其框架如圖3所示。

　　該設備描述文件主要包括：

　　（1）設備屬性（唯一設備名、設備別名、廠商名稱等）；

　?。?）動作列表（動作名稱、參數(shù)、動作返回值等）；

　?。?）狀態(tài)列表（狀態(tài)名稱、數(shù)據(jù)類型、有效值范圍等）。

3 家庭網(wǎng)關設計

　　家庭網(wǎng)關是智能家居系統(tǒng)的核心，負責控制家庭內部的智能設備，本文設計的家庭網(wǎng)關其軟件架構如圖4所示。

　　該家庭網(wǎng)關主要由網(wǎng)絡及線程管理單元、設備管理單元和界面管理單元三部分組成。為提高設備的響應速度，采用多線程方式為每個插座及插座上的設備服務，網(wǎng)絡及線程管理單元負責線程的創(chuàng)建與銷毀。以下是該家庭網(wǎng)關對數(shù)據(jù)的處理過程：

　?。?）線程通過HPnP協(xié)議處理單元解析接收到的數(shù)據(jù)。

　?。?）設備管理單元將解析結果分發(fā)到入網(wǎng)注冊管理等各個子管理單元處理，以維護設備句柄表上的數(shù)據(jù)信息。

　　（3）當解析結果為設備注冊、狀態(tài)更新或退出時，設備管理單元發(fā)出相應信號給界面管理單元，如果為設備注冊或退出信號，則根據(jù)圖標設備映射表維護界面圖標；如果為狀態(tài)更新信號，則通知當前動態(tài)生成的界面更新狀態(tài)。

　?。?）當用戶操控設備界面產生控制信息時，設備管理單元將控制信息交給網(wǎng)絡及線程管理單元。

　?。?）網(wǎng)絡及線程管理單元負責把待發(fā)送消息分發(fā)到指定線程，指定線程通過HPnP協(xié)議處理單元將消息打包并發(fā)送。

　　動態(tài)生成的界面采用基于數(shù)據(jù)驅動的圖形界面開發(fā)方案，實現(xiàn)了設備控制界面和設備邏輯功能的分離。界面生成主要有以下3種方式：（1）根據(jù)動作和狀態(tài)鏈表生成控制界面。此種方式適用于簡單設備，如環(huán)境傳感設備。通過分析動作和狀態(tài)的特征，找到與之匹配的控件。（2）根據(jù)設備提供的界面描述文檔生成控制界面[7]。此種方式適用于較復雜的和希望生成個性化界面的設備。（3）通過Web瀏覽器獲得控制界面。此種方式適用于具有提供Web服務的設備，服務地址可在設備描述中提供。

4 實驗驗證

　　4.1 即插即用驗證

　　為驗證該智能家居系統(tǒng)具有即插即用的特性，基于HPnP自定義協(xié)議和Qt5 SDK[8]實現(xiàn)本文所述的家庭網(wǎng)關，并模擬一個智能插座及兩個不同智能設備，不同設備其設備描述符不同。

　　圖5顯示了智能插座注冊成功后，家庭網(wǎng)關上創(chuàng)建該設備的圖標Socket和控制界面，以及家庭網(wǎng)關一側控制智能插座的交互過程。

　　圖6顯示了另一個智能設備（燈光集中控制設備）注冊成功后，家庭網(wǎng)關上生成該設備的圖標Light和控制界面，以及智能設備狀態(tài)改變時與家庭網(wǎng)關的交互過程。

　　4.2 可行性驗證

　　將上述實現(xiàn)的家庭網(wǎng)關程序交叉編譯，運行于搭載Linux操作系統(tǒng)的S3C2440處理器上，在PC上模擬智能插座及設備。1個智能插座（包括3個設備）向家庭網(wǎng)關發(fā)起1個連接，針對不同參數(shù)進行測試，共測試41組數(shù)據(jù)，其中5組數(shù)據(jù)如表3所示。

　　從表3可以看出，隨著連接數(shù)的增加，該家庭網(wǎng)關對設備的響應速度都維持在7 ms左右，且丟包率為0%，說明在通信鏈路正常連接的情況下，該家庭網(wǎng)關能及時響應每個設備，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。但隨著連接數(shù)的增加，該家庭網(wǎng)關內存消耗量幾乎呈線性增加，其趨勢如圖7所示。從圖7可推測出，當家庭網(wǎng)關承受240個連接共計720個設備時，內存消耗量約為20 MB左右，因此用一般的嵌入式設備充當家庭網(wǎng)關即可滿足普通家庭的需求，具有較好的可行性。

5 結論

　　本文設計的一種即插即用的智能家居系統(tǒng)，使無 計算能力和無網(wǎng)絡連接能力的簡單設備也能實現(xiàn)即插即用。此外，可對系統(tǒng)作簡單修改，使之適用于其他物聯(lián)網(wǎng)的應用中。實驗結果表明，該系統(tǒng)在不更新家庭網(wǎng)關的前提下，可實現(xiàn)智能設備零配置地接入系統(tǒng)，方便設備的添加、升級和撤除。

　　參考文獻

　　[1] 趙玉民.家庭網(wǎng)絡互聯(lián)技術與數(shù)字家庭組建方案探討[J].電視技術，2011，35（1）：27-38.

　　[2] EOM B， LEE C， LEE H. UPnP remote UI and sensor collaboration framework for cloud AV service in smart home [C]. 2013 International Conference on ICT Convergence （ICTC）， USA： IEEE Press， 2013：907-908.

　　[3] 肖曉霞.基于Jini技術的智能家居網(wǎng)絡應用探討[J].湘潭師范學院學報，2009，31（2）：65-67.

　　[4] 方遠，劉強，趙澤，等.物聯(lián)網(wǎng)即加即用及其智能配置技術研究[J].電子學報，2013，41（9）：1744-1752.

　　[5] 福州大學.帶數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡通訊功能的智能插座：中國，201320336673.5[P].2013-12-04.

　　[6] PRESSER A， FARREL L. UPnP device architecture[EB/OL].[2014-01-15]（2014-06-30）. http：//www.upnp.org/specs/arch/UPnP-arch-DeviceArchitecture-v1.1.pdf.

　　[7] 彭順順，周傳生.基于數(shù)據(jù)驅動的圖形界面開發(fā)方案[J].微型機與應用，2013，32（19）：1-3.

　　[8] DIGIA. Qt reference documentation[EB/OL]. [2014-01-10]（2014-06-30）. http：//qt-project.org.